漩渦脫落的案例
淺談深圳賽格大廈的搖擺現(xiàn)象
方法五、在原有的避雷針上，設(shè)備若干孔洞，通過(guò)孔洞的風(fēng)可以干擾漩渦的形成和打亂漩渦的頻率，從而避免產(chǎn)生渦震現(xiàn)象；
方法六、調(diào)整避雷針的外形為波紋形，它的直徑為反復(fù)漸變的，這樣的外形，當(dāng)風(fēng)吹過(guò)進(jìn)，可避免產(chǎn)生漩渦脫落現(xiàn)象。波紋形的避雷針，制造成本較高。
方法七、采用仿生外形，在原有圓柱形“枝干”基礎(chǔ)上，增加若干枝條，非對(duì)稱(chēng)的錯(cuò)落有致的枝條，可干擾圓柱形避雷針周邊形成規(guī)律的漩渦脫落現(xiàn)象。
方法八、在原有圓柱形避雷針外側(cè)增加擾流板，或者使用多棱斷面的柱體，經(jīng)改造的外形，可避免形成規(guī)律的漩渦脫落現(xiàn)象；
之前的討論，在專(zhuān)家們正式出臺(tái)結(jié)論之前，僅供參考，不作數(shù)的。另外，我們一直圍繞避雷針作為主要嫌疑人進(jìn)行的，那么，除了避雷針以外，圓柱形結(jié)構(gòu)在流體中易產(chǎn)生漩渦脫落現(xiàn)象，主樓自身近似于圓柱的特征，也可能是形成晃動(dòng)的原因。相應(yīng)的，為避免主樓產(chǎn)生漩渦脫落現(xiàn)象，方法大概有以下幾種：
第一、主樓體設(shè)置鏤空通風(fēng)孔；在較高樓層，錯(cuò)亂的選擇幾個(gè)樓層，在不同方向上的樓體中間，制造貫通風(fēng)道，利用穿堂風(fēng)干擾樓體外側(cè)的氣流，從而避免漩渦有規(guī)律的變化；此方法要犧牲一些樓內(nèi)經(jīng)營(yíng)面積。
第二、主樓體外側(cè)設(shè)置導(dǎo)流通道：在較高的樓層，錯(cuò)亂的選擇幾個(gè)樓層，在不同方向上的樓體外側(cè)，拆除部分樓層間的結(jié)構(gòu)，形成樓體外側(cè)的風(fēng)道。相當(dāng)于改變了圓柱形樓體局部的直徑，當(dāng)風(fēng)吹過(guò)直徑不均勻的樓體，不會(huì)形成穩(wěn)定的渦脫現(xiàn)象。此方法也要犧牲一些樓內(nèi)經(jīng)營(yíng)面積。
第三、主樓體外側(cè)設(shè)置擾流結(jié)構(gòu)：在高樓層樓體外側(cè)錯(cuò)亂的選擇位置安裝大小不一的擾流板，當(dāng)風(fēng)吹過(guò)樓側(cè)，受到擾流板的干擾，不會(huì)形成穩(wěn)定的渦脫現(xiàn)象。不方法不必占用樓內(nèi)經(jīng)營(yíng)面積，但會(huì)改變樓體外觀，擾流板的風(fēng)噪可能較大。
展開(kāi) 斜拉索那點(diǎn)事兒（四）——斜拉索的振動(dòng)
拉索的風(fēng)致振動(dòng)
1
渦激共振
在風(fēng)的作用下，拉索從振動(dòng)的風(fēng)中吸收能量，產(chǎn)生一種帶有自激特點(diǎn)的受迫振動(dòng)，在拉索上表現(xiàn)為因漩渦脫落而引起的渦激共振。
當(dāng)流體繞過(guò)圓柱體后，在尾流中將出現(xiàn)交替脫落的漩渦，且漩渦的頻率，風(fēng)速，圓柱體的直徑之間存在以下關(guān)系：
這就是著名的斯托羅哈數(shù)，由Strouhal于1898年提出。
漩渦脫落頻率：
下圖是雷諾數(shù)和漩渦脫落的關(guān)系：
如果被繞流的拉索是振動(dòng)體，周期性的渦激力將引起拉索的渦激振動(dòng)（Vortex-induced Vibration），當(dāng)漩渦脫落頻率和拉索固有頻率一致時(shí)，將發(fā)生渦激共振。
由于拉索長(zhǎng)度一般在50~400m之間，拉索的基頻在0.25~2Hz之間，隨長(zhǎng)度而異。由共振條件：漩渦脫落頻率與拉索頻率一致?？芍?，能發(fā)生渦激共振的臨界風(fēng)速為：
拉索的外徑約為0.2左右，拉索的一階渦激共振的臨界風(fēng)速僅有0.25~2m/s如此低的風(fēng)速所能產(chǎn)生的渦激力將難以提供激起拉索低階大幅度振動(dòng)的能量，故而，一般而言，拉索的渦激共振一般發(fā)生在較高階的振動(dòng)，對(duì)于長(zhǎng)拉索高達(dá)十幾階的高頻振動(dòng)。
