理解流体动力学中的卡门涡街频率
流体动力学：了解卡门涡街频率
您是否曾经想过如何预测流体流动中物体后面形成的交替涡流的频率？好吧，这一切都归结为一种名为卡门涡街的迷人现象。这是物理学与艺术的交汇之处 - 形成既具有破坏性又令人着迷的旋涡图案。这里探索如何量化它！
卡门涡街简介
当流体（例如空气或水）流过圆柱形物体时，就会出现卡门涡街，在两侧产生交替涡流。这不仅仅是学术上的好奇心；这可能具有实际意义，例如桥梁如何振动或烟囱如何发出声音。
卡门涡街频率公式
要计算这些涡旋的频率 (f)，我们使用以下公式：
公式：f = (St × U) / D
其中：
f= 涡旋脱落频率 (赫兹，Hz)St= 斯特劳哈尔数 (无量纲)U= 流速 (米/秒，m/s)D= 特征长度，通常是圆柱体的直径 (米， m)
参数细分
让我们深入了解每个值代表什么。
斯特劳哈尔数 (St)
斯特劳哈尔数反映了涡旋脱落的频率特性。其值取决于雷诺数 (Re)，它是物体周围流动状态的量度。对于典型的工程问题，圆柱形物体的 St 约为 0.21。
流速 (U)
流体流过物体的速度。这是决定涡旋交替速度的关键因素。
特征长度 (D)
这通常是引起涡街的圆柱体的直径。在实际问题中，你可以直接用尺子或卡尺来测量。
公式实现
现在，让我们以 JavaScript 箭头函数格式查看公式：
(st, u, d) => {
if (st <= 0 || u <= 0 || d <= 0) return "Invalid input values";
return (st * u) / d;
示例计算
为了使这一点更加具体，让我们来看几个示例计算：
示例 1
假设我们有一个直径为 0.05 米的圆柱形杆，放置在风洞中，风速 (U) 为每秒 15 米，斯特劳哈尔数 (St) 已知为 0.21：
U = 15 m/sD = 0.05 mSt = 0.21
频率可以按以下方式计算：
f = (0.21 × 15) / 0.05 = 63 Hz这意味着涡流将在杆后每秒交替出现 63 次。
示例 2
现在，让我们考虑另一种情况，在一条流速为每秒 10 米的河流中，有一根直径为 0.1 米的杆，而 St 仍为 0.21：
U = 10 m/sD = 0.1 mSt = 0.21
频率变为：
f = (0.21 × 10) / 0.1 = 21 Hz在这种情况下，涡流每秒脱落 21 次。
卡门涡街的实际应用频率
这种现象不仅仅是理论上的；它有实际应用：
- 工程：避免桥梁和摩天大楼等结构中的共振。
- 环境研究：了解人工礁石和屏障周围的流体流动模式。
- 航空：管理飞机周围的气流以降低噪音并提高效率。
有趣的事实
您是否知道相同的原理可以帮助解释为什么电线在风中唱歌或鱼如何利用涡流更有效地游泳？卡门涡街是通往几种迷人物理现象的门户。
常见问题 (FAQ)
问：什么是斯特劳哈尔数？
答：斯特劳哈尔数是一个无量纲数，用于描述振荡流动机制，特别是与流速和特征长度相关的涡旋脱落频率。
问：为什么会发生涡旋脱落？
答：涡旋脱落是由于物体上方的流体分离而发生的，导致物体两侧交替出现低压涡旋。
问：卡门涡街会危险吗？
答：是的，如果涡旋脱落的频率与结构的固有频率一致，则会引起共振和潜在的结构破坏失败。
结论
卡门涡街是流体动力学中一个引人入胜的方面，在各个领域都有实际意义。了解如何计算脱落频率可以帮助工程师、科学家和爱好者管理和利用其影响。