无叶片的风力发电与冯卡门

寂静回声

你能想象一下把风力发电机那几根硕大的叶片去掉之后的样子吗？最近西班牙的脑洞狂人Vortex Bladeless团队就研发出了这么一种不需要叶片也能发电的无叶片风力发电机，它能节省更多的材料，以更低的成本为更多的人提供电力，还不污染环境。爱动物人士也不用担心鸟儿碰上旋转的叶片而pass掉的情况发生了。这就是Vortex （只有我最摇摆，就是这么任性）

Vortex到底是个啥捏，恩，实际上他就是一款风力发电机而已啦，只是与传统风力发电机依靠叶片转动带动转子发电不同，这个家伙利用了涡流，它描述的是气流在遇上固体 发生的一种空气动力学现象，我们有时又把这种现象称之为卡门涡街。流体绕过非流线形物体时，物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋。 卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学所研究的一种现象。流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时都会产生卡门涡街。

1911年,德国著名科学家冯卡门从空气动力学的观点找到了这种涡旋稳定性的理论根据。对圆柱绕流，涡街的每个单涡的频率f与绕流速度v成正比，与圆柱体直径d成反比，即f=St(v/d)
Sr是斯特劳哈尔数，它主要与雷诺数有关。当雷诺数为300～3×105时,Sr近似于常数值(0.21)；当雷诺数为 3×105～3×106时，有规则的涡街便不再存在；当雷诺数大于3×106时，卡门涡街又会自动出现，这时Sr约为0.27。出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力。如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振,甚至使物体损坏。
其中最著名的莫过于20世纪40年代美国塔科玛峡谷桥（Tacoma Narrow Bridge）风毁事故。
1940年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元，建造了一座主跨度853.4米的悬索桥。建成4个月后，于同年11月7日碰到了一场风速为19米/秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接近9米），直到桥面倾斜到45度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中。
第二次世界大战结束后，人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一开始，就有二种不同的意见在进行争论。—部份航空工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振；而以冯卡门为代表的流体力学家认为，塔科玛桥的主梁有着钝头的H型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡旋脱落，应该用涡激共振机理来解释。冯卡门1954年在《空气动力学的发展》一书中写道：塔科玛海峡大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。设计的人想建造一个较便宜的结构，采用了平钣来代替桁架作为边墙。不幸，这些平钣引起了涡旋的发放，使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象，是振动与涡旋发放发生共振而引起的。
20世纪60年代，经过计算和实验，证明了冯卡门的分折是正确的。塔科玛桥的风毁事故，是一定流速的流体流经边墙时，产生了卡门涡街；卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时，就会发生共振，造成破坏。

卡门涡街不仅在圆柱后出现，也可在其他形状的物体后形成，例如在高层楼厦、电视发射塔、烟囱等建筑物后形成。这些建筑物受风作用而引起的振动，往往与卡门涡街有关。因此，现在进行高层建筑物设计时都要进行计算和风洞模型实验，以保证不会因卡门涡街造成建筑物的破坏。据了解，北京、天津的电视发射塔，上海的东方明珠电视塔在建造前，都曾在北京大学力学与工程科学系的风洞中做过模型实验。
正是受到塔科马峡谷桥事故的不断启发，让建筑师们觉得危险的东西在Vortex Bladeless公司创始人David Suriol、David Yáñez和Raul Ingeniero三个人的眼里却是发展机遇。他们想：“为什么我们不能尝试利用这种能量(涡量)，而不是一味地躲避它。”他们在2010年成立这架公司，目的就是想让这个让物体振动的能量变为可生产利用的东西。
Vortex的结构竟然异常的简单，主要包括了5个部分：基座，发生装置，被动调谐系统，振动杆，桅杆

它的工作原理就是有风时Vortex 利用塔架底部的两个环形相斥磁铁作为非电动马达，当锥体朝其中一个方向摆荡，底部相斥的磁铁便会将其推往另一个方向，因此无论风速如何，锥体本身都能持续产生最大值震荡。一旦锥体开始震荡，震荡时产生的力学能就会透过锥体底部的交流发电机，将力学能转换为电能。
它还不仅仅是没有扇叶，连与之相关的齿轮、螺栓或任何机械零件也都省了，Vortex 风机不须定期润滑，相较于传统风机，维护成本较低，且制造成本约较传统风机减少 51%。此外，运作时完全无声，“无扇叶”的设计对鸟类来说也更为安全。没有了这些易磨损的机械零件的羁绊，连日常管理费用也大打折扣只有原来的80%呢！尽管杆的部分还是耐不住风吹雨打的容易疲劳，特别是更低的部分容易承受更多的力，但是他们送去专业研究机构的数据证实这个压力远未到达材料的疲劳极限，数值模拟的结果显示建好一个Vortex可以用32~96年之久。

三位创始人称，Bortex迷你版大概41英尺(约12.5米)高，在理想状态下(风速大概在26英里/小时左右)最多能捕获40%的风能。在他们的实际场地测试中，Mini版最终捕获的风能比传统螺旋式的少30%，不过这个缺点并不算什么。因为在一根螺旋杆涡轮机占的空间里，Vortex的柱子能立两根。

该公司已经从雷普索尔基金会(Repsol）公司和西班牙政府基金那里募得了1百万美元的资金，他们计划很快就会在美国先试水。最大容量为 1MW，主要适用于大规模发电：大客户、可再生能源的投资商和电力公司；最小容量为 4kW，主要适用于家用或工业发电。

雷普索尔公司（Repsol），成立于1987年9月，是西班牙最大的工业公司，其经营业务包括勘探与生产、炼制与销售、化工、天然气等四个方面。按国际通用的石油储量、石油产量、天然气储量、天然气产量、炼制能力、油品销售量等六项指标综合测算，雷普索尔石油公司在世界石油公司中排名第47位。

牧羊少年

这也是8爷常说的要知识储备，要不不知哪天就被人“动了奶酪”

惯性矩

一起摇摆

毗陵驿

摇摆得有点吓人

Architect

还可以说说“点头鸭”

Architect

卡门涡街是交互出现的，所以才会出现来回震荡。这个闹洞开的好，柱子够高。

biudiu

我上家要哭了

NGC

哈哈哈