关键要点

• 涡旋脱落及其影响

• 共振频率和涡激振动在故障分析中的作用

• 使用 CFD 工具分析涡旋脱落行为

旋涡脱落模拟示例

由于速度差异形成涡流，导致流体呈螺旋状运动。您可能已经在盆地中以龙卷风或漩涡的形式观察到这种现象。在空气动力学中，空气在穿过机翼时会形成类似的模式。对于流过管道的水，在流体动力学中也存在类似的现象。

当流体流过阻流体并在其后面形成涡流时，就会发生涡流脱落。流动的性质会导致流体不规则分离并引起物体振动，从而导致故障。因此，减少涡流脱落很重要。使用 CFD 工具，可以模拟涡流脱落、分析其行为并相应地优化设计。  

了解涡流脱落

为了解释这种现象，已经进行了多项研究来分析工业烟囱等结构在风流过时的行为。当由钢制成的塔或烟囱等高大结构遇到以相当大的速度吹来的风时，结构的下侧会形成低压区。当风流继续超出结构屏障时会发生涡流脱落，从而产生振动效果。这种振动可能导致结构的严重损坏和故障。

同样的概念也适用于管流，其中热电偶套管或接头（T 型接头或角接头）等组件充当钝体。这是流动路径改变的地方，导致涡流脱落。当涡旋脱落的频率与管道系统的固有频率相匹配时，很可能发生振动和失效。

涡流脱落导致管道系统疲劳

连续振荡或涡激振动 (VIV)会使管道系统容易出现多个应力循环。随着疲劳因应力而累积，可能会出现裂纹，最终导致整个系统失效。考虑到在雷诺数范围很广时可能发生涡旋脱落，确定故障何时发生可能很困难。

然而，可以确定涡旋脱落发生的频率。该值取决于斯特劳哈尔数——描述流体流动振荡机制的因素。在数学上，频率可以表示为：

Fs 是涡流脱落频率或斯特劳哈尔频率

S 是斯特劳哈尔数

Vo 是流体流动的速度

D是圆柱体的直径

通过高效的流体系统分析减少涡流脱落

涡流脱落可能不利于流体流动系统在共振频率或接近共振频率下的运行。因此，探索减少涡流脱落的方法至关重要。彻底的涡流脱落分析有助于评估：

1. 钝体结构及其对涡流形成的影响

2. 流体系统分析——结构材料的机械性能和流体特性（温度、压力、速度）

3. 流固耦合过程中系统中产生的应力

4. 共振频率和 VIV 评估

借助 CFD 工具可以更好地执行分析。这些工具不仅可以帮助模拟涡流脱落行为，而且还可以通过求解与流体相关的 Navier-Stokes 方程来深入了解流动动力学。

如上所述，为减少管道流系统中的涡流脱落，建议提供更多的管道支撑以抵消振动。许多实验还发现，在钝体（例如热电偶套管）上增加螺旋槽有利于最大限度地减少涡流脱落的影响。 

CFD 工具可帮助您设计可靠的流动系统

Cadence 的 CFD 工具有助于解决流体通过阻流体时的复杂流动问题。这些工具可以对复杂的涡流脱落行为进行数值模拟，并解决压力、速度和频率校正问题——所有减少涡流脱落以优化流体系统所需的关键计算。