流动分离与尾涡脱落如何形成
当流体迎面撞上钝体,它未必能一直贴着表面绕行。在后半部,流动会脱离壁面,留下一个翻腾的低压尾流。本图看圆柱如何从上、下两侧交替甩出涡旋——也就是卡门涡街。
当流体迎面撞上钝体,它未必能一直贴着表面绕行。在后半部,流动会脱离壁面,留下一个翻腾的低压尾流。本图看圆柱如何从上、下两侧交替甩出涡旋——也就是卡门涡街。
流动并不一定始终贴着它遇到的物体。在钝形物体的前部,流体会加速、压力下降,一切都很顺利。但到了后半部,表面开始向里收,压力又升起来。早已被摩擦拖慢的边界层,可能已经没有能量继续顶着上升的压力往上推,于是在分离点离开壁面。
来流从左侧扫入,在圆柱前缘的驻点迎面撞上。附着流绕过前部时加速。到了后肩的两处分离点,流线脱离壁面,物体背后出现一个缓慢回流、压力很低的分离区(回流泡)。再往下游是带着速度亏损的尾流,它的上下边缘会交替甩出上侧与下侧涡旋——这就是卡门涡街。
分离会大幅增加阻力,也会让机翼一旦失速就丢掉升力。交替脱落的涡旋更不只是有趣:每一个都会把物体往侧面推一下,如果这个频率恰好与物体的固有频率吻合,振动就会越积越大,直到某处损坏——所以缆线、烟囱、桥面和换热管都必须围绕它来设计。
均匀的来流从左侧前进,直接撞上圆柱。就在正前方,流体在驻点被拦停,这里的压力最高。
被挤过圆弧形的两侧时,流动加速、压力下降。只要压力还在下降,边界层就牢牢贴在表面上,轻松地跟着它走。
到了后半部,表面开始向里收,压力重新升高。近壁被拖慢的流体此刻要往上升的压力里推——这就是逆压梯度。它剩下的能量不多,于是总要出点状况。
在分离点,边界层离开表面。物体背后流体反向回流,在低压的分离泡里打转,流线也不再沿着圆柱走。
再往下游是尾流,一条缓慢、湍动的流体带。它的上下边缘卷成涡旋,从物体顶部和底部交替甩出。它们身后留下的那串固定图案,就是卡门涡街。
它就是边界层不再贴着壁面、从壁面脱离的那一刻。当压力沿流动方向开始升高时就会发生:贴壁被拖慢的流体已经没有足够的能量去顶着上升的压力往前推。
气流在前缘分开、绕过两侧时加速,这里压力下降。到了后半部,表面开始向里收,压力又升高。已被摩擦拖慢的边界层翻不过这道“压力坡”,于是从壁面脱离。
尾流是物体后方那片被扰动的区域,流体在这里速度亏损、压力更低。它充满缓慢回流的流体和更强的湍动,也是物体所受阻力的主要来源。
分离后的流动卷起来,先在一侧、再在另一侧交替甩出一个涡旋,形成一条交错排列、不断重复的涡旋带,这就是卡门涡街。
每个脱落的涡旋都会把物体往侧面推一下;如果这个推力的频率恰好与物体的固有频率吻合,振动就会危险地放大。所以烟囱、缆线、桥面与换热管都要针对涡致振动做校核。