[Editar este párrafo] Nombre en inglés (Karman Vortex Street)
Produce arreglos pares y alternos en los lados izquierdo y derecho de la estela de fluido que pasa por un objeto no aerodinámico Antisimétrico vórtice con dirección de rotación opuesta. La calle Karman vortex es un fenómeno estudiado en la dinámica de fluidos viscosos e incompresibles. Los vórtices de Karman se generan cuando el fluido fluye alrededor de chimeneas altas, edificios de gran altura, cables, oleoductos e intercambiadores de calor. En 1911, el científico alemán T. von Kamen encontró la base teórica de la estabilidad de este vórtice desde el punto de vista de la aerodinámica. Para el flujo alrededor de un cilindro, la frecuencia f de cada vórtice en la calle del vórtice es directamente proporcional a la velocidad del flujo v e inversamente proporcional al diámetro del cilindro d, es decir. Sr es el número de Strouhal, relacionado principalmente con el número de Reynolds. Cuando el número de Reynolds es 300 ~ 3×105, Sr es aproximadamente constante (0,21). Cuando el número de Reynolds es 3 × 105 ~ 3 × 106, la calle del vórtice regular ya no existe; cuando el número de Reynolds es mayor que 3 × 106, la calle del vórtice Karman aparecerá automáticamente nuevamente y Sr es aproximadamente 0,27. Cuando aparece una calle de vórtice, el fluido producirá fuerzas laterales que se alternan periódicamente sobre el objeto. Si la frecuencia de la fuerza está cerca de la frecuencia natural del objeto, provocará vibraciones e incluso dañará el objeto. Esta calle de vórtice una vez hizo que el periscopio del submarino perdiera su capacidad de observación, el puente del canal resultó dañado y la caja del precalentador de aire de la caldera vibró y se agrietó. Utilizando la periodicidad y alternancia del vórtice Karman, se puede fabricar un caudalímetro de vórtice Karman y se puede determinar la velocidad o el caudal del fluido midiendo la frecuencia de desprendimiento del vórtice.
[Editar este párrafo] ¿Descubridor Feng? Introducción a Carmen
Feng? Theodore von Karman (1881 ~ 1963) fue un mecánico húngaro-estadounidense y uno de los fundadores de la mecánica moderna. Nació en mayo de 1881 en Budapest, Hungría. Entre sus estudiantes de posgrado en Caltech se encontraban los académicos chinos Qian Xuesen, Guo Yonghuai y Qian Weichang, así como el académico chino-estadounidense Lin Jiaqiao. Sus pensamientos académicos desempeñaron un papel positivo en el desarrollo de la mecánica china. Es bueno para captar la esencia física de las cosas a través de fenómenos, refinar modelos matemáticos, establecer un estilo de estudio que combina la teoría matemática de la mecánica moderna con la práctica de la ingeniería y sentar las bases para la dirección básica de la mecánica moderna. Logró muchos logros destacados y recibió muchas medallas nacionales, incluida la primera Medalla Nacional de Ciencias en los Estados Unidos.
[Editar este párrafo] Historia de la investigación de Karman Vortex Street
Karman Vortex Street es un fenómeno importante en la mecánica de fluidos y se encuentra a menudo en la naturaleza. Cuando un flujo constante pasa por alto algunos objetos bajo ciertas condiciones, filas dobles de vórtices lineales con direcciones de rotación opuestas y disposición regular se desprenderán periódicamente de ambos lados del objeto. Después de efectos no lineales, se forma una calle de vórtices Karman. Si el agua fluye sobre los pilares de los puentes, el viento soplará sobre torres, chimeneas y líneas eléctricas, creando calles de vórtices Karman. Las calles Karman Vortex tienen algunas aplicaciones muy importantes, por lo que es necesario comprender su historial de investigación y sus aplicaciones relacionadas.
¿Feng? Kamen nació en el Imperio austrohúngaro en una familia de profesores de educación. Se graduó en el Instituto Real de Tecnología de Budapest en 1902 y se trasladó a Göttingen, Alemania, en 1906. Ttingen), bajo la dirección del profesor Ludwig Prandtl de 1875 a 1953, y se doctoró en 1908. ¿Feng? Kamen trabajó como profesor asistente en la Universidad de Göttingen en 1911. En aquella época, los intereses de investigación del profesor Prandtl se centraban principalmente en los problemas de la capa límite. La tarea de Prandtl para el estudiante de doctorado Karl Hiemenz fue diseñar un canal de manera que se pudiera observar el flujo que se divide detrás del cilindro y probar experimentalmente el punto de división calculado a partir de la teoría de la capa límite. Para hacer esto, primero necesitamos saber cómo se distribuye la presión alrededor del cilindro en un flujo constante de agua. Haymenz hizo un tanque de agua, pero inesperadamente, durante el experimento, descubrió que el agua del tanque seguía oscilando violentamente.
