《发明创新设计及实践》结课作业姓名：侯明泰学号：1562162232序号：8号1.提出问题2.描述问题3.国内外研究情况及发展水平4.提出解决问题的两条技术路线，并比较其优缺点5.最终结果1.提出问题为什么高层楼厦、电视发射塔、烟囱及桥梁等在大风刮的时候会产生振动，并发出声响效应，日常生活中所听到的风吹电线的风鸣声？2.描述问题高层楼厦、电视发射塔、烟囱以及其他悬挂在高空中的东西当有大风的时候会产生振动，并发出声响效应，日常生活中所听到的风吹电线的风鸣声，桥物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，线等都会形成卡门涡街。

3.国内外研究情况及发展水平国内研究情况及发展水平：在中国随着计算机技术、通讯技术及集成电路技术的发展,传统的工业控制系统开始向网络化和开放性发展。

顺应这一形势发展起来的现场总线技术是今自动控制和计算机网络领域发展的热点,它被称为开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络。

现场总线的出现使得传统的工业仪表测控系统在性能上出现了巨大的飞跃。

本文通过大量的工业现场试验,根据产品在开发实验中出现的问题,完成了对一期开发的“低功耗智能涡街流量计”性能的改进任务在此基础上,进一步将处理器、网络通信、通讯协议等嵌入式系统技术应用于高端涡街流量计的开发,改善了传统的涡街流量计的数据显示和通讯的方式,使得涡街流量计更具智能化和网络化的功能,对于提高我国涡街流量计的研究和开发的技术水平具有积极意义和重要的应用价值。

论文的主要研究工作如下在总结一期开发工作和查阅国内外资料的基础上,对涡街流量计的智能数据处理系统进行了改进,并对现场总线的现状及特点进行了详细的介绍。

设计了基于北京华荣汇通信器材公司生产的的无线通讯模块,提出了利用一,全球移动通信系统短消息业务实现数据的远程通信，以达到流量计量的目的。

具有实现简单、数据传输可靠、不受地域环境限制等特点。

设计了基于协议的涡街流量计的有线通讯模块和主从分布式数据采集的通讯系统。

该系统可在总线上进行远距离多点半双工数据传输,满足了居民小区、大型工业企业等对区域性网络化流量检测技术的需求。

流量检测系统上位微机管理软件采用工控组态软件—组态王进行设计,界面友好,功能完备,操作简便。

系统具有可靠性、可维护性、安全性及较强的操作性,实现了涡街流量计管理手段的现代化与自动化。

目前涡街流量计信号采集电路和低功耗型转换显示电路已经进入生产阶段,投入了市场。

两种网络监控系统也正在现场运行和调试当中,其中网络监控系统己经在沧州自来水厂试运行,目前运行了个月,一切正常。

基于协议的网络监控系统也正在河北宏业机械股份有限公司仪表研究所实验室进行调试。

本文提出的基于和协议的两种网络监控方式不但适用于涡街流量计也同样适用于其他类型的流量计,在工业测控领域有着广泛的应用前景。

关键词涡街流量计,现场总线,协议,,组态软件要有一定的升角，来产生涡旋与雷诺数有关，雷诺数Re满足一定条件，让相邻两涡旋错开一定的比值，涡旋的中心点对齐。

国外研究情况及发展水平：美国宇航局2009年5月公布所选出的50年十佳地球卫星照片,排在十佳第一张的照片是“陆地卫星7号”2007年拍摄的这张照片(图1),它展示了一排涡旋正在交替改变向前运行的方向,这正是“冯·卡门涡街”。

