卡門渦街的案例
ABAQUS/CFD圓柱繞流實現卡門渦街
一、卡門渦街簡介
卡門渦街是流體力學中重要的現象，在自然界中常可遇到，在一定條件下的定常流繞過某些物體時，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦，經過非線性作用后，形成卡門渦街。如水流過橋墩，風吹過高塔、煙囪、電線等都會形成卡門渦街。
圖1 圓柱繞流實驗中觀察到的卡門渦街現象
二、ABAQUS中實現卡門渦街現象
ABAQUS作為一款功能強大的工程模擬有限元軟件，自帶“大型動畫制作”功能。本部分內容將簡單介紹如何在ABAQUS中實現簡單的卡門渦街現象。
本部分內容需要用到ABAQUS/CFD模塊，最終實現的效果如圖2所示。借助該案例也簡單介紹一下CFD模塊的具體建模過程。
圖2 ABAQUS中圓柱繞流產生卡門渦街
建模步驟
1、打開ABAQUS6.14，選擇With CFD Model；
2、創建Part-KarmanVortex，Part設置如圖3所示，建立草圖如圖4所示，拉伸厚度0.01m，如圖5所示。
展開 四、偶遇卡門渦街
wx_fmt=gif"></p><p class="ql-align-center"> 圖16.卡門渦街動畫</p><p><br></p>
FLUENT14卡門渦街算例（注意事項）
對于有規則的，我們能觀測到的卡門渦街，雷諾數在60~5000范圍內，我們所做的算例中大多雷諾數在200左右。所以，如果計算結果不正確，先考慮雷諾數的大小是否在合適的區間內。
V是流體速度(m/s)，d為當量直徑(m)，v為運動粘度(m2/s)。
基于fluent14對卡門渦街進行仿真，顯示出主要的注意事項。
1.網格。
2.導入fluent中，對尺寸進行確認。
3.選擇瞬態求解器設置。
4.速度的設置。
5.求解控制器設置。
由于卡門渦街是比較精確的，這里的設置就是要提高求解精度，看的更加清晰。下圖是沒有更改設置和更改設置的結果對比。
6.時間步的設置。
這里的設置相對比較隨意，但要符合瞬態計算的設置原則。
展開 五.從卡門渦街看FLUENT設置依據
并不是這樣的，很多過程并不能穩定下來，比如卡門渦街，渦的脫落隨著時間呈周期性變化。再比如水的蒸發，隨著時間的推移，水的量一直在減少，因此這樣的過程就不是穩態的，計算時只能用瞬態計算。即便是穩態，其前期也一定存在瞬態這樣一個過程。因此黑格爾說存在就是合理的，存在就是應當消亡的。萬物都是脆弱易逝的。</p><p> </p><p> <strong>5.模型設置</strong>，這里保持默認即沒有打開傳熱和湍流模型，這是因為我們只考慮流體流動，不考慮傳熱現象，因此不必打開能量方程。至于為什么沒有打開湍流模型，實際上卡門渦街的形成同雷諾數Re有關，當Re為50～300時，從物體上脫落的渦旋是有周期性規律的；當Re＞300時渦旋開始出現隨機性脫落；隨著Re的繼續增大，渦旋脫落的隨機性也增大，最后形成了湍流。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZyicc4VKwmPd3DPWfB2xlZ2xLsgnfGgFeAVQg5MfxVbWDNmd5ia8oFcIClkCSaXUHm2YksIofnXMAXfA/640?wx_fmt=png"> </p><p class="ql-align-center">圖2.卡門渦街與雷諾數的關系</p><p>這里我們之所以使用層流模型，是因為我們設置的進口速度為1m/s，流體密度為1kg/m3，粘度為0.01kg/(m·s)，圓柱直徑為0.1m，，因此為層流。</p><p> </p><p> <strong>6. 材料物性設置</strong>，之所以將流體的物性改變，是為了能夠更好的產生邊界層分離現象。
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卡門渦街下懸臂梁的振動 ￥500
