卡门涡街形成的条件
卡门涡街数值模拟
二、边界条件
1.5m Wall
Velocity inlet
Wall 0.02m
Outflow
0.8m
Wall 0.3m u=0.17894m/s ν=1.7894×10-5m/s Re=Ud/ν=200
三、网格划分
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
四、求解设置
卡门涡街的数值模拟
目录
1 卡门涡街简介 2 边界条件 3 网格划分 4 求解设置 5 结果分析
一、卡门涡街简介
卡门涡街是流体力学中重要的现象，在一定条件下的定常来流绕过某些物 体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡， 经过非线性作用后，形成卡门涡街。如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、 电线等都会形成卡门涡街。
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Frequency
Lift coefficient
谢谢，请老师同学批评指正！
一、卡门涡街简介
原因：流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥离，形成交替的涡流。 这种交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬间速度不同。流体速度不同， 阻流体两侧受到的瞬间压力也不同，因此使阻流体发生振动。
形成条件：卡门涡街形成的条件：对于在流体中的圆柱体雷诺数 （47<Re<105） 涡街频率：卡门涡街频率与流体速度和阻流体（旋涡发生体）宽度有如 下关系: f=SrV/d f=卡门涡街频率, Sr=斯特劳哈尔数, V=流体速度, d=阻流体迎面宽度 影响及应用：声响效应，引发共振，涡街流量计
四、求解设置
卡门涡街
现象
在流体中安置阻流体，在特定条件下会出现不稳定的边界层分离，阻流体下游的两侧，会产生两道非对称地排列的旋涡，其中一侧的旋涡循时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐，如街道两边的街灯般，这种现象，称为卡门涡街.
原因
卡门涡街起因流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥离，形成交替的涡流。
这种交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬间速度不同。
流体速度不同，阻流体两侧受到的瞬间压力也不同，因此使阻流体发生振动。
形成条件
卡门涡街形成的条件：对于在流体中的圆柱体雷诺数（47<Re<105）
涡街频率
卡门涡街频率与流体速度和阻流体（旋涡发生体）宽度有如下关系:
f=SrV/d
f=卡门涡街频率, Sr=斯特劳哈尔数, V=流体速度, d=阻流体迎面宽度
应用及危害(皆利用卡门涡街频率与固有频率相同而共振)
英国物理学家约翰·威廉斯特拉斯·瑞利勋爵最先应用卡门涡街理论，用卡门涡街的交替旋涡解释风弦琴发声的原理。
(原因:风弦琴在十八世纪欧洲流行，在木制共鸣箱上安装几条琴弦，风吹琴弦，产生卡门涡街，卡门涡街频率和琴弦的固有频率发生共振而发声。
)中国古代在风筝上安装竹片，风吹发声如筝，也是卡门涡街原理造成的。
其他例子包括风吹电线发声等等。
德国物理学家古切（F. Gutsche），用卡门涡街解释为什么船舶的螺旋桨在水中发出的声音
建筑物倒塌(危害)。
卡门涡街的Comsol仿真实验报告
课程名称：大学物理实验（二）实验名称：卡门涡街的Comsol仿真图3.1卡门涡街仿真图四、实验内容及步骤：4.1建模本实验的的建模与仿真可分为八步：1.模型向导2.参数定义3.几何建模4.材料设置5.层流设置6.划分网格7.研究求解8.结果分析操作步骤：1.模型向导1)打开COMSOL软件，在新建窗口中单击模型向导；2)在模型向导窗口中，单击二维；3)在选择物理场树中双击流体流动单相流层流；4)单击添加，然后单击下方的研究；5)在选择研究中选择一般研究瞬态；6)单击底部的完成；2.参数定义1)在左侧模型开发器窗口的全局定义节点下，单击参数1；2)在参数的设置窗口中，定位到参数栏；3)在表中输入以下设置：图4.1 设置示范图4)在左侧主屏幕工具栏中单击f(x)函数，选择全局阶跃；5)在阶跃的设置窗口中，定位到参数栏；6)在位置文本框中输入0.1；3.