漩涡街的美丽

当流体在障碍物周围流动时，可能会发生周期性的涡旋脱落。这引起了所谓的涡流街道，这些街道在自然界中经常发生，并且对各种技术应用都很有趣。对我来说，漩涡街也只是迷人的美丽。可以通过现代CFD模拟对它们进行分析，但是对Vortex街道的性质的基本理解是由100年前的同名人物获得的，距离我目前在Göttingen的工作场所仅几步之遥。

进入流体力学历史的窗口

当我们从德国哥廷根的Comsol办公室的窗户看时，我们看到了Leine Canal，这是Leine River的一条分支。在中世纪人为创建的运河流过哥廷根历史悠久的市中心。

莱恩运河的水被用作当地啤酒厂的来源，几家工厂使用了水力。如果我们沿着Comsol办公室上游的Leine运河穿过市中心，我们来到了一个非常不寻常的目的的地方：在德国航空航天中心今天所在的地点，“现代空气动力学之父”据说路德维希·普兰特（Ludwig Prandtl）进行了实验，以了解100年前的莱恩运河中的各种流动现象。

路德维希·普兰特尔（Ludwig Prandtl，1875– 1953年），“现代空气动力学之父”，他的水上通道今天仍然以他的名字命名。图像DLR并获得许可CC由3.0 de。

由于“ Prandtl于1907年成立的ModellversuchsanstaltfürAerodynamikder Motorluftschiffschiffschiffschiftsellschaft”，如今已被称为德国航空航天中心（DLR），Göttingen被认为是现代空气动力学的摇篮。西奥多·冯·卡尔曼（Theodore vonKármán）从那时起，是流畅的力学研究先驱者和普兰特尔（Prandtl）的学生，他在沃特克斯街（Vortex Streets）上发表了他最著名的作品之一，后来在1911 - 12年以他的名字命名。这些涡流街道通常可以在河流和溪流中观察到，并且在实验过程中也经常由Prandtl生产。

这使我们回到了我们的办公楼，我们在其上描绘了这条涡旋街的立面，以及其他象征性的作品哥廷根的科学伟大，例如高斯，利希滕斯坦和赛义德；当然，每个都以comsolMultiphysics®软件中的仿真图的形式。

Göttingen和GöttingenLeine运河的Comsol办公室的图像。有趣的事实：该办公室距离德国航空航天中心下游约1公里，以及关于流体力学和空气动力学性质的首次全面研究的位置。（您可以在Comsol Office窗口中发现Vortex Street模拟贴花吗？提示：尝试单击照片以仔细观察。）

自然和技术的涡流街

在自然界中，空中和水中发生了涡流街。

非常清楚的例子是由岛屿李（例如胡安·费尔南德斯群岛）的漩涡的卫星图像提供的，这些图像可通过云层可见，大小数公里。

JuanFernández群岛Lee的一条涡流街的卫星图像。通过公共领域的图像通过NASA地球天文台。

在其他行星上也观察到了涡流街。特别令人印象深刻和美丽的是巨大数万公里的漩涡，在木星上著名的大红色景点的李中发现。

木星的哈勃望远镜图像，带有涡流的大红色点的左侧。图像中的图像公共区域通过NASA，ESA和A. Simon（Goddard太空飞行中心）。

Kármán漩涡的技术重要性主要在空气动力学和空气声学上。如果涡旋的分离频率对应于周围流动的固有频率，则涡旋的周期性脱离会导致结构振动。

一个听到的例子是风烟竖琴，但是当风在周围流动时，电源线也会产生声音（尽管它们会是令人不愉快的声音，通常是100 Hz的低嗡嗡声）。

当振动影响高大的建筑物或烟囱时，振动也会变得非常有问题。

涡流街如何发展

当流动中的惯性力明显大于粘性力时，Kármán的漩涡就会发生。大型动态粘度\ eta流体抑制涡流，而密度较高\ rho， 速度你和更大的尺寸l流动对象提供了更多的动态和有序的流动模式。如果将增加惯性力的因素与粘度有关，则获得了无量纲度量，可用于表征流动状态：雷诺数：

