Wirbelablösung - Vortex shedding

Wirbelablösung hinter einem Kreiszylinder. In dieser Animation werden die Strömungen auf den beiden Seiten des Zylinders in unterschiedlichen Farben dargestellt, um zu zeigen, dass sich die Wirbel von beiden Seiten abwechseln. Mit freundlicher Genehmigung von Cesareo de La Rosa Siqueira.

Wirbelablösung, als Winde an Heard Island ( unten links ) im südlichen Indischen Ozean vorbeiziehen, führte zu dieser Kármán-Wirbelstraße in den Wolken

In der Fluiddynamik ist Wirbelablösung eine oszillierende Strömung , die auftritt, wenn eine Flüssigkeit wie Luft oder Wasser mit bestimmten Geschwindigkeiten an einem stumpfen (im Gegensatz zu einem stromlinienförmigen) Körper vorbeiströmt, abhängig von der Größe und Form des Körpers. In dieser Strömung werden Wirbel an der Rückseite des Körpers erzeugt und lösen sich periodisch von beiden Seiten des Körpers und bilden eine Von-Kármán-Wirbelstraße . Der Fluidstrom vorbei an der Objekt erzeugt abwechselnde Niederdruckwirbel auf der stromabwärtigen Seite des Objekts. Das Objekt neigt dazu, sich in Richtung der Tiefdruckzone zu bewegen.

Wenn die stumpfe Struktur nicht starr montiert ist und die Frequenz der Wirbelablösung der Resonanzfrequenz der Struktur entspricht, kann die Struktur in Resonanz treten und mit harmonischen Schwingungen schwingen, die durch die Energie der Strömung angetrieben werden. Diese Schwingung ist die Ursache für das Brummen von Oberleitungsdrähten im Wind und für das Flattern von Autopeitschenradioantennen bei einigen Geschwindigkeiten. Hohe Schornsteine aus dünnwandigen Stahlrohren können so flexibel sein, dass bei Luftströmungen mit einer Geschwindigkeit im kritischen Bereich die Wirbelablösung den Schornstein in heftige Schwingungen treiben kann, die den Schornstein beschädigen oder zerstören können.

Die Wirbelablösung war eine der Ursachen für das Versagen der ursprünglichen Tacoma Narrows Bridge (Galloping Gertie) im Jahr 1940, wurde jedoch abgelehnt, weil die Häufigkeit der Wirbelablösung nicht mit der der Brücke übereinstimmte. Die Brücke versagte tatsächlich durch aeroelastisches Flattern .

Eine aufregende Fahrt, " VertiGo " am Cedar Point in Sandusky, Ohio, erlitt im Winter 2001 einen Wirbel, der einen der drei Türme zum Einsturz brachte. Die Bahn war zu diesem Zeitpunkt für den Winter geschlossen. Im Nordosten des Iran erlitten die Fackelschächte der Hashemi-Nejad-Erdgasraffinerie von 1975 bis 2003 sieben Mal Wirbelablösungen. Einige Simulationen und Analysen wurden durchgeführt, die ergaben, dass die Hauptursache das Zusammenspiel von Pilotflamme und Fackelschacht war. Das Problem wurde durch Entfernen des Piloten gelöst.

Maßgebende Gleichung

Die Frequenz, bei der die Wirbelablösung für einen unendlichen Zylinder stattfindet, hängt mit der Strouhal-Zahl durch die folgende Gleichung zusammen:

${\displaystyle \mathrm {St} ={\frac {fD}{V}}}$

Dabei ist die dimensionslose Strouhal-Zahl , die Wirbelablösungsfrequenz (s ^-1 ), der Durchmesser des Zylinders (m) und die Strömungsgeschwindigkeit (ms ^-1 ). ${\displaystyle \mathrm {St}}$${\displaystyle f}$${\displaystyle D}$${\displaystyle V}$

Die Strouhal-Zahl hängt von der Reynolds-Zahl ab , aber üblicherweise wird ein Wert von 0,22 verwendet. Über vier Größenordnungen der Reynolds-Zahl, von 100 bis 100000, variiert die Strouhal-Zahl nur zwischen 0,18 und 0,22. ${\displaystyle \mathrm {Re}}$

Abschwächung von Wirbelablösungseffekten

Ein spiralförmiger Strake auf einem Schornstein

Verkleidungen können an einer Struktur angebracht werden, um die Strömung an der Struktur vorbei zu optimieren, beispielsweise an einem Flugzeugflügel.

Hohe Metallschornsteine ​​oder andere rohrförmige Strukturen wie Antennenmasten oder angebundene Kabel können mit einer externen Korkenzieherflosse (einem Strake ) ausgestattet werden, um gezielt Turbulenzen einzuleiten , so dass die Last weniger variabel ist und resonante Lastfrequenzen vernachlässigbare Amplituden haben. Die Wirksamkeit von spiralförmigen Strakes zur Reduzierung wirbelinduzierter Schwingungen wurde 1957 von Christopher Scruton und DEJ Walshe am National Physics Laboratory in Großbritannien entdeckt. Sie werden daher oft als Scruton-Strakes bezeichnet. Für eine maximale Wirksamkeit bei der Unterdrückung von Wirbeln, die durch den Luftstrom verursacht werden, sollte jede Rippe oder jeder Strake eine Höhe von etwa 10 Prozent des Zylinderdurchmessers haben. Die Steigung jeder Rippe sollte ungefähr das 5-fache des Zylinderdurchmessers betragen.

Ein abgestimmter Massendämpfer kann verwendet werden, um die Wirbelablösung in Schornsteinen und Schornsteinen zu mildern.

Ein Stockbridge-Dämpfer wird verwendet, um äolische Schwingungen zu mildern, die durch Wirbelablösung an Freileitungen verursacht werden .

Siehe auch

• Aeroelastisches Flattern - schwingungsinduzierte Wirbel - als Kontrast
• Wirbel
• Wirbelinduzierte Vibration
• Von Kármán-Wirbelstraße

Verweise

Externe Links

• Strömungsvisualisierung des Wirbelablösungsmechanismus auf einem Kreiszylinder unter Verwendung von Wasserstoffblasen, die von einer Laserplatte in einem Wasserkanal beleuchtet werden. Mit freundlicher Genehmigung von GRS Assi.