馮.卡門渦街的案例
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 四、偶遇卡門渦街
<p> 卡門渦街是德國科學家馮·卡門從空氣動力學的的觀點于1911年提出的理論：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，本質上就是邊界層分離。</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_gif/8tJMdLVYZy8990K4FPfT2ypx3j1IYfjxicWovPXxGmPwHT8l3uNGibOy6NN9Y3ia7blDISlBVz0R2ZeldBv0R3AXQ/640?wx_fmt=gif" width="461" style="cursor: nesw-resize;"></p><p class="ql-align-center">圖1.卡門渦街動畫</p><p> 下面我們使用Fluent模擬卡門渦街現象。</p><p> 1. 導入mesh文件：打開Fluent，選擇File-Read-Mesh，選擇生成的mesh文件</p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy8990K4FPfT2ypx3j1IYfjxmfiadBPycbbVD3pmpKpVt38ibFzNjm87eJlkVZI9ic8iaAV9OUOoPe0UTw/640?wx_fmt=png"></p><p class="ql-align-center">圖2.讀取mesh文件</p><p> 2. General設置，進行如圖3步驟設置，即可在顯示窗口看到幾何模型及網格，如圖4。
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
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。
展開 
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 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 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 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
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 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 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。
展開 
嘗試用creo flow analysis仿真虎門大橋卡門渦街震動現象（五）
虎門大橋的流仿真結果，使用圖片不能很好的表現出來，
現在，把視頻動圖經過審核后，補充到帖子里。
雖然嘗試對虎門大橋進行了初步的流體仿真操作，
但對仿真操作過程中，出現的錯誤，請各路大神指正。
另外，對仿真結果的解讀，涉及到很多橋梁專業的知識，
請熟悉相關知識的朋友給予指點，在此，提前表示感謝！
下方第一個視頻，是水馬墻對橋面形成渦流，流線圖：
下方視頻，是在建模模型中，刪除水馬墻，重新返回到流體仿真程序，并且更新流體域后，重新計算的結果。
嘗試用creo flow analysis仿真虎門大橋卡門渦街震動現象（四）
接前文~~
返回進風口的邊界條件設定欄內，關閉釋放粒子。
打開默認模型面，也就是模型的外表面，與空氣接觸的外表面。在模型內釋放它的粒子，數量200
重新觀察流線，是否更加清楚的看清楚了直接與橋梁產生交集的氣流是怎樣的。
特別是渦流，一清二楚。
為了解決問題，驗證水馬的過錯，
返回建模的模型，刪除“拉伸2”，即之前的水馬墻，
再返回flow analysis,注意，千萬一定要更新模型和流體域，再開始重新計算仿真。
當看到下圖的時候，沒有水馬，沒有渦流，是否豁然開朗？
沒有亂流的，流線多漂亮
打開之前的剖面圖，顯示壓力分布相對平均，
虎門大橋，也就恢復了正常。
嘗試用creo flow analysis仿真虎門大橋卡門渦街震動現象（三）
接之前的帖子，繼續~~
在點擊綠旗子運行之前，為了便于觀察運算過程，可以先打開成果顯示界面，選擇成果里的流線，修改動畫時長為0.5，在視圖里，選擇速度大小，然后再點擊綠旗子運行，這樣作的目的，是在計算機仿真過程中，我們還可以定義其他的內容。
這個仿真模型相對較簡單，很快出現“仿真完成”提示。遺憾的是，截圖不能顯示出風流動的方向，改天動圖單獨帖出來，大家分享一下。
對于仿真的結果，可以顯示特別豐富的內容，我們想了解什么，就觀察什么，想用什么樣式觀察，就用什么樣式進行觀察，對于輸出結果的顯示，下面進行介紹，比如，想了解橋梁中間風速是多少，那用剖面圖很方便，
點擊后處理欄內的剖面圖，在橋梁模型中部建一個平面，在該平面上顯示任意一個點的位置風速值，用顏色表示。如下圖，點擊剖面圖，然后在浮動框內選擇內容為Y方向（這一步未截圖），點下一步，在“可變”欄內選擇速度大小，即出現下圖中的結果。
為便于觀察，把視圖改為TOP面，是不是很直觀？
重新編輯剖面圖內的“可變”，由速度大小 改為 總壓力，該剖面圖即顯示該剖面上的壓力分布情況，當然，根據需要，可建立多個Y方面上的剖面圖，分別顯示速度、壓力、粘度、湍流動能、湍流耗散等等，在此不一一列舉。
除了可以建剖面圖，還可以建等值面圖，所謂等值面，就是數值相等的若干點組成的面。下圖是總壓力為10pa的等值面。可以更加直觀的顯示出水馬形成的渦流，
對于上圖的等值面，還可以疊加其他的內容，如下圖，在等值面上顯示各個點位，所對應的風速是多少，或者對應的動能是多少，
至此，幾乎完成了仿真結果的輸出，大家已可以很明白的看清楚虎門大橋之所以產生渦震動的主要原因，是水馬惹的禍。
接下來，我們用另一個視角再分析一下這個問題。
時間原因，改天再發貼吧，有點累。
展開 嘗試用creo flow analysis仿真虎門大橋卡門渦街震動現象（二）
接上一個帖子。
完成“物理”和“域”的設定后，就要為設定“邊界條件”作準備，點擊“域”后，我們對域進行“網格”化。
仿真橋梁受風的影響，自然是橋梁的外流場仿真，所以在網格內，選擇“外部體積塊”。而不是對橋梁模型的內部空間進行研究。
外部體積塊就是包絡在模型周邊的一個范圍，在軟件里，具體要設定這個范圍的大小和位置，在設定的時候，要根據我們具體要仿真的模型情況和工作情況，對這個范圍進行調整，如下圖，邊界和邊框改選為“非均勻”，然后對具體數值進行修改。如果覺得調整麻煩，也可以用默認，即“均勻”。
下圖是調整外體積塊的具體參數，大家可以參考。
CREO自動生成網格的速度很快，并且精度很高，完全可以應對大多數模型的網格劃分工作，
外體積塊網格生成后，把之前的模型完全包絡，接下來，我們具體定義它的六個面的具體的仿真參數。當然了，之前的橋梁模型也被網格化了，在后面會看到的。
橋梁模型的網格化，可在“操作”下的預覽內看到。密密麻麻的，有密集恐懼的，就不要認真觀察它了吧。
點選第一個面，觀察是右邊的面是加亮的，也就是出風方向，對于出風方向的面，一般定義為壓力出口就可以了。
為了便于理解，我們首先定義進風方向的面，對于該模型來講，進風參數定為15米每秒，也就是9級風的風速。特別注意一點，進風面，一般要打開粒子釋放，數量根據經驗而定，此次我們定義200，后期可更改。
有進風面，必須有出風面，返回第一個面，定義它為壓力出口即可。
其余的四個面，分別是上、下、左、右，它們不是虛擬的墻，一般情況下，定義它們為進風口，但是進風方向必須與進風口一致，之前我們定義進風面的時候，并沒有特別指出風向是X方向，但是大家可以觀察理解的，所以，上、下、左、右四個面的風向也是X方向。這一點千萬不要搞錯
展開 