从抽刀断水水更流开谈涡激振动

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　　涡激振动的“典故”有这么一说。有一天，诗仙李白心情很郁闷，拿着刀到河边去砍水，砍完后还是不爽，便把刀往河里一插，开始思考人生。可是，他发现水流在刀的阻挡下，流速并没有放缓，反而更加湍急了。于是诗仙写下了：

　　《宣州谢脁楼饯别校书叔云》

　　弃我去者，昨日之日不可留;

　　乱我心者，今日之日多烦忧。

　　长风万里送秋雁，对此可以酣高楼。

　　蓬莱文章建安骨，中间小谢又清发。

　　俱怀逸兴壮思飞，欲上青天览明月。

　　抽刀断水水更流，举杯消愁愁更愁。

　　人生在世不称意，明朝散发弄扁舟。

　　这是一个钝体绕流问题。在边缘处(刀刃)，水拐了个大弯往前流，由于受到压缩速度变快(流量相等，截面积变小，速度变快)与之前的流场形成剪切层;剪切层不稳定，尤其在惯性力远大于粘性力、表面张力和地心引力，剪切层破坏，形成更加湍急的漩涡。如果流速够快，或者李大侠能够卸剑划水，或许可以看到卡门涡街。当漩涡脱离固体时，由于漩涡是非对称的，所以会受到侧向力，而这个侧向力与漩涡频率有关，即当固体频率和漩涡频率接近时，发生共振。

　　总结一下：
　　在一定流速的来流作用下，结构物两侧会发生交替泄涡，结构物会受到流向以及横向的周期性变化的脉动压力，如果此时结构物是弹性支撑的，或者允许发生弹性变形，那么脉动压力会引起结构物的周期性振动，结构物振动又会反过来改变其尾流结构，这种流体-结构之间的相互耦合作用称为“涡激振动”(Vortex-Induced Vibration ：VIV)。

　　海洋石油隔水管，其圆柱状的弹性管体，使漩涡非对称的脱落形成侧向力，侧向力作用于弹性管体，使其发生变形，这个变形又反过来影响漩涡的周期性发放，最终使管体发生共振。历史上有塔科马海峡吊桥，便是因为涡激振动产生了共振而倒塌。

　　《老子》写道，水善利万物而不争。涡激振动有可利用的地方吗?其实鱼在水中游动，产生绕流，同时会产生相应的频率;显然，金鱼和鲨鱼不在一个量级，海洋中不同鱼种互不串台。海豹的胡须就是一个探测器，对食物鱼类特别敏感。胡须在食物鱼类产生的绕流中，会发生共振，由此大大提供捕食的成功几率。

　　人类正试图利用涡激振动来进行风力发电。如若成功，不需要齿轮传动装置的风力发电机，可以大大节约生产制造以及维护成本。因为可以直接利用风对高大钝体产生的涡激振动，利用振动产生的机械能发电。

　　来源：FESIM有限元分析微信公众号，作者：飞赛团队。