几何建模1)在上方的几何工具栏中单击矩形；图4.2 建模完成后图材料设置在模型开发器窗口的组件(comp1)节点下，右键单击材料并选择空材料；在材料的设置窗口中，定位到材料属性明细栏；图4.3 设置示范图图层流设置在模型开发器窗口的组件1(comp1)节点下，右键单击层流(spf)并选择入口；在入口的设置窗口中，边界选择栏里选择边界1（单击右侧图形窗口里矩形的左边界即可）在入口的设置窗口中，定位到速度栏，在U0文本框中输入图4.4 划分网格后的图形在模型开发器窗口的研究节点下，单击步骤1: 瞬态；图6.3升力系数随时间的变化由图5.1可知，升力系数的大小在前0.5s几乎为0，0.5s到3.5s升力系数大幅不断变大然后减小，同时升力系数的峰值和谷值的绝对值都在变大，而且峰值和谷值的绝对值近似相等，3.5s到5.0s力系数的峰值和谷值的绝对值缓慢增大，直到5.0s时都取到最大约0.89，此后5.0s到7.0s升力系数在峰值和谷值的绝对值的最大值之间波动。
作出曳力系数随时间变化图图6.4 曳力系数随时间的变化由图5.2可知，曳力系数在0.5s前就从0急剧变大至约3.1，随后在0.5s到3.5s缓慢且小幅减小再增大至约3.17，在3.5s到7.0s时，曳力系数仅在3.17之间微小波动。
卡门涡街实验
卡门涡街一、实验现象首先，把小纸条在无风处竖直放置，观察到纸片是静止的。
然后，将吹风机调至低风速档，将纸片放在吹风机下面，风从纸片正上方往下吹，先将纸片放在离吹风口远一点的位置，纸片还是基本静止的；慢慢靠近风口，由于实验存在误差，纸片会有一点微小的摆动，但是纸片的振幅不会太大。
由此可以观察到当风速比较低时，纸片基本上还是静止的。
最后，把吹风机打到高风速挡，这个时候可以观察到纸片中部振幅波动大，后头尾巴会明显摆出。
二、实验原理卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到。
在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街，如水流过桥墩，风吹过高层楼厦、电视塔捆囱、电线等都部会形成卡门涡街。
一个轴对称的圆形物体受到风的作用，如果风的速度小于某个值，它的流线如下图(a)所示；随着流速的增大在它的尾部出现了一个气流的涡旋（如下图(b)），这个涡旋会脱落，每次脱落的时候它都会交替的出现，尾部的涡在脱落的过程造成的负压力出现周期性的变化，最后出现下图(d)(e)的情况。
三、原理应用实际上，卡门涡街并不全是会造成不幸的事故，它也有很成功的应用。
比如己在工业中广泛使用的卡门涡街流量计，就是利用卡门涡街现象制造的一种流量计。
它将涡旋发生体垂直插入到流体中时，流体绕过发生体时会形成卡门涡街，在满足一定的条件下，非对称涡列就能保持稳定，此时，涡旋的频率f与流体的流速v成正比，与涡旋发生体的正面宽度d成反比，可用公式表示为：f=Stv/d其中St为斯特劳哈尔数，在正常工作条件下为常数。
卡门涡街流量计有许多优点：可测量液体、气体和蒸汽的流量；精度可达±1%(指示值)；结构简单，无运动件，可靠、耐用；压电元件封装在发生体中，检测元件不接触介质；使用温度和压力范围宽，使用温度最高可达400℃；并具备自动调整功能，能用软件对管线噪声进行自动调整。
卡门漩涡的概念
卡门漩涡的概念卡门漩涡（也称为卡门旋涡）是指在流体力学和气体动力学中一种形成旋涡结构的现象，最早由匈牙利科学家卡门在20世纪30年代发现并研究。
卡门漩涡是一种自发生成和持续存在的流体动力学现象，它的形成与流体的不稳定性和非线性效应有关。
卡门漩涡通常出现在较高速的流体中，主要在两个相对运动的流体层之间形成。
当一个高速流体经过一个固体物体或者通过两个不同密度的流体层时，会在两个流体层之间形成一个较低速的区域。
在该区域内，由于流体的不稳定性，会形成一种类似于旋涡的动态结构，即卡门漩涡。
形成卡门漩涡的主要机制是流体的不稳定性。
当高速的流体通过低速区域时，会受到惯性力和粘性力的作用。
惯性力使流体倾向于继续保持其原来的运动状态，而粘性力则试图使流体向较低速区域溶入。
这种抵消力量的不断竞争最终导致流体发生剪切和扰动，从而形成旋涡。
而这种旋涡会在流体中不断延伸、扩散和扭曲，从而形成了卡门漩涡的结构。
卡门漩涡的形态和性质与具体的流体系统和流体参数有关。
通常情况下，卡门漩涡呈现出一个轴对称的环形结构，中心是一个较低速的区域，周围则是高速的旋涡流动区域。