這種現象稱為卡門渦街流，渦流從物體兩側交替脫落，其頻率可預測。日常生活中我們經常會遇到這種現象，例如電話線上發出的聲音以及汽車無線電天線在氣流中的振動。從工程的角度而言，重要的是預測流體在不同流速時的振動頻率，從而避免固體結構振動時與渦脫落產生共振。例如，為幫助減少此類效應的產生，設備工程師們在高煙囪的上部放置了一個螺旋形減振裝置；由此產生的形狀變化阻止了渦流從煙囪不同位置脫落時對其結構產生的干擾。</p><p>本案例展示了一圓柱繞流形成的卡門渦街流與一懸臂梁形成耦合振動的過程，模擬結果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202212/cc024e6ec4474e71a9b752e7393daddd.gif" alt="Untitled1.gif"></p><p>感興趣的朋友，可以下載模型源文件，歡迎交流</p><p><br></p>
展開 Fluent流場實例(一)---卡門渦街 ￥10
什么是卡門渦街？
當流速比較小時，物體兩邊產生的窩比較小，也不怎么互相影響，而當流速比較高時，物體兩邊的窩開始互相影響。如圖所示，因為任何時候左右都不會完全對稱，某一時刻，必有一方壓力高，而另一方壓力低。在圖示的時刻，紅點處的壓力高，而藍點處的壓力低，所以流體向右移動，一旦移動到一定的時候，紅點處的壓力與藍點處的壓力一樣了，向右的移動便停止了。右端的窩脫離。與此同時，由于流動，左端靠近物體的低壓區也在發展。當左端的低壓區壯大到一定的程度，右端的壓力就會高于左端。于是右端開始向左端移動，而移動到一定時候，左端與右端的壓力一樣高了，于是移動停止，左端的窩脫離。由于流體在不斷的流動，上述的過程往復進行，也就有了所謂的卡門渦街。
基本流程：
仿真步驟簡介：
以Workbench為平臺，建立fluent仿真項目。
直接在ANSYS DesignModeler中建立模型，創建二維模型。
在DM中劃分網格并創建Name selection
打開fluent設置物理模型和求解參數，進行計算。
利用CFD-post進行后處理。
速度云圖：
展開 流體力學現象之-”卡門渦街“
—部份航空工程師認為塔科瑪橋的振動類似于機翼的顫振；而以馮卡門為代表的流體力學家認為，塔科瑪橋的主梁有著鈍頭的H型斷面，和流線型的機翼不同，存在著明顯的渦旋脫落，應該用渦激共振機理來解釋。馮·卡門1954年在《空氣動力學的發展》一書中寫道：塔科瑪海峽大橋的毀壞，是由周期性旋渦的共振引起的。設計的人想建造一個較便宜的結構，采用了平鈑來代替桁架作為邊墻。不幸，這些平鈑引起了渦旋的發放，使橋身開始扭轉振動。這一大橋的破壞現象，是振動與渦旋發放發生共振而引起的。
20世紀60年代，經過計算和實驗，證明了馮·卡門的分折是正確的。塔科瑪橋的風毀事故，是一定流速的流體流經邊墻時，產生了卡門渦街；卡門渦街后渦的交替發放，會在物體上產生垂直于流動方向的交變側向力，迫使橋梁產生振動，當發放頻率與橋梁結構的固有頻率相耦合時，就會發生共振，造成破壞。
展開 334-梯形繞流渦街（卡門渦街流量計）FLUENT仿真
334-梯形繞流渦街（卡門渦街流量計）FLUENT仿真
01
案例介紹
本例為如下圖所示的梯形柱，置于流體中，使用二維仿真，模擬通過梯形柱的渦街情況（參數符合渦街條件）。
02
網格情況
03
基本設置
1、湍流模型
2、設定介質
3、設置來流速度
4、設置出口
5、設置兩側為移動邊界，速度與來流速度相同
6、可以設置自動保存，以方便用POST出動畫
7、初始化后先作穩態計算。（也可以一開始就作瞬態計算，但先穩態后瞬態出渦街快）。
8、穩定后作瞬態計算，并設置時間步長和步數。
9、基本結果圖
04
使用軟件
CAD2015平面圖形；WORKBENCH19.2及其中的ICEM、FLEUNT、POST完成仿真（其中使用ICEM制作結構網格、CFD-POST生成動畫）；TECPLOT2019R1基本出圖。
展開 卡門渦街模擬 二維 ￥9.9
卡門渦街模擬 二維
cas dat msh 文件
橋梁渦激振動問題的ABAQUS數值模擬
參考資料
維基百科卡門渦街詞條: en.wikipedia.org
任少鐸. 卡門渦街的成因及虎門大橋的振動分析[J]. 物理教師, 2020, 41(09): 57-59+61.
張偉偉, 豆子皓, 李新濤, 高傳強. 橋梁若干流致振動與卡門渦街[J]. 空氣動力學學報, 2020, 38(03): 405-412.