從上式可以發(fā)現(xiàn)，漩渦脫落頻率和風(fēng)速程線性關(guān)系，共振也只在拉索某一階頻率對(duì)應(yīng)的某一個(gè)風(fēng)速才發(fā)生。但實(shí)際上，當(dāng)漩渦脫落頻率與某一階頻率接近時(shí)，將引起被繞流物體較大的振動(dòng)，物體和流體之間便開(kāi)始了劇烈的相互作用，拉索振動(dòng)體系將對(duì)風(fēng)的漩渦脫落產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫沟?em>漩渦脫落頻率在相當(dāng)長(zhǎng)的風(fēng)速范圍內(nèi)被拉索固有頻率“俘獲”，一般稱(chēng)為“鎖定（Lock-on）現(xiàn)象”，這就使得渦激共振的風(fēng)速范圍擴(kuò)大。
展開(kāi) 超高層結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)
三角形平面是不錯(cuò)的選擇
與漩渦脫落有關(guān)的橫風(fēng)向風(fēng)振
影響橫風(fēng)向風(fēng)振的因素
來(lái)源：土木吧
汽車(chē)風(fēng)振噪聲機(jī)理研究
引起空腔噪聲的主要機(jī)理有兩種：
壓力波反饋機(jī)制：空腔開(kāi)口前緣的湍流邊界層在開(kāi)口處形成不穩(wěn)定的剪切層，剪切層隨來(lái)流向下游運(yùn)動(dòng)并失去穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生漩渦，漩渦脫落并繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)，當(dāng)撞擊到空腔后壁面時(shí)，漩渦會(huì)破碎、耗散，產(chǎn)生一個(gè)向空腔開(kāi)口上游擴(kuò)散的脈動(dòng)壓力波（即反饋壓力波），此壓力波傳播到達(dá)空腔開(kāi)口前緣后會(huì)誘發(fā)新的漩渦脫落，如此循環(huán)振蕩形成反饋機(jī)制。
空腔噪聲反饋機(jī)制示意圖
聲共振：對(duì)于深腔而言，噪聲的產(chǎn)生是由于腔口非定常渦脫落誘導(dǎo)的聲共振。
簡(jiǎn)單車(chē)廂風(fēng)振噪聲數(shù)值模擬
采用CFD對(duì)簡(jiǎn)單車(chē)廂進(jìn)行模擬研究。
01
建立幾何模型
選擇了3.2m*1.4m*1m的簡(jiǎn)易車(chē)廂模型進(jìn)行仿真分析，車(chē)窗開(kāi)口位于車(chē)廂正中央，尺寸為0.1m*0.24m*0.015m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于車(chē)廂底部正中央。
02
計(jì)算域確定與網(wǎng)格劃分
為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，將仿真結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，故計(jì)算域尺寸應(yīng)與風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試時(shí)的風(fēng)洞尺度相當(dāng)。所采用的簡(jiǎn)易車(chē)廂模型結(jié)構(gòu)非常規(guī)則，所以采用六面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。附面層第一層的厚度為0.1mm，并以1.2的比例逐層生長(zhǎng)。
展開(kāi) 
圓柱繞流流致噪聲仿真分析
當(dāng)流體流經(jīng)封閉的障礙物管時(shí)，在障礙物管和主管道連接處由于慣性、流體內(nèi)摩擦力、邊界層脫落效應(yīng)的耦合疊加而產(chǎn)生漩渦脫落，其形成的管內(nèi)噪聲是管道聲致振動(dòng)疲勞損傷的重要原因。本技術(shù)貼從典型的漩渦脫落管內(nèi)噪聲為例，介紹管內(nèi)流動(dòng)噪聲的計(jì)算方法。
本文使用ANSYS Fluent 19.0軟件，對(duì)圓柱擾流流動(dòng)所引起的誘導(dǎo)噪聲進(jìn)行聲比擬仿真，內(nèi)容包括網(wǎng)格導(dǎo)入、模型選擇、材料物性、邊界條件、求解參數(shù)、后處理的設(shè)置。通過(guò)聲比擬方法獲得擾流流場(chǎng)和噪聲。
2. 模型仿真描述
