是什麼導致了虎門大橋振動,卡門渦街?
據廣東省公安廳交管局的消息,2020年5月5日下午3點30分左右,由於風速大,虎門大橋出現搖晃,為確保安全,虎門大橋現已封橋,不能通行。目前,大量車輛湧入虎門威遠,虎門交警已調派大量警力在現場指揮疏導交通,分流車輛向莞佛高速、沿江高速行駛。
專家組初步判斷,虎門大橋懸索橋本次振動的主要原因是:沿橋跨邊護欄連續設置水馬,改變了鋼箱樑的氣動外形,在特定風環境條件下,產生了橋樑渦振現象。
網友拍攝視頻:
據網友和新聞說當時風速很大,是風導致卡門渦街振動。那麼什麼是卡門渦街,它有什麼樣子的危害呢?
卡門渦街發現者
馮·卡門(Theodore von Kármán 1881~1963)
1881年5月11日生於匈牙利布達佩斯
1963年5月6日卒於德國亞琛
美籍匈牙利力學家
近代力學的奠基人之一
是錢學森、錢偉長、郭永懷和林家翹的導師
美國華盛頓州的Tacoma Narrow橋,於1940年7月建成,全長:1810.2米,最大跨度:853.4米。是當時世界上最長的懸索大橋。1940年11月7日在42英里/小時(相當於20m/s)風速的作用下,導致橋面折斷墜落到峽谷中。大家來看看發生了什麼吧。Question:
Tacoma Narrow橋的橋面是水平的,風也是水平吹過來的,為什麼會發生上述扭轉的擺動,導致最後橋的坍塌呢?
Answer:
由於在風的作用下產生的卡門渦街,渦作用以後使得橋面週期性出現上下的作用力。
如上圖所示,把橋作為一個橫斷面,風沿著水平方向吹過來,為什麼卻出現了扭轉擺動的情況?實際上,這是由於在橋面的上流線經過的過程中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,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。這就是著名的卡門渦街。
卡門渦街定義
卡門渦街是流體力學中重要的現象,在自然界中常可遇到。在一定條件下的定常來流繞過某些物體時,物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反排列規則的雙列線渦,經過非線性作用後,形成卡門渦街,如水流過橋墩,風吹過高層樓廈、電視塔捆囪、電線等都部會形成卡門渦街。卡門渦街的圖片十分漂亮,有時可當作為藝術品來欣賞。
舉個例子,下圖一個軸對稱的圓形物體受到風的作用,如果風的速度小於某個值,它的流線如下圖(a)所示;隨著流速的增大在它的尾部出現了一個氣流的渦旋(如下圖(b)),這個渦旋會脫落,每次脫落的時候它都會交替的出現,尾部的渦在脫落的過程造成的負壓力出現週期性的變化,最後出現下圖(d)(e)的情況。
其實生活中常用的工具就能觀察到卡門渦街,只需要一個吹風機和一個小紙條就能夠做到(詳細演示可見視頻),步驟如下:
① 首先,把小紙條在無風處豎直放置,觀察到紙片是靜止的。
② 然後,將吹風機調至低風速檔,將紙片放在吹風機下面,風從紙片正上方往下吹,先將紙片放離吹風口遠一點的位置,紙片還是基本靜止的;慢慢靠近風口,由於實驗存在誤差,紙片會有一點微小的擺動,但是紙片的振幅不會太大。由此可以觀察到當風速比較低時,紙片基本上還是靜止的。
③ 最後,把吹風機打到高風速擋,這個時候可以觀察到紙片中部振幅波動大,後頭尾巴會明顯擺出,這也就是卡門渦街。
如圖衛星拍攝到的大氣中的卡門渦街