这种结构通常呈现稳定的状态，可以持续存在。
卡门漩涡在自然界和工程领域都有广泛的应用和影响。
在自然界中，卡门漩涡可以在海洋、大气和地球大尺度运动等各种情况下产生。
例如，在海洋中，卡门漩涡的形成可以通过海流和风力的相互作用来解释。
而在大气中，卡门漩涡的形成则与气流和地形的交互作用有关。
在工程领域中，卡门漩涡的研究对于设计和改进各种工程设备和结构都具有重要意义。
例如，在风力发电机中，卡门漩涡的产生会对风轮的转动产生阻力和振动，影响发电机的效率和寿命。
因此，研究和理解卡门漩涡的运动和特性，对于提高风力发电机的效率和稳定性至关重要。
在船舶和水力工程中，卡门漩涡的形成会对流体的导向和流速产生影响，从而影响水流的流动和结构的稳定性。
因此，研究和控制卡门漩涡的产生和影响，对于提高船舶和水利工程的设计和操作效率都具有重要意义。
涡街流量计培训教材
一．涡街流量计的原理1．卡门涡街的产生与现象为说明卡门涡街的产生，我们来考虑粘性流体绕流圆柱体的流动．当流体速度很低时，流体在前驻点速度为零，来流沿圆柱左右两侧流动，在圆柱体前半部分速度逐渐增大，压力下降，后半部分速度下降，压力升高，在后驻点速度又为零．这时的流动与理想流体绕流圆柱体相同，无旋涡产生，如图3—7a所示．随着来流速度增加，圆柱体后半部分的压力梯度增大，引起流体附面层的分离，如图3—7b所示．当来流的雷诺数Re再增大，达到40左右时，由于圆柱体后半部附面层中的流体微团受到更大的阻滞，就在附面层的分离点S处产生一对旋转方向相反的对称旋涡．如图3－7c所示．在一定的雷诺数Re范围内，稳定的卡门涡街及旋涡脱落频率与流体流速成正比．图3－7 圆柱绕涡街产生示意图2．卡门涡街的稳定条件并非在任何条件下产生的涡街都是稳定的．冯·卡门在理论上已证明稳定的涡街条件是：涡街两列旋涡之间的距离为h，单列两旋涡之间距离为，若两者之间关系满足＝1或 h / ＝0. 281 （3－24）时所产生的涡街是稳定的。
3．涡街运动速度为了导出旋涡脱落频率与流速之间的关系，首先要得到涡街本身的运动速度．为便于讨论，我们假定在旋涡发生体上游的来源是无旋、稳定的流动，即其速度环量为零．从汤姆生定理可知，在旋涡发生体下游所产生的两列对应旋涡的速度环量，必然大小相等，方向相反，其合环量为零，由于对应两旋涡的旋向相反，速度环量大小相等，所以在整个涡群的相互作用下，涡街将以一个稳定的速度向上游运动．从理论计算可得．的表示式为＝tan h (3-25)对于稳定的涡街，将式（3－25）代入，有：= tan h(0. 281 )= (3-26)4．流体流速与旋涡脱落频率的关系从前面讨论可知，当流体以流速u流动时，相对于旋涡发生体，涡街的实际向下游运动速度为u－ur．如果单列旋涡的产生频率为每秒f个旋涡，那么，流速与频率的关系为u－ur = fl (3－27)将式(3－26)代入，可得到流速u与旋涡脱落频率f之间的关系．但是，在实际上不可能测得速度环量的数值，所以只能通过实验来确定来流速度u与涡街上行速度ur之间的关系，确定因柱形旋涡发生体直径d与涡街宽度h之间的关系，有：h＝1. 3d （3－28）ur＝0. 14u （3－29）将式（3－24），（3－27），（3－28），（3－29）联立，可得：f＝＝＝（3－29’）0. 2u / d也可将上式写成：St＝0. 2 (3－30)St称为斯特罗哈尔数．从实验可知，在雷诺数Re为3×l02－3×l05范围内，流体速度u与旋涡脱落频率的关系是确定的．也就是说，对于圆柱形旋涡发生体，在这个范围内它的斯特罗哈尔数St是常数，并约等于0．2，与理论计算值吻合的很好．对于三角型式的旋涡发生体，其斯特罗哈数St也是常数，但有它自己的数值．图3－8为圆柱型旋涡发生体产生的涡街结构．根据以上分析，从流体力学的角度可以判定涡街流量计测量的上下限流量为：Re ＝3×102－2×l05．当雷诺数更大时，圆柱体周围的边界层将变成紊流，不符合上述规律，并且将会是不稳定的．图3－8 涡街结构示意图5．流体振动原理当涡街在旋涡发生体下游形成以后，仔细观察其运动，可见它一面以速度u－ur 平行于轴线运动，另外还在与轴线垂直方向上振动．这说明流体在产生旋涡的同时还受到一个垂直方向上力的作用．下面讨论这个垂直方向上力的产生原因及计算方法．同前讨论，假定来流是无旋的，根据汤姆生定律：沿封闭流动流线的环量不随时间而改变．那么，当在旋涡发生体右(或左)下方产生一个旋涡以后，必须在其它地方产生一个相反的环量，以使合环量为零．这个环量就是旋涡发生体周围的环流．