本仿真為2D模型，圓柱直徑為1.9cm，來(lái)流風(fēng)速為69.2m/s。基于直徑的雷諾數(shù)為90000，流場(chǎng)的計(jì)算域上游為5倍的圓柱直徑，下游為20倍圓柱直徑，采用2D LES模型進(jìn)行模擬。
3. 操作步驟
3.1. 創(chuàng)建工作目錄并啟動(dòng)Fluent
啟動(dòng)Fluent 19.0，在Fluent Launcher中，Dimension選擇2D，Display Options中勾選Display Mesh After Reading和Workbench Color Scheme，勾選Double Precision，Processing Options選擇Serial，點(diǎn)擊OK啟動(dòng)Fluent。
3.2. 導(dǎo)入網(wǎng)格文件
菜單中點(diǎn)擊【File】>【Read】>【Mesh…】，選取網(wǎng)格文件cylinder2d.msh.gz，點(diǎn)擊OK導(dǎo)入網(wǎng)格。此時(shí)，圖形界面中可以查看導(dǎo)入的網(wǎng)格。
3.3. General一般設(shè)置
在最左側(cè)的樹(shù)中，鼠標(biāo)左鍵雙擊【Setup】>【General】，進(jìn)行網(wǎng)格相關(guān)的操作以及選擇求解器。
展開(kāi) 空調(diào)機(jī)組氣流噪聲仿真研究 ￥19.89
氣動(dòng)噪聲----又可分為渦流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲，渦流噪聲是由于氣流在風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)流經(jīng)葉片等障礙物時(shí)，由于氣體粘性力的作用，有一定速度的氣流與障礙物下游的靜止氣流會(huì)互相作用產(chǎn)生漩渦，這些漩渦中心的壓強(qiáng)比周?chē)諝庵械膲簭?qiáng)要低，當(dāng)漩渦脫落時(shí)，氣流會(huì)出現(xiàn)一次壓強(qiáng)的脈動(dòng)，這種壓強(qiáng)的跳動(dòng)會(huì)作用與周?chē)慕橘|(zhì)中，進(jìn)而輻射出噪音。旋轉(zhuǎn)噪聲主要是由于旋轉(zhuǎn)的葉片周期性拍打周?chē)o止的空氣產(chǎn)生壓力的脈動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。
渦流噪聲屬于寬頻噪聲，是在風(fēng)機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)因氣體邊界層分離而產(chǎn)生的渦流所引起的噪聲。邊界層分離和湍流脈動(dòng)彈性較大，故而寬頻噪聲具有很寬的頻率范圍。由于湍流無(wú)規(guī)則地運(yùn)動(dòng)，時(shí)而生長(zhǎng)時(shí)而衰減，使得湍流噪聲具有寬廣的頻率范圍。頻譜中的寬頻分量主要是由具有隨機(jī)特性的脈動(dòng)力所引起的。
旋轉(zhuǎn)噪聲屬于離散噪聲，這種噪聲隨著葉片幾何形狀和尺寸的變化其強(qiáng)度也不相同。若葉輪的旋轉(zhuǎn)速度為n（rpm），葉片數(shù)為z，則離散噪聲的基本頻率(Hz) fc 可由計(jì)算得到。
fc= nz/60
壓力越高，葉輪圓周速度越大，噪聲也越大，并且在基本頻率或基本頻率的整數(shù)倍（稱(chēng)為高次諧波）處達(dá)到最高值
1. 現(xiàn)有研究成果總結(jié)：
在空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)扇中，葉頂部分的紊流強(qiáng)度很大，這也是葉尖渦產(chǎn)生的地方?？梢哉J(rèn)為葉頂不穩(wěn)定的漩渦流動(dòng)是噪聲產(chǎn)生的主要原因。葉頂旋渦結(jié)構(gòu)跟導(dǎo)風(fēng)圈的配置緊密相關(guān)，可以通過(guò)改變導(dǎo)風(fēng)圈的結(jié)構(gòu)，改變?nèi)~頂旋渦結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，降低噪聲。
寬頻噪聲強(qiáng)度，與主流速度成六次冪關(guān)系。意味著葉片通道中主流速度大小是影響噪聲大小的一個(gè)重要因素。
展開(kāi) CFD學(xué)習(xí)：渦街流量計(jì)概述
