(2007年美国“陆地卫星7”拍
摄的阿留申群岛后的卡门祸街)
卡门涡街是流体力学中的一个重要现象,它描述了流体在流动过程中,特别是在绕过某些障碍物(如圆形或柱形的物体)时,会在障碍物的下游形成的一种交替排列的涡旋模式。
在这个模式中,流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,这些涡旋相互交错排列,形成一种如街道两边的路灯一般排列的图案,因此得名卡门涡街。这种现象不仅在自然界中常见,如水流过桥墩、风吹过高塔和烟囱时,而且在工程领域也具有重要应用,如在流体机械设计和航空航天领域。
关于卡门涡街中扰流圆柱涡的脱落频率f,泰勒(F.Taylor)和瑞利(L,Rayleigh)给出了右上角的经验公式,该公式适用于雷诺数大于250的情况。
卡门涡街的形成与物体的形状、流体速度以及雷诺数有关。当流体绕流圆柱体时,涡街的每个单涡的频率与绕流速度成正比,与圆柱体直径成反比,即f=Sr(v/d),其中Sr是斯特劳哈尔数,它主要与雷诺数有关。当雷诺数在300至3×10^5之间时,Sr近似于常数值(0.21),这时有规则的涡街便不再存在;当雷诺数大于3×10^6时,卡门涡街又会自动出现,这时Sr约为0.27。
现在我们就用CFD软件,Fluent来模拟一下卡门涡街这个现象
雷诺数:100
来流速度:1m/s
密度:10 kg/m3
动力粘度:0.001Pa*s
圆柱直径:0.01m
(网格建模)
速度入口
压力出口
四周为镜像壁面
中间的圆柱为无滑移壁面
打开瞬态
粘性模型选择层流
材料设置
进口速度1m/s
选择标准初始化,x方向的初速度设置1m/s
输出升力报告,便于后面我们查看涡脱频率
定义速度云图
求解动画设置,每隔200个迭代步输出一次,选择上一步创建的速度云图
自动保存这里,设置隔两个时间步输出一次结果,方便我们在别的后处理软件里读取计算结果
设置完成,提交求解
结果查看
动画
升力曲线图
两次波峰之间的间隔是0.064s,也就是涡脱频率为0.064s