انفصال الدوامات

في ديناميكا الموائع ، يُعرف انفصال الدوامات بأنه تدفق تذبذبي يحدث عندما يتدفق سائل، كالهواء أو الماء، حول جسم غير انسيابي (على عكس الجسم الانسيابي) بسرعات معينة، تعتمد على حجم الجسم وشكله. في هذا التدفق، تتشكل دوامات في الجزء الخلفي من الجسم وتنفصل دوريًا من جانبيه، مُشكلةً ما يُعرف بـ" شارع دوامات كارمان" . يُؤدي تدفق السائل حول الجسم إلى توليد دوامات متناوبة منخفضة الضغط على الجانب السفلي منه، مما يجعل الجسم يميل إلى التحرك نحو منطقة الضغط المنخفض.

إذا لم يكن الهيكل غير الانسيابي مثبتًا بإحكام، وتطابق تردد انفصال الدوامات مع تردد الرنين الخاص به، فقد يبدأ الهيكل بالرنين ، متذبذبًا بتذبذبات توافقية مدفوعة بطاقة التدفق. هذا الاهتزاز هو سبب طنين أسلاك خطوط نقل الطاقة العلوية في مهب الريح، ^{[ 1 ]} وارتعاش هوائيات الراديو في السيارات عند سرعات معينة. قد تكون المداخن الطويلة المصنوعة من أنابيب فولاذية رقيقة الجدران مرنة بما يكفي بحيث يمكن لانفصال الدوامات، في تدفق هواء بسرعة ضمن النطاق الحرج، أن يدفع المدخنة إلى تذبذبات عنيفة قد تُلحق الضرر بها أو تُدمرها.

كان انفصال الدوامات أحد الأسباب المقترحة لانهيار جسر تاكوما ناروز الأصلي (غالوبينغ جيرتي) عام 1940، ولكن تم رفض هذا الافتراض لأن تردد انفصال الدوامات لم يتطابق مع تردد الجسر. في الواقع، انهار الجسر بسبب الرفرفة المرنة الهوائية . ^{[ 2 ]}

تعرضت لعبة " فيرتيغو " المثيرة في مدينة ملاهي سيدار بوينت بمدينة ساندوسكي بولاية أوهايو لظاهرة انفصال الدوامات خلال شتاء عام 2001، مما أدى إلى انهيار أحد أبراجها الثلاثة. وأُغلقت اللعبة خلال فصل الشتاء آنذاك. ^{[ 3 ]} وفي شمال شرق إيران، تعرضت مداخن مصفاة هاشمي نجاد للغاز الطبيعي لظاهرة انفصال الدوامات سبع مرات بين عامي 1975 و2003. وأظهرت بعض عمليات المحاكاة والتحليل أن السبب الرئيسي هو تفاعل شعلة الإشعال مع مدخنة الاحتراق. وتم حل المشكلة بإزالة شعلة الإشعال. ^{[ 4 ]}

يرتبط معدل حدوث انفصال الدوامات في الأسطوانة بسرعة التدفق وقطر الأسطوانة وخصائص السائل بالمعادلة التالية:

${\displaystyle \mathrm {St} ={\frac {f\cdot D}{V}}=\mathrm {fn} (\mathrm {Re} _{D})}$

هنا،${\displaystyle \mathrm {St} }$هو عدد ستروهال عديم الأبعاد ،${\displaystyle f}$هو تردد انفصال الدوامات (هرتز)،${\displaystyle D}$يمثل قطر الأسطوانة (م)، و${\displaystyle V}$هي سرعة التدفق (م/ث). عدد ستروهال هو دالة لعدد رينولدز عديم الأبعاد${\displaystyle \mathrm {Re} _{D}=\rho VD/\mu }$، ^{[ 5 ]} حيث${\displaystyle \rho }$هي كثافة السائل (كجم/م³ ⁾ و${\displaystyle \mu }$[kg-m/s] هي اللزوجة الديناميكية للسائل . ومع ذلك، وعلى مدى أربعة رتب مقدارية في عدد رينولدز، من 10² ^إلى 10⁵ ^، يتغير عدد ستروهال فقط بين 0.18 و0.22. ^{[ 5 ]}

بما أن أرقام ستروهال ورينولدز لا أبعاد لها، فيمكن استخدام أي مجموعة متسقة من الوحدات للمتغيرات.

يمكن تركيب أغطية انسيابية على هيكل ما لتبسيط التدفق حول الهيكل، كما هو الحال في جناح الطائرة.

يمكن تزويد المداخن المعدنية الطويلة أو الهياكل الأنبوبية الأخرى، مثل صواري الهوائيات أو الكابلات المربوطة، بزعانف حلزونية خارجية ( شرائح ) لإحداث اضطراب متعمد، مما يقلل من تغير الحمل ويجعل ترددات الرنين ذات سعة ضئيلة. ^{[ 6 ]} اكتشف كريستوفر سكروتون ودي إي جيه والش فعالية الشرائح الحلزونية في الحد من الاهتزازات الناتجة عن الدوامات عام 1957 في المختبر الوطني للفيزياء في بريطانيا العظمى. ^{[ 7 ]} ولذلك، تُعرف هذه الشرائح غالبًا باسم شرائح سكروتون. ولتحقيق أقصى فعالية في كبح الدوامات الناتجة عن تدفق الهواء، يجب أن يكون ارتفاع كل زعنفة أو شريحة حوالي 10% من قطر الأسطوانة، وأن تكون خطوة كل زعنفة حوالي خمسة أضعاف قطر الأسطوانة. ^{[ 8 ]}

يمكن استخدام مخمد الكتلة المضبوط للتخفيف من تساقط الدوامات في المداخن والأنابيب.

يُستخدم مخمد ستوكبريدج للتخفيف من الاهتزازات الهوائية الناتجة عن انفصال الدوامات على خطوط الطاقة العلوية .

• الرفرفة المرنة الهوائية - الدوامات الناتجة عن الاهتزاز - على سبيل المقارنة
• دوامة
• الاهتزاز الناتج عن الدوامات
• شارع فون كارمان الدوامي

• تصوير تدفق آلية انفصال الدوامات على أسطوانة دائرية باستخدام فقاعات الهيدروجين المضاءة بواسطة شعاع ليزر في قناة مائية. بإذن من GRS Assi.