渦旋脫落的頻率與液體通過(guò)流量計(jì)的速度之間存在直接關(guān)系，用于體積測(cè)量。
在阻流體的每一側(cè)形成的交替渦流的重復(fù)模式稱(chēng)為卡門(mén)渦街，渦流脫落的效果稱(chēng)為馮卡門(mén)效應(yīng)。
大多數(shù)這些行業(yè)中常用的一種測(cè)量流體體積流量的儀器是渦街流量計(jì)
氣體、液體和蒸汽的體積測(cè)量在包括化學(xué)、石化、化肥和鋼鐵行業(yè)以及熱電廠在內(nèi)的各種行業(yè)中都是必不可少的。測(cè)量流體體積流量的常用儀器是渦街流量計(jì)。
渦街流量計(jì)可以測(cè)量不同的流體，例如壓縮空氣、液化氣、過(guò)熱蒸汽、溶劑、導(dǎo)熱油、飽和蒸汽、煙道氣、完全軟化水等等。
讓我們仔細(xì)看看渦街流量計(jì)的全部?jī)?nèi)容。
渦街流量計(jì)：基礎(chǔ)知識(shí)
渦街流量計(jì)廣泛用于過(guò)程工業(yè)，以測(cè)量體積和質(zhì)量流量。這些儀表具有多種優(yōu)勢(shì)：
安裝簡(jiǎn)單。
測(cè)量范圍廣。
對(duì)小流量變化高度敏感。
由于壓力和溫度變化的補(bǔ)償方案，性能卓越。
高精度測(cè)量。
沒(méi)有移動(dòng)部件，需要較少的維護(hù)和修理。
故障概率較低。
渦街流量計(jì)利用了液體繞鈍體流動(dòng)時(shí)的自然現(xiàn)象。渦街流量計(jì)的工作原理稱(chēng)為“渦街流量計(jì)”。漩渦脫落是指漩渦或漩渦在物體的下游交替脫落。渦旋脫落的頻率與液體通過(guò)流量計(jì)的速度之間存在直接關(guān)系，用于體積測(cè)量。
接下來(lái)，我們將深入了解旋渦脫落過(guò)程。
渦流脫落期間會(huì)發(fā)生什么？
渦流脫落是西奧多·馮·卡門(mén) (Theodor Von Karman) 發(fā)現(xiàn)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)將阻流體或非流線型物體放置在快速流動(dòng)的流道中時(shí)，流體會(huì)從物體分離到兩個(gè)下游側(cè)。當(dāng)邊界層分離并卷回自身時(shí)，它還會(huì)形成渦流（也稱(chēng)為渦流或漩渦）。渦流之間的間隔是恒定的，取決于阻流體的大小。
在阻流體的兩側(cè)，產(chǎn)生渦流并經(jīng)歷更高的流體速度和更低的流體壓力。
展開(kāi) 斜拉橋拉索的振動(dòng)及其減振措施
實(shí)際情況則是強(qiáng)風(fēng)下拉索振動(dòng)引起的阻尼器連接螺栓滑絲脫落。
新聞圖片（來(lái)源自網(wǎng)絡(luò)）
拉索是一種細(xì)長(zhǎng)型橋梁構(gòu)件，極其容易在強(qiáng)風(fēng)下引起明顯振動(dòng)。由于拉索的特殊性，在風(fēng)作用下，振動(dòng)類(lèi)型非常復(fù)雜，主要有以下幾種：
1. 渦激共振
在風(fēng)的作用下，風(fēng)繞過(guò)圓柱體后，在尾流中將出現(xiàn)交替脫落的漩渦。周期性的渦激力將引起拉索的渦激振動(dòng)，當(dāng)漩渦脫落頻率和拉索固有頻率一致時(shí)，將發(fā)生渦激共振。渦激共振有以下特征：
渦激共振是一種有限振幅的振動(dòng)；
渦激共振只在一個(gè)或幾個(gè)風(fēng)速區(qū)域內(nèi)發(fā)生，存在風(fēng)速鎖定區(qū)；
渦激共振響應(yīng)對(duì)斷面形狀的微小變化很敏感。
2. 風(fēng)雨激振
在風(fēng)和雨的共同作用下，由于拉索表面水線的出現(xiàn)，改變了拉索的截面形狀，使其失去在氣流中的穩(wěn)定性，由此使得拉索很容易發(fā)生一種大幅振動(dòng)。這種振動(dòng)就稱(chēng)為風(fēng)雨激振（也稱(chēng)風(fēng)雨振），這也是斜拉索風(fēng)致振動(dòng)中最強(qiáng)烈的一種。由于風(fēng)雨激振是結(jié)構(gòu)、風(fēng)、雨三者相互作用產(chǎn)生的結(jié)果，使得風(fēng)雨激振的振動(dòng)機(jī)理比較復(fù)雜。
展開(kāi) 高層建筑大渦模擬的一般流程及典型案例
