什麼是渦振?廣東虎門大橋抖動原因?


什麼是渦振?廣東虎門大橋抖動原因?


在5月5號的時候,廣東省的虎門大橋發生了非正常的抖動。專家組判斷,虎門大橋5日發生振動系橋樑渦振現象,並認為懸索橋結構安全可靠,不會影響虎門大橋後續使用的結構安全和耐久性。今天我們就來聊聊什麼是渦振。


什麼是渦振?廣東虎門大橋抖動原因?


在流體力學中有一個很重要的現象,叫做卡門渦街。什麼是卡門渦街呢?要了解這個現象,我們首先要介紹一個人物,這個人物名字叫馮·卡門。馮·卡門著名的空氣動力學家,我國著名科學家錢偉長、錢學森、郭永懷、林家翹都是他的親傳弟子。他在“空氣動力學之父”普朗特指導下完成空氣動力實驗,研究了邊界層分離現象,提出了著名的“卡門渦街”理論。簡單的說就是流體(像空氣、水)流過阻流體(如水中的礁石、空中的飛機、大山等)會形成交替的反向的漩渦。這個現象就稱之為卡門渦街。


什麼是渦振?廣東虎門大橋抖動原因?

我們仔細來說一下,大概的意思。比如說有一個柱子,那麼當流體從柱的左側流過來的時候,它要麼就從上面流過,要麼從底下流過去。它會首先選擇一側。先從上面流過去,然後形成一個順時針的漩渦。漩渦繼續向前運行,同時柱子在底下又會形成一個新的漩渦,這叫交替的反向的漩渦,當第一個漩渦又走遠了,第二個漩渦也走遠了,然後它又形成了第三個漩渦,就這樣交替地往前進行。這個其實就是一種穩定的狀態。但是卡門渦街不是在任何情況下都會出現的,它是在雷諾數處於某個範圍內時才會出現。雷諾數大概的意思就指的是流速和粘滯係數之比,今天我們不討論這個。


什麼是渦振?廣東虎門大橋抖動原因?

那麼為什麼大橋問什麼會出現抖動呢?其實這種抖動我們稱之渦激振動。就是這個漩渦激發的振動。簡稱渦振。我們把橋作為一個橫斷面,風沿著水平方向吹過來,在橫斷面上邊產生了一個渦,這個渦離開以後,另一邊又產生了一個渦,這些渦上下交替出現,這樣就給橋面一會向下,一會向上的一個力。這個力我們就稱之為驅動力,這個驅動力使得橋不斷的擺動,並且擺的幅度越來越大,當和橋的共振頻率、扭轉頻率一致時,橋就會出現扭轉擺動的情況。

卡門渦街是流體力學中重要的現象,在我們日常生活中常可遇到。比如我們經常聽到呼呼的風聲,那其實就是空氣吹過電線,渦週期性脫落引起電線振動發出的嗡鳴聲。現在一種叫風絃琴樂器,就是由此原理髮聲的。另外我們在工廠中時常會用到的渦街流速計,也是通過管體裡阻流體的震動計算出流量的大小。還有風速的測定,都是運用這一原理。


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