卡门涡街现象分析

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1、卡门涡街现象分析1881年5月11日是著名的美国工程力学家卡门（1881-1963）的诞生纪念日。卡门出生在匈牙利的布达佩斯。他对人类最大的贡献是开创了数学、力学在航空、航天和其它工程技术领域的应用，为近代力学的发展奠定了基础。1911年卡门对流动的流体在圆柱体后留下的两排周期性旋涡进行了深入的研究，在理论上对这种旋涡做出了精辟的分析。这就是著名的卡门旋涡。卡门创建了美国航空科学学院，并把这所学院建设成了当时流体力学的研究中心和培训基地。卡门支持他的学生对火箭推进技术进行研究并和马利纳第一次证明能够设计出稳定持久燃烧的固体火箭发动机。一.卡门涡街现象实

2、际流体绕流圆柱(管)体时，边界层分离所形成的旋涡在背流面有一定释放(脱落)规律，当Re90~200时，背流面旋涡不断的交替生成及脱离，并在尾涡区形成交替排列、旋转方向相反、有规则且较稳定的两行旋涡，以比来流小得多的速度运动，这种现象称为卡门涡街(冯·卡门首先实验测得)，又称卡门涡列。［注意］卡门涡街现象在Re60~210都可以观察到，但有规则的卡门涡街在Re60~5000范围内，而只有Re90~200范围内观察到的卡门涡街现象才是较稳定的。二.卡门涡街的利用及危害a.利用：测量流体来流速度及流量。卡门涡街中旋涡脱落频率f可表示为5d5式中St称为斯特罗

3、哈尔数，是个无量纲量。当Re800~1.510时，一般St0.21。因此利用这一特点可以制成卡门涡街流量计，即测得脱落频率f、圆柱外直径d后，因为fStSt0.21已知，则可以求得来流速度c，进而获得流量。b.危害：会产生振动及噪声，严重时产生共振及声振。卡门涡街时旋涡交替产生并脱落，因此将产生交变力，从而被绕流柱体产生振动及噪声；当交变力频率与柱体材料的固有频率接近时，便会产生共振现象，使振动加剧；振动会使周围空气发出声响效应，若其频率与柱体材料的固有频率接近时，又会产生所谓的声振，使振动及噪声加剧。如风吹电线时发出的呜呜声就是卡门涡街的结果；管式空

4、气预热器中，若空气绕流管束时出现卡门涡街现象，会使管子破坏等等。涡街流量计是速度式流量计的一种，它以卡门涡街理论为基础，采用压电晶体检测流体通过管道内三角柱时所产生的旋涡频率，从而测量出流体的流量。涡街流量计广泛应用测量的介质有：蒸汽、气体、液体、油类等。三.涡街流量计优点及局限性涡街流量计的优点：结构简单牢固，安装维护方便；适用的流体种类多。如液体、气体、蒸汽和部分混相流体；精度较高、范围较宽、压损小。涡街流量计的局限性：不适用于低雷诺数测量，故在高粘充、低流速、小口径情况下应用受到限制；旋涡分离的稳定性受流速的影响。要求有足够的直管段；力敏检测法对

5、管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所；仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验；涡街流量计在多年使用中，其效果并不理想，大致原因在产品的质量、选型不当，以及现场调整问题。四.涡街流量计的原理涡街流量计是基于卡门涡街原理而研制成功的一种具有国际先进水平的新型流量计，由于它具有其他流量计不可兼得的优点，自七十年代以来得到了迅速的发展，据有关资料显示，现在日本、欧美等发达国家使用涡街流量计的比例大幅上升，已广泛应用于各个领域，将在未来流量仪表中占主导地位，是孔板流量计最理想的替代产品，也是目前国内的首选流量计。1、涡街流量计具有以下特点：结构简单而牢

6、固，无可动部件，可靠性高，长期运行十分可靠；安装简单，维修十分方便；检测传感器不直接接触介质，性能稳定，寿命长；输出是与流量成正比的脉冲信号，无零点漂移，精度高，并方便和计算机联网；测量范围宽，量程比可达1：10；压力损失较小，运行费用低，更具节能意义；在一定的雷诺数范围内，输出信号频率不受流体物理性质和组份变化影响，仪表系数仅与漩涡发生体的形状和尺寸有关测量流体的体积流量无需补偿，调换配件后无需重新标定仪表的系数。应用范围广，蒸汽、气体、液体的流量均可测量；检定周期为二年。2、涡街流量计存在着一定的局限性：涡街流量计是一种速度式流量计，漩涡分离的稳定

7、性受流速分布影响，故它对直管段有一定的要求，一般是前"10D，后5D"；测量液体时，上限流速受压损和"气蚀"现象限制，一般是10m/s。测量气体时，上限流速受介质可压缩性变化的限制，下限流速受雷诺数和传感器灵敏度的限制，一般气体的流速范围10-70m/s，蒸汽的流速范围为8-50m/s；应力式涡街流量计对振动较大敏感，故在振动较在的管道安装涡街流量计时，管道要有一定的减震措施；应力式涡街流量计采用压电晶体作为检测传感器，故其受温度的限制，一般长期工作温度为-40℃～+350℃和-10℃～+250℃。五.卡门涡街的应用卡门涡街可以解释许多现象。在冯·卡门

8、论文发表后，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，他在1915年发表一