最后，數(shù)值方案的選擇上，壓力速度耦合方案采用SIMPLEC算法已足夠，PISO算法求解耗時(shí)長(zhǎng)，但是允許采用非迭代和大時(shí)間步長(zhǎng)方案，空間離散推薦有界中心差分（Bounded Central Differencing），時(shí)間離散推薦采用二階全隱格式（Second Order Implicit），時(shí)間步長(zhǎng)的選擇應(yīng)該滿(mǎn)足一個(gè)漩渦脫落周期內(nèi)包含50個(gè)采樣點(diǎn)（若計(jì)算資源受限可以適當(dāng)放寬）。
計(jì)算結(jié)果展示
LES計(jì)算得到的基底順風(fēng)向彎矩系數(shù)均值為0.66，試驗(yàn)結(jié)果為0.64；LES計(jì)算得到的基底順風(fēng)向彎矩系數(shù)根方差為0.08，試驗(yàn)結(jié)果為0.10；LES計(jì)算得到的基底橫風(fēng)向彎矩系數(shù)根方差為0.15，試驗(yàn)結(jié)果為0.19；LES計(jì)算得到的基底扭矩系數(shù)根方差為0.02，試驗(yàn)結(jié)果為0.03。由此可見(jiàn)，Ton君的LES計(jì)算結(jié)果達(dá)到了很好的精度。圖7給出了LES計(jì)算得到的建筑2/3H高度平均速度流線圖。圖8給出了LES計(jì)算得到的某時(shí)刻建筑周?chē)郎u的分布。
圖7 建筑2/3H高度平均流線圖
圖8 建筑周?chē)郎u分布
來(lái)源：小同人工作室
展開(kāi) 試驗(yàn)洞悉工程 | 開(kāi)孔建筑內(nèi)壓風(fēng)洞試驗(yàn)
根據(jù)相關(guān)研究的結(jié)論，這2 個(gè)共振峰可能是由于斜風(fēng)剪切流在孔口處產(chǎn)生的漩渦脫落與內(nèi)壓Helmholtz共振導(dǎo)致的。
圖7 孔口周邊外壓系數(shù)與內(nèi)壓系數(shù)功率譜對(duì)比
圖8 內(nèi)壓系數(shù)導(dǎo)納曲線
為了更直觀地對(duì)比內(nèi)外風(fēng)壓系數(shù)功率譜函數(shù)的大小，將內(nèi)壓系數(shù)功率譜與外壓系數(shù)功率譜的比值定義為內(nèi)壓導(dǎo)納，并將0°正風(fēng)向角和70°斜風(fēng)向角的開(kāi)孔模型內(nèi)壓導(dǎo)納曲線繪于圖8中。由圖可見(jiàn)，在0°正風(fēng)向角下，總體上內(nèi)外壓系數(shù)功率譜相差不大，內(nèi)壓導(dǎo)納的值基本在1左右的范圍內(nèi)波動(dòng)。但是在70°斜風(fēng)向角下，內(nèi)壓導(dǎo)納波動(dòng)很大并且也出現(xiàn)了2 個(gè)明顯的峰值，其最大值甚至超過(guò)了10，這意味著內(nèi)壓系數(shù)功率譜可能比外壓系數(shù)功率譜大10 倍以上。因此，開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓響應(yīng)在功率譜上與孔口周邊外壓在斜風(fēng)向角下存在很大的差異。
3.2 湍流強(qiáng)度的影響
建筑物周邊不同類(lèi)型的地貌會(huì)導(dǎo)致來(lái)流湍流強(qiáng)度發(fā)生很大的變化，對(duì)開(kāi)孔建筑的內(nèi)壓響應(yīng)具有不可忽略的影響。圖9 為來(lái)流風(fēng)速為10 m·s-1時(shí)，邊長(zhǎng)53 mm 的方形中心開(kāi)孔結(jié)構(gòu)在3 種不同湍流度的均勻湍流風(fēng)場(chǎng)中平均內(nèi)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線。由圖可見(jiàn)，在同一風(fēng)向角下，湍流度越大，開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的平均內(nèi)壓系數(shù)越大，這意味著較大的湍流度將會(huì)增強(qiáng)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓均值響應(yīng)。此外不論來(lái)流湍流度多大，平均內(nèi)壓系數(shù)的最大正值均出現(xiàn)在0°風(fēng)向角時(shí)，即開(kāi)孔墻面垂直于來(lái)流方向。但是平均內(nèi)壓系數(shù)的最大負(fù)值出現(xiàn)在90°風(fēng)向角下，即開(kāi)孔墻面平行于來(lái)流方向，而不是大于90°的風(fēng)向角，即迎風(fēng)墻面位于背風(fēng)面時(shí)。