Después de que Haemenz informara de la situación al profesor Pelant, Pelant le dijo: "Obviamente, su cilindro no es lo suficientemente redondo". Sin embargo, después de que Haymenz trabajó muy finamente en el cilindro, el agua siguió balanceándose. "Es posible que el fregadero no sea asimétrico", añadió Plant Haymenz después comenzó a ajustarlo cuidadosamente, pero aún así no pudo solucionar el problema.
¿Feng? El proyecto de Carmen en ese momento no tenía nada que ver con el trabajo de Haemenz, pero él siempre corría al laboratorio todas las mañanas y preguntaba: "Señor Haemenz, ¿el flujo está estable ahora?". Hemenz respondió con pesar: "Siempre está temblando".
¿En este momento, Feng? Carmen pensó, si el agua siempre está oscilando, debe haber una razón objetiva inherente a este fenómeno. ¿Los fines de semana, Feng? Karman intentó calcular la estabilidad del sistema de vórtices utilizando algoritmos toscos. Supuso que sólo un vórtice podía moverse libremente y que todos los demás estaban estacionarios. Luego mueva el vórtice un poco y vea cuál es el resultado calculado. ¿Feng? La conclusión de Karman es: si se trata de una disposición simétrica, entonces el vórtice debe estar cada vez más alejado de la posición original para una disposición antisimétrica, aunque se obtiene el mismo resultado, cuando el espaciado entre filas y el espaciado de vórtices adyacentes tienen una; cierta proporción Cuando, el vórtice permanece cerca de la posición original y realiza un pequeño movimiento circular alrededor de la posición original.
¿Ir a trabajar el lunes, Feng? Kamen informó los resultados de sus cálculos al profesor Prandtl y le preguntó qué pensaba de este fenómeno. Plant dijo: "Hay algo de verdad en esto. Escríbalo y enviaré su trabajo a la academia Feng". Kamen recordó más tarde: "Este fue mi primer artículo sobre este problema. Más tarde sentí que mi hipótesis era demasiado arbitraria. Así que volvemos a estudiar un sistema de vórtices en el que todos los vórtices pueden moverse. Esto requiere un poco más de complejidad. Unas semanas Más tarde, después del cálculo, escribí el segundo artículo: "¿Por qué enviaste dos artículos en tres semanas?" Obtuve una aproximación aproximada y luego la refine. Básicamente, el resultado es el mismo. mismo. Kamen estudió la disposición de los vórtices basándose en los experimentos con canales de Hementz. Más tarde, ¿la gente por culpa de Feng? Kamen estudió su mecanismo en detalle y con éxito, y lo coronó con el apellido de Kamen, conocido como la calle Kamen vortex.
¿Feng? La propia Carmen escribió más tarde en el libro: "No pretendo haber descubierto estos vórtices". Mucho antes de que yo naciera, todo el mundo sabía que existía tal vórtice. Lo primero que vi fue un cuadro en una iglesia de Bolonia, Italia. La imagen muestra a San Cristóbal cruzando el río con el joven Jesús en brazos. El artista pintó un remolino escalonado detrás de los pies descalzos de Christopher. "Von Kármán también dijo que antes que él, un científico británico Mallock (1851 ~ 1933) también observó los remolinos entrelazados detrás de los obstáculos y tomó fotografías. Otro profesor francés Henry Bernal (Henry Bernal) Bernard) (1874 ~ 1939) también hizo mucho de investigación sobre este tema, pero Bernard investigó principalmente los vórtices en líquidos viscosos y soluciones en suspensión coloidales. Su investigación fue más desde la perspectiva de la física experimental que desde la perspectiva de la aerodinámica. p>Von Kamen creía que su contribución a esta investigación en 1911 ~ 1912 se debió principalmente a dos aspectos: primero, descubrió que solo cuando el vórtice está dispuesto de manera antisimétrica, y solo la calle del vórtice es estable cuando la distancia entre filas y filas tiene una cierta relación con la distancia entre dos vórtices adyacentes en la misma fila; el segundo es para conectar el impulso y la resistencia transportados por el sistema de vórtice.
[editar esta sección] Accidente del desastre del viento del vórtice de Tacoma y Karman.
En la década de 1940, las dolorosas lecciones del desastre del viento del puente Tacoma Canyon en los Estados Unidos hicieron que la gente se diera cuenta del importante papel de Karman Vortex Street en la seguridad de la construcción.