Abaqus分析模型.zip
橋梁渦激振動問題的ABAQUS數值模擬-iCPFEM.pptx
卡門渦街的成因及虎門大橋的振動分析_任少鐸.pdf
橋梁若干流致振動與卡門渦街_張偉偉.pdf
嘗試用creo flow analysis仿真虎門大橋卡門渦街震動現象（一）
前一段，虎門大橋的渦震現象震驚全國，在此，嘗試用creo flow analysis仿真虎門大橋卡門渦街震動現象，其中如有錯誤，請諸位指正。
首先介紹一下橋梁的建模。板面厚度3米，寬度35米左右，使用拉伸命令即可。
橋面上，由于維修需要，工人在橋面兩側各設置了水馬墻，改變了上圖的橋梁橫斷面。
所以在模型上，也增加兩條水馬墻，水馬墻高度1米，寬度0.5米，頂寬0.25米，也用拉伸命令，完成模型后，進入流體仿真程序。如下圖：
上圖中的流仿真樹內，目前還沒有內容，第一步操作，要點擊新建項目，然后在模型樹內出現了四個主要內容項目，分別是：物理、域、邊界和結果。第二步操作，就是定義“物理模塊”內容，所謂，物理，我的理解就是具體要仿真的物理內容，我們需要看到什么現象結果，就選擇相應的物理現象。據說CREO可對牛頓流體和非牛頓流體進行仿真，功能強大。
點擊下圖的圖標，進行物理定義。
出現下圖浮動框，我們此次選擇湍流和流線。
在仿真模型樹內的物理欄內，出現了流線和湍流，這一步很重要。
接下來，我們把之前的橋梁模型指定給仿真程序。點擊“選擇仿真域”圖標，
出現下圖的浮動框，點擊“添加實體元件”后，在屏幕上再選定模型。
模型被選定后，加亮顯示。然后在浮動窗口中點“確定”。
模型出現在實體元件清單欄內，再點確定
橋梁模型出現在”內，完成這一步很重要。
接下來，給”域“設定仿真的范圍，為定義“邊界條件”作準備。
具體操作，請看下一個貼子。
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快樂學習，用流體知識解決實際問題（5）---塔科馬大橋風毀事故（卡門渦街）
以上文獻來自百度百科，這個事件是視頻的，感興趣的朋友可以去網上搜索一些
問題重現：
大橋倒塌的原因就是著名的卡門渦街，空氣在低速的情況經過一個障礙物，由于渦周期性的脫落，從來產生一個周期性的升力
這個問題我們將一個簡單的圓柱擾流進行分析。
使用軟件:cfx12.1
幾何模型：2D, 長度1.0m,高度0.5m ,圓柱直徑0.02m
網格:2D block 生成2d 四面形網格,在圓柱周圍進行網格加密,然后由2D------>3D
邊界條件:入口速度0.2m/s（0.1m/s,0.5m/s,2m/s 都試過，出現渦街不明顯），初始化速度0.05 m/s，出口平均靜壓為0。
模型選擇：層流模型（Laminar），Re:300, 物質選擇為理想氣體,非定常
求解設置:總時間1000s,時間步:0.1s
下面把網格和結果貼上來
展開 卡門渦街圓柱模擬網格劃分
圖18
卡門渦街圓柱模擬網格劃分.doc
國慶假期小知識：旗幟為何會迎風飄揚
你可能還在嘀咕物理學不存在了，但普朗特的助教馮·卡門卻意識到：也許震蕩并非偶然，而是由內在原因決定的。
經過嚴謹的計算推導，馮·卡門發表了論文：《關于運動物體在流體中所受阻力的機理》。
論文證明，流體流過圓柱等物體后，會在其后方產生兩排旋渦串，并且兩排旋渦還是交錯排列，而非對稱。
這篇論文成為馮·卡門的成名作，奠定了他在流體力學領域的地位。
因為兩排交錯排列的漩渦像街道兩旁的路燈，所以人們將這個現象稱為“卡門渦街”。
你可能不認識馮·卡門，但他有一位學生你肯定認識：錢學森。
如今，卡門渦街已成為流體力學的象征，無論是數米的飛機機翼
還是數千米的大橋
甚至大洋中的島嶼
都有卡門渦街的身影。
此現象也能通過天洑智能熱流體仿真軟件AICFD模擬：
空中那迎風飄揚的旗幟，用卡門渦街解釋：空氣流過旗桿及旗幟前緣，在后面產生交錯排列的脫落渦，柔軟的紅旗在這些渦中翩翩起舞。
卡門渦街可能有害，它會產生振動，蓋大樓建大橋修煙囪都要考慮這些振動，防止發生共振。
它也可能有用，你可利用這個振動做一個渦街流量計。通過檢測振動頻率，反推得到流動速度。
假期小知識傳達完畢，祝大家國慶節玩得開心！
展開 共振、渦振、顫振、抖振、喘振、馳振、渦街都是什么意思？
07 渦街
渦街是流體力學中重要的現象，在自然界中常可遇到，在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦，經過非線性作用后，形成卡門渦街。
如水流過橋墩，風吹過高塔、煙囪、電線等，都會形成卡門渦街。因為渦街是由卡門提出的，所以又叫卡門渦街。中國力學標桿性人物錢學森、郭永懷和錢偉長都在卡門實驗室工作過。
如果渦街的交替脫落頻率與物體的聲學駐波頻率相重合，還會出現共振。
工業上的預熱器、鍋爐等多由圓管組成，流體繞流圓管時，卡門渦街的交替脫落會引起預熱器箱中氣柱的振動，如果渦街的交替脫落頻率與物體的聲學駐波頻率相重合，就會引發聲學共振，使管箱激烈振動，嚴重時，預熱器管箱振鼓錯開，甚至破裂。
如果改變管箱和氣體的固有頻率，使之與卡門渦街的脫落頻率錯開，避免發生共振，則可防止設備的破壞。
渦街英語是Vortex Street。
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