展開(kāi) 叉型懸臂梁渦街振動(dòng)數(shù)值仿真 ￥500
</p><p>渦激振動(dòng)是由于漩渦的交替脫落，產(chǎn)生脈動(dòng)載荷，當(dāng)其與結(jié)構(gòu)固有頻率接近時(shí)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在外載荷作用下出現(xiàn)共振，即所謂的渦激共振。</p><p>本案例建立了一叉型懸臂梁結(jié)構(gòu)模型，并基于COMSOL軟件的流-固耦合方法模擬了叉型懸臂梁渦街振動(dòng)過(guò)程，模擬結(jié)果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202302/4ba065906b50463db1641ac8652bb607.gif" alt="Untitled.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>速度場(chǎng)及梁振動(dòng)的變化</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202302/93196be1a7d84366961338181a9f42b5.gif" alt="Untitled2.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>渦流場(chǎng)的分布變化</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作</p>
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空氣炸鍋內(nèi)流場(chǎng)的CFD模擬方法和分析
這是因?yàn)轱L(fēng)扇在高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，與周?chē)黧w不斷發(fā)生剪切和碰撞，在葉片的端部逐漸產(chǎn)生漩渦結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，漩渦結(jié)構(gòu)沿旋轉(zhuǎn)方向逐漸被拉長(zhǎng)，并逐漸發(fā)生漩渦產(chǎn)生、漩渦生長(zhǎng)、漩渦脫落等一系列過(guò)程。圖6 c)對(duì)旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇平面的湍流動(dòng)能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)湍流動(dòng)能最高的區(qū)域位于風(fēng)扇葉片的前端，也可以稱(chēng)為上一個(gè)葉片的尾部區(qū)域。發(fā)展過(guò)程如下：當(dāng)風(fēng)扇的端部漩渦生成后，逐漸向后方的流場(chǎng)區(qū)和葉片區(qū)發(fā)展，由于風(fēng)扇的高速旋轉(zhuǎn)，上個(gè)葉片生成的漩渦結(jié)構(gòu)被高速破壞并形成更小的結(jié)構(gòu)，引起該區(qū)域的能量和動(dòng)量發(fā)生很大的波動(dòng)。所以湍動(dòng)能最高的區(qū)域位于風(fēng)扇葉片的中間部分。
3.3 截面2和截面3流場(chǎng)參數(shù)分布
取空氣炸鍋豎直方向兩個(gè)相互垂直的截面進(jìn)行分析，分別繪制了速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)和湍動(dòng)能如圖7所示。這里對(duì)速度場(chǎng)從上到下進(jìn)行對(duì)比分析，兩者在風(fēng)扇區(qū)域無(wú)明顯區(qū)別，區(qū)別最明顯的在炸鍋的炸筐中。發(fā)現(xiàn)在炸筐中氣流主要呈現(xiàn)出4個(gè)漩渦結(jié)構(gòu)，并在圖中標(biāo)明了四個(gè)漩渦中心的位置。在圖7 a)中，進(jìn)入炸筐的氣流主要來(lái)自?xún)煞矫?，一方面是頂部高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片產(chǎn)生的向下的氣流，另一方面是從底部向上運(yùn)動(dòng)的氣流。