卡门涡街

K哥

卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到。在一定条件下的定常流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街，如水流过桥墩，风吹过高层楼厦、电视塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。卡门涡街的图片十分漂亮，有时可当作为艺术品来欣赏，如下图所示。                              

卡门涡街不仅在圆柱后出现，也可在其他形状的物体后形成，例如在高层楼厦、电视发射塔、烟囱等建筑物后形成。卡门涡街的现实意义通常于此，这些建筑物受风作用而引起的呈现周期性的不同方向的力，引起周期振动，若与建筑物本身的固有频率一致的话，往往会引起共振，造成严重的后果。因此，现在进行高层建筑物设计时都要进行计算和风洞模型实验，以保证不会因卡门涡街造成建筑物的破坏。

下面在Fluent中以一个简单的例子来进行卡门涡街的仿真。

如图所示，在整个流场中有一圆柱体。设定流体材料：密度为1kg/m3；粘度为0.01kg/（m·s）；速度入口：1m/s；压力出口：0Pa；其余为wall边界条件；在圆柱后上方设定一个监控点，检测Y方向上的速度。如下图所示。

      

采用入口条件初始化，稳态计算，压力基SIMPLE算法，默认的松弛因子和残差收敛条件，经400的迭代次数后，残差曲线和监控点曲线如下图所示。

由监控点曲线可得出，整个流场已经稳定，监控点的Y方向速度呈现周期性变化。

将此流场结果作为瞬态分析的初始化结果，选择transient，求解器采用压力基的PISO算法，设定时间步长为0.1s，时间步为840，进行求解计算。经过多个时间步的计算，计算结果如下。

同时，还可通过自定义变量，来描述流场中涡量的变化。通过Q标准来表示涡量的变化，通过Fluent中的Custom Field Function Calculator来进行定义，其定义如下所示。

同时在进行动画设置，如下图所示，并再次计算120时间步。