En 1940, una. El puente colgante con una luz principal de 853,4 metros fue construido en Tacoma Canyon, estado de Washington, a un costo de 6,4 millones de dólares. Cuatro meses después de su finalización, encontró velocidades de viento de 119 metros/segundo el 7 de octubre del mismo año. El viento no era fuerte, el puente todavía se retorcía y vibraba violentamente, con una amplitud cada vez mayor (casi 9 metros), hasta que la plataforma del puente se inclinó a unos 45 grados, lo que provocó que las varillas de suspensión se rompieran una por una, provocando que el puente Las vigas de acero de la plataforma se derrumbaron y cayeron al cañón. En ese momento, un equipo de filmación de Hollywood estaba filmando el puente en el lugar, registrando todo el proceso desde el comienzo de la vibración hasta la destrucción final. para que la Administración Federal de Carreteras investigue la causa del accidente Al investigar los accidentes y recopilar datos históricos, la gente se sorprendió al descubrir que desde 1818 hasta finales de 1919, al menos 11 puentes colgantes resultaron dañados debido a la vibración de los puentes causada por el viento.
Después de la Segunda Guerra Mundial, la gente estudió la causa del daño del viento en el puente de Tacoma ha sido debatida desde el principio.
Algunos ingenieros aeronáuticos creen que la vibración del Puente de Tacoma es similar al aleteo del ala de un avión; mientras que la mecánica de fluidos representada por von Karman cree que la viga principal del Puente de Tacoma tiene una sección roma en forma de H, que es diferente de la El ala aerodinámica y tiene un desprendimiento de vórtice obvio debe explicarse por el mecanismo de vibración inducido por el vórtice. ¿Feng? Kamen escribió en su libro de 1954 "El desarrollo de la aerodinámica" que el daño al puente Tacoma Narrows fue causado por las * * * vibraciones de vórtices periódicos. Los diseñadores querían construir una estructura más económica, utilizando losas planas en lugar de cerchas para las paredes laterales. Desafortunadamente, estas placas provocaron que se liberaran vórtices y el puente comenzó a vibrar torsionalmente. El fenómeno de daño del puente es causado por la vibración y la liberación de vórtices.
En la década de 1960, mediante cálculos y experimentos, se demostró que Feng? La división de Carmen es correcta. El accidente causado por el viento del puente de Tacoma fue causado por el flujo de fluido a cierta velocidad a través de la pared lateral, creando una calle de vórtice Karman. La liberación alterna de vórtices detrás de la calle de vórtices Karman genera fuerzas laterales alternas sobre el objeto perpendicular a la dirección del flujo, lo que obliga al puente a vibrar. Cuando la frecuencia de liberación se acopla con la frecuencia natural de la estructura del puente, *se producirá una vibración que provocará daños.
Las calles de vórtice Karman no solo aparecen detrás de pilares, sino que también pueden formarse detrás de objetos de otras formas, como edificios de gran altura, torres de televisión, chimeneas y otros edificios. Las vibraciones inducidas por el viento en estos edificios a menudo están relacionadas con las calles de vórtices de Karman. Por lo tanto, al diseñar edificios de gran altura, se deben realizar cálculos y experimentos con modelos de túnel de viento para garantizar que el edificio no resulte dañado por las calles del vórtice de Karman. Se entiende que los experimentos con modelos se llevaron a cabo en el túnel de viento del Departamento de Mecánica y Ciencias de la Ingeniería de la Universidad de Pekín antes de la construcción de las torres de transmisión de televisión en Beijing y Tianjin y la Torre de Televisión Perla Oriental en Shanghai.
[Editar este párrafo] Aplicación de Karman vortex: caudalímetro Karman vortex
De hecho, Karman vortex no siempre causa accidentes desafortunados, pero también ha tenido una aplicación muy exitosa. Por ejemplo, el caudalímetro de vórtice Karman que se ha utilizado ampliamente en la industria es un caudalímetro fabricado utilizando el fenómeno de vórtice de Karman. Cuando un generador de vórtice se inserta verticalmente en un fluido, el fluido forma una calle de vórtice Karman al pasar por alto el generador. Bajo ciertas condiciones, los sistemas de vórtices asimétricos pueden permanecer estables. En este momento, la frecuencia f del vórtice tiene la siguiente relación con la velocidad del flujo v del fluido y el ancho d del generador de vórtice:
f=St(v/d)
Donde St es el número de Strouhal, que es una constante en condiciones normales de funcionamiento.
El caudalímetro de vórtice Karman tiene muchas ventajas: puede medir el flujo de líquidos, gases y vapor; la precisión puede alcanzar el 1% (valor indicado, tiene una estructura simple, sin partes móviles, es confiable); y duraderos; elementos piezoeléctricos están empaquetados en el generador y el elemento de detección no entra en contacto con el medio; tiene un amplio rango de temperatura y presión de funcionamiento, y la temperatura máxima de funcionamiento puede alcanzar los 400 °C; Función de ajuste automático y el ruido de la tubería se puede ajustar automáticamente mediante software.