底部的氣流來(lái)自于炸鍋內(nèi)壁和炸筐之間高速旋轉(zhuǎn)的氣流，流經(jīng)底部多孔結(jié)構(gòu)后，從底部向上的氣流類(lèi)似于小孔連續(xù)射流。在炸筐中，由于兩個(gè)相向的入口射流的相互作用，在炸筐中形成了四個(gè)漩渦結(jié)構(gòu)，且漩渦①和漩渦②更靠近中心線，漩渦③和漩渦④更靠近炸筐壁面。在圖7 a)和圖7 d)的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，漩渦中心的位置并不完全對(duì)稱(chēng)，尤其是漩渦①中心，在圖7 d)中基本與漩渦②中心對(duì)稱(chēng)，而在圖7 a)中則相差很大。
展開(kāi) 渦激振動(dòng)來(lái)源與趣談
在邊緣處（刀刃），水拐了個(gè)大彎往前流，由于受到壓縮速度變快（流量相等，截面積變小，速度變快）與之前的流場(chǎng)形成剪切層；剪切層不穩(wěn)定，尤其在慣性力遠(yuǎn)大于粘性力/表面張力/地心引力,剪切層破壞，形成更加湍急的漩渦。如果流速夠快，或者李大俠能夠卸劍劃水，或許可以看到卡門(mén)渦街。當(dāng)漩渦脫離固體是，由于漩渦是非對(duì)稱(chēng)的，所以會(huì)受到側(cè)向力，而這個(gè)側(cè)向力與漩渦頻率有關(guān)；即當(dāng)固體頻率和漩渦頻率接近時(shí)，發(fā)生共振。由此，固體在漩渦作用下產(chǎn)生的振動(dòng)叫渦激振動(dòng)。
海洋石油隔水管，其圓柱狀的彈性管體，使漩渦非對(duì)稱(chēng)的脫落形成側(cè)向力，側(cè)向力作用于彈性管體，使其發(fā)生變形，這個(gè)變形又反過(guò)來(lái)影響漩渦的周期性發(fā)放，最終使管體發(fā)生共振；歷史上有塔科馬海峽吊橋，便是因?yàn)闇u激振動(dòng)產(chǎn)生了共振而倒塌。
《老子》寫(xiě)道，水善利萬(wàn)物而不爭(zhēng)。渦激振動(dòng)有利用的地方嗎？其實(shí)魚(yú)在水中游動(dòng)，產(chǎn)生繞流，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的頻率；顯然，金魚(yú)和鯊魚(yú)不在一個(gè)量級(jí)，海洋中不同魚(yú)種互不串臺(tái)。海豹的胡須就是一個(gè)探測(cè)器，對(duì)食物魚(yú)類(lèi)特別敏感。胡須在食物魚(yú)類(lèi)產(chǎn)生的繞流中，會(huì)發(fā)生共振，由此大大提供捕食的成功幾率。
人類(lèi)正試圖利用渦激振動(dòng)來(lái)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)。如若成功，不需要齒輪傳動(dòng)裝置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可以大大節(jié)約生產(chǎn)制及維護(hù)成本。因?yàn)榭梢灾苯永蔑L(fēng)對(duì)高大鈍體產(chǎn)生的渦激振動(dòng)，利用振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能發(fā)電。
展開(kāi) CFD專(zhuān)欄丨空調(diào)管路流動(dòng)噪聲LBM仿真
管路流動(dòng)噪聲信號(hào)（有閥門(mén)）
Band Filtered Pressure Animation [50,2000Hz]
PIV實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)對(duì)比（有閥門(mén)）
實(shí)驗(yàn)和仿真均顯示在閥門(mén)下游存在2個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的大漩渦，漩渦周期性脫落的頻率約為80Hz。
管路流場(chǎng)（有閥門(mén)）
上圖PIV實(shí)驗(yàn)，下圖ultraFluidX仿真結(jié)果
聲壓級(jí)曲線實(shí)驗(yàn)對(duì)比（有閥門(mén)）
7個(gè)傳感器均為嵌入式安裝在管路內(nèi)壁面，使其與表面平齊，沒(méi)有突出或凸起，不影響流動(dòng)。
上游測(cè)點(diǎn)的SPL曲線對(duì)標(biāo)（有閥門(mén)）
