關(guān)鍵要點(diǎn)

• 渦旋脫落及其影響

• 共振頻率和渦激振動(dòng)在故障分析中的作用

• 使用 CFD 工具分析渦旋脫落行為

旋渦脫落模擬示例

由于速度差異形成渦流，導(dǎo)致流體呈螺旋狀運(yùn)動(dòng)。您可能已經(jīng)在盆地中以龍卷風(fēng)或漩渦的形式觀察到這種現(xiàn)象。在空氣動(dòng)力學(xué)中，空氣在穿過機(jī)翼時(shí)會(huì)形成類似的模式。對于流過管道的水，在流體動(dòng)力學(xué)中也存在類似的現(xiàn)象。

當(dāng)流體流過阻流體并在其后面形成渦流時(shí)，就會(huì)發(fā)生渦流脫落。流動(dòng)的性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致流體不規(guī)則分離并引起物體振動(dòng)，從而導(dǎo)致故障。因此，減少渦流脫落很重要。使用 CFD 工具，可以模擬渦流脫落、分析其行為并相應(yīng)地優(yōu)化設(shè)計(jì)。  

了解渦流脫落

為了解釋這種現(xiàn)象，已經(jīng)進(jìn)行了多項(xiàng)研究來分析工業(yè)煙囪等結(jié)構(gòu)在風(fēng)流過時(shí)的行為。當(dāng)由鋼制成的塔或煙囪等高大結(jié)構(gòu)遇到以相當(dāng)大的速度吹來的風(fēng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的下側(cè)會(huì)形成低壓區(qū)。當(dāng)風(fēng)流繼續(xù)超出結(jié)構(gòu)屏障時(shí)會(huì)發(fā)生渦流脫落，從而產(chǎn)生振動(dòng)效果。這種振動(dòng)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p壞和故障。

同樣的概念也適用于管流，其中熱電偶套管或接頭（T 型接頭或角接頭）等組件充當(dāng)鈍體。這是流動(dòng)路徑改變的地方，導(dǎo)致渦流脫落。當(dāng)渦旋脫落的頻率與管道系統(tǒng)的固有頻率相匹配時(shí)，很可能發(fā)生振動(dòng)和失效。

渦流脫落導(dǎo)致管道系統(tǒng)疲勞

連續(xù)振蕩或渦激振動(dòng) (VIV)會(huì)使管道系統(tǒng)容易出現(xiàn)多個(gè)應(yīng)力循環(huán)。隨著疲勞因應(yīng)力而累積，可能會(huì)出現(xiàn)裂紋，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。考慮到在雷諾數(shù)范圍很廣時(shí)可能發(fā)生渦旋脫落，確定故障何時(shí)發(fā)生可能很困難。

然而，可以確定渦旋脫落發(fā)生的頻率。該值取決于斯特勞哈爾數(shù)——描述流體流動(dòng)振蕩機(jī)制的因素。在數(shù)學(xué)上，頻率可以表示為：

Fs 是渦流脫落頻率或斯特勞哈爾頻率

S 是斯特勞哈爾數(shù)

Vo 是流體流動(dòng)的速度

D是圓柱體的直徑

通過高效的流體系統(tǒng)分析減少渦流脫落

渦流脫落可能不利于流體流動(dòng)系統(tǒng)在共振頻率或接近共振頻率下的運(yùn)行。因此，探索減少渦流脫落的方法至關(guān)重要。徹底的渦流脫落分析有助于評估：

1. 鈍體結(jié)構(gòu)及其對渦流形成的影響

2. 流體系統(tǒng)分析——結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能和流體特性（溫度、壓力、速度）

3. 流固耦合過程中系統(tǒng)中產(chǎn)生的應(yīng)力

4. 共振頻率和 VIV 評估

借助 CFD 工具可以更好地執(zhí)行分析。這些工具不僅可以幫助模擬渦流脫落行為，而且還可以通過求解與流體相關(guān)的 Navier-Stokes 方程來深入了解流動(dòng)動(dòng)力學(xué)。

如上所述，為減少管道流系統(tǒng)中的渦流脫落，建議提供更多的管道支撐以抵消振動(dòng)。許多實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在鈍體（例如熱電偶套管）上增加螺旋槽有利于最大限度地減少渦流脫落的影響。 

CFD 工具可幫助您設(shè)計(jì)可靠的流動(dòng)系統(tǒng)

Cadence 的 CFD 工具有助于解決流體通過阻流體時(shí)的復(fù)雜流動(dòng)問題。這些工具可以對復(fù)雜的渦流脫落行為進(jìn)行數(shù)值模擬，并解決壓力、速度和頻率校正問題——所有減少渦流脫落以優(yōu)化流體系統(tǒng)所需的關(guān)鍵計(jì)算。