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频闪效应谐振频率调整(鞭稍效应卡门涡街)

频闪效应谐振频率调整(鞭稍效应卡门涡街)至于为何两排涡旋不对称,至今仍是困扰流体力学家的一个谜。在流体力学中,把这种流体绕过物体时产生的两排交错涡旋称为卡门涡街。所谓“街”,指涡旋的排列形态和街灯很像,看起来就像是街道的两边交替分布着两排街灯(涡流).卡门涡街现象最早由钱学森的导师—冯·卡门发现并命名。说道卡门涡街现象大家并不陌生,2020年5月5日下午,广州虎门大桥发生异常抖动,随后大桥实施双向全封闭,禁止通行。直到2020年5月15日,虎门大桥才重新恢复通车。专家分析,虎门大桥本次振动的主要原因是沿桥跨边护栏连续设置的水马,改变了钢箱梁的气动外形,在特定风环境条件下,卡门涡街导致了桥梁涡激振动现象。在一定条件下,做定常流动(流体中任何一点的压力、速度和密度等物理量都不随时间变化)的流体绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出反向旋转的有规则的双列线涡。刚开始,两列线涡各自前进,接着它们开始互相干扰,并互相吸引,而且干扰越来越

从5月18日起,深圳赛格大厦连续3天发生不明原因的震动,各路专家们经过近半个月调查论证扔没有找到明确的原因,6月2日下午深圳发布官微公布了最新的监测结果。对,是的,各项监测均符合规定。房屋沉降符合规定、倾斜率符合规定、加速度符合规定。

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赛格大厦最新监测数据

为进一步查明原因,从6月1日起,专家们决定在赛格广场大厦开展激振试验等一系列试验、测试工作。采用相关的试验设备人为引发大厦主体振动,收集数据,为分析震动原因,商讨解决措施提供支持,试验条件下的震动不会影响主体结构安全,请大家放心。

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振动的虎门大桥

说道卡门涡街现象大家并不陌生,2020年5月5日下午,广州虎门大桥发生异常抖动,随后大桥实施双向全封闭,禁止通行。直到2020年5月15日,虎门大桥才重新恢复通车。专家分析,虎门大桥本次振动的主要原因是沿桥跨边护栏连续设置的水马,改变了钢箱梁的气动外形,在特定风环境条件下,卡门涡街导致了桥梁涡激振动现象。

什么是卡门涡街?

在一定条件下,做定常流动(流体中任何一点的压力、速度和密度等物理量都不随时间变化)的流体绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出反向旋转的有规则的双列线涡。刚开始,两列线涡各自前进,接着它们开始互相干扰,并互相吸引,而且干扰越来越强,形成非线性的所谓涡街。

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像街灯一样排列的涡流

在流体力学中,把这种流体绕过物体时产生的两排交错涡旋称为卡门涡街。所谓“街”,指涡旋的排列形态和街灯很像,看起来就像是街道的两边交替分布着两排街灯(涡流).卡门涡街现象最早由钱学森的导师—冯·卡门发现并命名。

至于为何两排涡旋不对称,至今仍是困扰流体力学家的一个谜。

卡门涡街现象的发现

冯·卡门,出生于奥地利布达佩斯,著名的空气动力学家,美国喷气推进实验室的创始人,美国的火箭之父,我国航天之父,导弹之父钱学森的导师。

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钱学森(中),冯·卡门(右)

1911年,冯·卡门作为一名助教,和他的老师普朗特都工作于哥廷根大学。普朗特在研究边界层问题时安排他的博士生哈依门兹去做一个水流冲击圆柱体的实验。当时冯·卡门也参与了实验。

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卡门涡街圆柱实验

实验很简单如图所示。在水槽里放入一个圆柱体,让左边水流以一定速度流过这个圆柱体,观察圆柱体和水流的变化特性。哈依门兹发现当水流绕过圆柱体之后,会在后面摇摆不定,稳定不住。当时大名鼎鼎的“现代流体力学之父”普朗特知道了这样的结果之后坚持认为圆柱体可能不够圆,左右不够对称或者是水槽不够对称才导致那样的现象,应该是实验误差。

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卡门涡流圆柱实验示意图

然而,细心的卡门觉得尾流的摇摆不定肯定有一些物理原因,并非实验误差造成的。更进一步的实验研究发现圆柱体震动是因为水流绕过圆柱体后形成的两股扰流,产生了圆柱体后的一系列涡街,这些涡街造成了尾流的摇摆不定。

冯·卡门从这一现象中总结出流体不稳定流动性理论,发表了他的第一篇论文,并将此现象命名为卡门涡街现象。从此“卡门涡街”这个名词成为空气动力学中一个经典概念。

卡门涡街灾难及危害

卡门涡街导致的涡激振动对建筑物、桥梁、海底油管都有一定的危害。甚至潜水艇的潜望镜也因卡门涡街被破坏过。

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涡激振动导致大桥摆动

1969年,捷克一个电视塔(高180m)由于涡激振动而开裂,振幅一度达到1m。

1992年,天津一个钢厂的烟囱(直径3.06m,高90m)因为涡激振动导致螺栓的断裂,测量结果表明,当时风速还不到5级,而烟囱振动的振幅竟然达到了1.76m。

由于建筑物因涡激振动而损坏的情况频繁发生,结构风工程界对此也高度关注,也提出了不少合理、可靠的抗风设计方法与涡激振动控制措施。我国的东方明珠塔、中央广播电视塔等建筑,在设计时都曾考虑了卡门涡街的因素。

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塔科马大桥

相较于建筑物,卡门涡街对桥梁造成的危害则更为严重,从1818年到19世纪末这段时间,至少有11座悬索桥因此而损坏。20世纪美国塔科马大桥的坍塌则是影响最为深远的一起卡门涡街损坏桥梁的事故。

塔科马大桥是一座与虎门大桥同类型的悬索桥,于1940年7月1日在华盛顿州西北部海湾运营,当时造价高达640万美元,主跨长度为853m,宽为11.9m.当年11月,建成仅4个月的大桥,居然在19m/s的低风中出人意料地发生了剧烈扭曲振动,振动幅度一度达到惊人的9m,最终桥梁轰然垮塌坠入海中,碰巧当时好莱坞电影团队正在大桥附近拍摄,于是就将大桥从振动到倒塌的全过程都用镜头记录了下来。

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后来的研究表明,正是卡门涡街诱发了桥梁的颤振导致了大桥坍塌.塔科马大桥的坍塌震惊了当时的桥梁界,此后桥梁模型风洞测试被纳入桥梁试验中,桥梁的风致振动问题也发展成为一门新兴学科。

卡门涡街的应用

事物总有两面性,卡门涡街也不例外,它同样能够为人类所用。

科研人员发现,在物体两侧形成的涡旋交替频率与被阻塞的流量有正比关系,并根据此发明了涡街流量计,用以测量管道内的流量。

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卡门涡街流量计

涡激振动也会产生很丰富的能量,也可以利用这一现象开展相应的能量收集研究。哈尔滨工程大学的科研人员设计过一种发电装置,他们制作的迎风桶在风的吹拂下可产生卡门涡街,周期性作用于振动杆(发电装置器件),使其做往复摆动,从而带动发电机转子旋转,切割磁感线产生电流。

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深圳赛格大厦

总结

激振试验通常是在在船舶上安装激振机等方法,用以改变激励力及其频率,来激起船体不同形式的振动,以测量船体固有频率、振形和阻尼的试验。赛格大厦的激振试验结束之后,获得相关的数据,或许能找到不明震动的根本原因,采取相应的措施,大家可以早点回去上班。

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