紅色-ultraFluidX，黑色-實(shí)驗(yàn)
下游測(cè)點(diǎn)的SPL曲線對(duì)標(biāo)（有閥門(mén)）
紅色-ultraFluidX，黑色-實(shí)驗(yàn)
沒(méi)有閥門(mén)的阻擋，90°彎頭內(nèi)側(cè)發(fā)生的流動(dòng)分離一直延伸到出口，造成出口高度方向的明顯速度差異。
管路瞬態(tài)流場(chǎng)（無(wú)閥門(mén)）
管路時(shí)間平均流場(chǎng)（無(wú)閥門(mén)）
PIV實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)對(duì)比（無(wú)閥門(mén)）
管路流場(chǎng)（無(wú)閥門(mén)）
上圖PIV實(shí)驗(yàn)，下圖ultraFluidX仿真結(jié)果
聲壓級(jí)曲線實(shí)驗(yàn)對(duì)比（無(wú)閥門(mén)）
上游測(cè)點(diǎn)的SPL曲線對(duì)標(biāo)（無(wú)閥門(mén)）
紅色-ultraFluidX，黑色-實(shí)驗(yàn)
下游測(cè)點(diǎn)的SPL曲線對(duì)標(biāo)（無(wú)閥門(mén)）
紅色-ultraFluidX，黑色-實(shí)驗(yàn)
對(duì)比有（無(wú)）閥門(mén)的頻譜曲線，可以看出在流量相同的情況下，有閥門(mén)管路的內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的SPL幅值約高20dBA。
A.工程應(yīng)用：汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)噪聲
空調(diào)風(fēng)噪是空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)后氣流與風(fēng)道相互作用產(chǎn)生的噪聲。新能源電動(dòng)車(chē)由于沒(méi)有了發(fā)動(dòng)機(jī)作為背景噪聲，空調(diào)噪聲成為了車(chē)內(nèi)主要的噪聲來(lái)源。
展開(kāi) CFD專(zhuān)欄丨基于LBM算法的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲仿真實(shí)例
可能的優(yōu)化方向：調(diào)整葉片的曲率，盡量避免流道內(nèi)有脫落的漩渦撞擊固體表面，并減小葉片的出口厚度，減小尾跡區(qū)。
BPF
2*BPF
3*BPF
12
總結(jié)
風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲仿真的難點(diǎn)在于噪聲源的捕捉，為了獲得微小的空氣壓力脈動(dòng)，須采用DES/LES之類(lèi)的高精度湍流模型，高頻信號(hào)也要求極小的時(shí)間步長(zhǎng)。相比于普通的流動(dòng)計(jì)算，CAA仿真代價(jià)大大提高。
LBM算法+GPU硬件是目前風(fēng)扇噪聲仿真的最優(yōu)方案。隨著NVIDIA GPU的算力進(jìn)一步提高，以往需要數(shù)百數(shù)千CPU核的CAA模型，如今在單臺(tái)GPU計(jì)算服務(wù)器即可完成。
Altair ultraFluidX基于LBM算法，具有接近線性的多GPU并行效率。是用于空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)噪聲的高精度瞬態(tài)求解器，仿真精度和計(jì)算效率在家電和車(chē)輛等行業(yè)得到工程驗(yàn)證。
關(guān)于 Altair澳汰爾
Altair（納斯達(dá)克股票代碼：ALTR）是計(jì)算科學(xué)和人工智能（AI）領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，在仿真、高性能計(jì)算 (HPC) 和人工智能等領(lǐng)域提供軟件和云解決方案。Altair 能使跨越廣泛行業(yè)的企業(yè)們?cè)谶B接的世界中更高效地競(jìng)爭(zhēng)，并創(chuàng)造更可持續(xù)的未來(lái)。
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