5、卡门涡街的Comsol仿真.pdf

深圳大学物理实验教学中心

实验背景涡振

1940年，美国塔科

马大桥建成四个月后被

微风吹塌了

对于塔科马大桥坍塌的准确理论原因，专家们并没有达成

统一意见。—部份工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼

的颤振。以卡门为代表的另一派专家则认为，塔科玛大桥

的桥身是H型断面，和流线型的机翼不同。经过加州理工

学院风洞内的模型测试后，卡门猜测这场灾难源于一种现

象——卡门涡街。[2]

当时的风速大约为每小时40英里。力学上的扭转变形，

中心不动，两边因有扭矩而扭曲，并不断振动。这种振动

是由于空气弹性颤振引起的。颤振的出现使风对桥的影响

越来越大，最终桥梁结构像麻花一样彻底扭曲了。风能最

终战胜了钢的挠曲变形，使钢梁发生断裂。拉起大桥的钢

缆断裂后使桥面受到的支持力减小并加重了桥面的重量。

随着越来越多的钢缆断裂，最终桥面彻底倒塌了。

实验背景涡振

2020年5月5日下

午至6日中午，约

20个小时内，广

东虎门大桥多次

发生抖动现象

于1997年6月建成通车，总投

资约30亿元。虎门大桥是我

国第一座大规模化悬索桥，

曾获詹天佑土木工程奖。该发生抖动后紧急拆掉水马

大桥防震等级为7级，防台等

级为61米每秒

桥梁结构专家：临时防撞墙（水马）改变了外形，大概率是引起涡激共振的原

因。据录像显示，虎门大桥正在维修施工中，桥面加了1.2米高的挡墙，破坏了断面

流线型，从而引发涡振。

拆掉水马后，虎门大桥涡振于5日16时暂停；5日20时，大桥再次发生涡振。国

际桥梁与工程协会主席葛耀君接受新京报采访时说，已经安排仪器观测数据，对

二次涡振的成因进行调查

涡振发生的原理——卡门涡街

实验背景

卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中经常

遇到。如风吹过电线、水流过桥墩等都可能产生卡门涡街

。这种交替脱落的涡旋会导致物体振动。因此，设计摩天

大楼、工业烟囱或吊索桥等结构时，必须考虑卡门涡街带

来的影响。如把吊索桥面做成通风的架构，在电线上安装

谐波吸收器，在烟囱外围安装螺旋状隔板（如图所示）。

吊索桥采用通风架在电线上安装谐波吸收

构用来消除振荡器用于减弱电线振动在烟囱外围安装螺旋

状隔板用于驱散涡流

实验背景

在工程中，预测固体与流体相互作用力以及涡振频率

非常重要。可用来评估固体的受力情况，并避免固体与涡

旋产生共振。这类计算比较困难，所以采用COMSOL软件

进行虚拟仿真是解决该问题的很好方法。通过建模分析，

COMSOL能够方便地分析流体与物体的相互作用力，以

及