雷诺数字表征了流的状态。特别是，根据配置，有一个关键的雷诺数，该数字通常是层流的，并且在其上面变得湍流。例如，对于管道中的流动关于_暴击= 2300。

对于围绕气缸和小于4小于4的雷诺数的流动，圆柱体后面没有分离。流动完全粘附在气缸表面。

最多到雷诺数约为40，边界层分开，并且在尾流（稳定的分离气泡）中形成了两个反向旋转。

如果雷诺数的数量进一步增加，例如，通过增加流速，这两个涡旋变得不稳定，直到最终定期脱离（re〜80）。独立的涡流保持稳定一段时间，因此它们像项链上的珍珠一样在流动物体后面对阵，直到由于摩擦而慢慢地在流中再次解离，最后消失。

简化了一个圆柱体周围的，左流的流量以三个不同的雷诺数字出现。顶部：re = 1。中心：re = 30。底部：re = 100。

Kármán涡流街的模拟

为了自己创造涡流的美丽，我建立了一个模拟模型，该模型可以计算圆柱体周围的空气流。Kármán涡流街是一种现象，在2D和3D和层流条件下都发生，因此，让我们从围绕圆圈的流量的层流2D模型开始。

设置这样的模型真的很简单。它只是一个带有切口圆的矩形，一个恒定的入口速度随着时间的流逝而升高，对称边界平行于流动方向，并具有恒定的出口压力。我通过降低模型中的动态粘度从1个以上的1个步骤提高了RE（从1个以上的1个步骤开始，从而可以通过创建时间相关的分段插值函数来轻松完成。

结果与我们在自然界中已经可以观察到的东西完全相对应，并使我立即了解了Kármán对这种美丽而几乎催眠现象的迷恋。

围绕一个圆的2D流的模型结果，用于逐步增加雷诺数。通过绘制涡度幅度（黑色=低涡度，白色=高涡度），使流动可见。

围绕一个圆的2D流的模型结果逐步增加了雷诺数。通过绘制涡度的平面外部成分（红色=正涡度，蓝色=负涡度），使流量可见。

除了相当简单的层流2D型号外，我还想在此场合使用计算机硬件的全部功能。因此，我决定建立一个直径为10 cm的3D模型，其空气在其速度为0.5 m/s的速度周围流动。这对应于雷诺的数量超过5000，因此流动为湍流。在这种情况下，应使用湍流模型来解决基础的Navier -Stokes方程，comsol Multiphysics为此提供了较宽的选择范围。但是，可以使用大型涡模拟（LES）获得更准确的结果，如果我要使用仿真进行艺术，那么我也可以做对了！

尽管从数值的角度模拟湍流涉及的复杂性，但在Comsol多物理学中设置LES流量模型与层流模型一样简单。我正在计算流量的盒子的侧边界同样定义为对称边界，这意味着那里不需要边界层网格划分，并且在入口处不需要开发的流谱。

在入口处，简单地指定了流速度，使用步骤函数在五秒钟内从0上升到0.5 m/s的最大值。在出口处，压力是固定的，并且在气缸处施加标准的无滑动边界条件。流量通过的盒子长1米，高10厘米，宽50厘米。

如今，具有超过130万度自由度的模拟模型已成为一夜之间在我的工作站上解决的任务。因此，我开始计算模型，第二天早上，我能够评估结果。

为了使涡流可见，我通过盒子的中心创建了一个水平切割平面，所谓的Q标准，可视化了一种已建立的涡旋标识方法。另外，圆柱上的压力分布通过颜色表示可视化。压力显然会随涡流脱落的频率而振荡，这在动画中可见。

在圆柱体周围的湍流的3D模型中，在水平切割平面上可视化了用于识别涡旋的Q标准。由于雷诺数较高，并且相关的湍流水平增加，因此流量模式的规模要小得多。

想要更多？

我希望您喜欢我们进入Vortex街世界的短途旅行。如果您想进一步了解空气动力学研究的历史，我强烈建议您参观哥廷根的德国航空航天中心，仍然可以参观一些第一个风隧道。您甚至可以从上图中使用Prandtl的水通道。

但是，如果您想自己创建美丽的Kármán涡流模拟图像和动画（以及从自己的工作站的舒适度中），则只需打开Comsol多物理学即可。对于一种计算便宜的开始方式，我建议流过一个气缸来自应用程序库的教程模型。