根据茹科夫斯基的升力定理，由于这个环量的存在，会在旋涡发生体上产生一个升力，该升力垂直于来流方向．设作用在旋涡发生体每单位长度上的升力为L，有：L＝u （3－31）式中――流体密度；u――来流速度；――旋涡发生体的速度环量．从前面的讨论中可以得到以下关系，＝2 ur；ur=K1u；＝K2d ；将上述关系代入式(3—31)，并令系数K＝2 K1K2，则有：L＝K du2 (3－32)这就是作用在旋涡发生体上的升力．由于旋涡在旋涡发生体两侧交替发生，且旋转方向相反，故作用在发生体上的力亦是交替变化的．而流体则受到发生体的反作用力，产生垂直于铀线方向的振动，这就是流体振动的原理．从上述分析可以知道：交替地作用在旋涡发生体上的上升力的频率就是旋涡的脱落频率．通过检测该升力的变化频率，就可以得到旋涡的脱落频率，从而可得流体的流速值。
卡门涡街-科普分析
冯·卡门与卡门涡街王振东美国宇航局2009年5月公布了自1959年8月14日拍摄第一张卫星照片以来，所选出的50年十佳地球卫星照片，排为十佳照片第一张的是“冯·卡门涡街”，从而引起了人们对冯·卡门和卡门涡街的兴趣和关注。
冯·卡门（Theodore von Kármán １８８１—１９６３）是美藉匈牙利裔力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀，以及美藉华人科学家林家翘在美国加州理工学院时的导师。
卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到。
在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街,如水流过桥墩，风吹过高层楼厦、电视塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。
卡门涡街的图片十分漂亮，有时可当作为艺术品来欣赏。
50年十佳地球卫星照片的第一名美国宇航局2009年5月公布所选出的50年十佳地球卫星照片，排在十佳第一张的照片是“陆地卫星7号”2007年拍摄的以下这张图片，它展示了一排涡旋正在交替改变向前运行的方向，这正是“冯·卡门涡街”。
当风或者洋流被岛屿挡住去路时，会出现这种图形。
此图片中的这些卡门涡街，是当风吹过太平洋北部向东运行过程中，遇到阿留申群岛时形成的。
实际上，也还有另外一些卫星拍摄到了很清晰的卡门涡街照片。
2009年2月24日，来自北方的冷空气（可能是来自格陵兰的重力风）遭遇格陵兰海域上空的潮湿空气，在扬曼因（Jan Mayen）岛附近上空形成了一排排的积云。
扬曼因岛阻碍了风的行进，对天气也施加了影响。
就像水流会分开绕过河里的巨石一样，吹来的风也会在扬曼因岛的北面分叉，然后在它的南面又再次汇拢。
在扬曼因岛的下风处，当冷空气从岩石表面刮过时，形成了一连串螺旋状的涡旋，这也正是卡门涡街。
在图片的左上角，可以看到一小片白雪覆盖的格陵兰岛的海岸线以及海冰。
卡门涡街现象
普朗特在1904年用普朗特水槽模拟流体过程
， 路德维希·普朗特（Ludwig Prandtl 1875年2月4日－1953
年8月15日）德国力学家。近代力学奠基人之一。1901年在 一机械厂工作中，因改进用管道抽吸废屑的装置发现了气流 分离问题；后来在汉诺威大学任教授时，用自制水槽观察曲 面流动现象，三年后提出边界层的理论。
3/10/2020
1-X 卡门涡。街现象(68)
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1-X 卡门涡街现象(68)
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冯.卡门向普朗特教授报告了他的计算结果 ，并问普朗特对这一现象的看法如何？普朗特 说，“这里面有些道理，写下来罢，我把你的 论文提交到学院去”。冯.卡门后来回忆时，对 此事写道：“这就是我关于这一问题的第一篇 论文。之后，我觉得，我的假定有点太武断。 于是又重新研究一个所有涡旋都能移动的涡系 。这样需要稍微复杂一些的数学计算。经过几 周后，计算完毕，我写出了第二篇论文。有人 问我：‘你为什么在三个星期内提出两篇论文 呢？一定有一篇是错的罢’。其实并没有错， 我只是先得出个粗略的近似，然后再把它细致 化，基本上结果是一样的；只是得到的临界比 的数值并不完全相同”。
President Kennedy honors Dr. von Kármán
3/10/2020