当风或者洋流被岛屿挡住去路时,会出现这种图形。

此图片中的这些卡门涡街,是当风吹过太平洋北部向东运行过程中,遇到阿留申群岛时形成的。

实际上,也还有另外一些卫星拍摄到了很清晰的卡门涡街照片。

2009年2月24日,来自北方的冷空气(可能是来自格陵兰的重力风)遭遇格陵兰海域上空的潮湿空气,在扬曼因(Jan Mayen)岛附近上空形成了一排排的积云。

扬曼因岛阻碍了风的行进,对天气也施加了影响。

就像水流会分开绕过河里的巨石一样,吹来的风也会在扬曼因岛的北面分叉,然后在它的南面又再次汇拢。

在扬曼因岛的下风处,当冷空气从岩石表面刮过时,形成了一连串螺旋状的涡旋,这也正是卡门涡街。

在图片的左上角,可以看到一小片白雪覆盖的格陵兰岛的海岸线以及海冰。

在靠近海岸线的地方还有许多巨大而不规则的浮冰漂浮着。

这张照片是由美国宇航局卫星上的中等分辨率成像光谱仪拍摄的。

还有两张卫星拍摄的照片,也很清楚地看到了卡门涡街,它们分别是在智利和日本的小岛后面形成的。

这些卫星拍摄的卡门涡街照片,引起了人们对冯·卡门和卡门涡街进一步了解的兴趣。

对冯·卡门的成长有很好的影响。

冯·卡门6岁时就能对5位数的乘法略一思索就报出答案来。

父亲对冯·卡门最大的帮助和培养是启发他对知识的好奇心。

16岁的冯·卡门在1898年11月进了布达佩斯皇家工学院(布达佩斯工学院的前身),他的第一篇论文是在班基教授指导下完成的。

这篇论文分析了发动机的一种常见故障———进、排气阀门的振动和噪音,1902年冯·卡门以优异的成绩大学毕业。

1906年去德国哥廷根(Göttingen)大学求学,在普朗特(Ludwig Prandtl1875—1953)教授的指导下,完成了关于柱体塑性区内屈曲问题的论文,于1908年获得博士学位。

哥廷根大学高雅的学术气氛使他着迷,在普朗特和D·希尔伯特、F·克莱因等科学大师的影响下,打下了雄厚的基础。

后来有一次在观看欧洲飞行表演时,引起了对飞机的兴趣,从而开始悉心研究空气动力学,冯·卡门的注意力逐渐转移到了航空科学上来。

美国塔科玛峡谷桥(Tacoma Nar-row Bridge)风毁事故的惨痛教训,使人们认识到卡门涡街对建筑安全上的重要作用。

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 m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 m/s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 m),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。

当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片,记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程,它后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。

人们在调查这一事故收集历史资料时,惊异地发现:从1818年到19世纪末,由风引起的桥梁振动己至少毁坏了11座悬索塔科玛桥的坍塌。

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:塔科玛海峽大桥的毁坏,是由周期性涡旋的共振引起的。

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特交给博士生哈依门兹（Karl Hiemenz ）的任务，是设计一个水槽，使能观察必须先知道在稳定水流中圆柱体周围的压力强度如何分布。

哈依门兹做好了水槽，依门兹向普朗特教授报告这一情况后，普朗特告诉他：“显然，你的圆柱体不够圆”。

可是，当哈依门兹将圆柱体作了非常精细的加工后，水流还是在继续摆动。

普朗特又说：“水槽可能不对称”。

哈依门兹于是又开始细心地调整水槽，但仍不能解决问题。

冯卡门当时所做的课题与哈依门兹的工作并没有关系，而他每天早上进实验室时总要跑过去问：“哈依门兹先生，现在流动稳定了没有？”哈依门兹非常懊丧地回答：“始终在摆动”，这时冯卡门想，如果水流始终在摆动，这个现象一定会有内在的客观原因。

在一个周末，冯卡门用粗略的运算方法，试计算了一下涡系的稳定性。

他假定只有一个涡旋可以自由活动，其他所有的涡旋都固定不动。

然后让这一涡旋稍微移动一下位置，看看计算出来会有什么样的结果。

冯卡门得到的结论是：如果是对称的排列，那么这个涡旋就一定离开它原来的位置越来越远；而对于反对称的排列，虽然也得到同样的结果，但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值对，这涡旋却停留在它原来位置的附近，并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。

星期一上班时，冯卡门向普朗特教授报告了他的计算结果，并问普朗特对这一现象的看法如何？普朗特说，“这里面有些道理，写下来罢，我把你的论文提交到学院去”。

冯卡门后来回忆时，对此事写道：“这就是我关于这一问题的第一篇论文。

之后，我觉得，我的假定有点太武断。

于是又重新研究一个所有涡旋都能移动的涡系。

这样需要稍微复杂一些的数学计算。

期内提出两篇论文呢？一定有一篇是错的罢’。

其实并没有错，我只是先得出个粗略的近似，然后再把它细致化，基本上结果是一样的；只是得到的临界比的数值并不完全相同”。

比如：作者：Jennyfool卡门涡街是流体遇到障碍物时在障碍物后产生两道非对称地排列的旋涡，其中一侧的旋涡循时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐，如街道两边的街灯般，这种现象，因匈牙利裔美国空气动力学家西奥多·冯·卡门最先从理论上阐明而得名卡门涡街。

图一中即为圆柱障碍物后（下游）的卡门涡街。

一方面，卡门涡街会引发障碍物的震动，在桥梁设计，高层建筑设计中都必须要考虑到；另一方面卡门涡街会使障碍物后方流体形成一个反向的流动，根据作用力反作用力原理（动量守恒），这会使障碍物受到一个阻力。

在空气中因为气体密度很小这股流动的作用力不是很显著，但换成水流这个力就不可小视了。

一个直观的理解就是如果人在水里把水往怀里抱，水向自己流，自然就会受到一个与水流方向相反的力。

可是这跟鱼有什么关系？有人一定想说，“我知道了，鱼要避免这样的情况产生，所以都进化出了流线型，不会在身后产生卡门涡街。

”对了一半，鱼的流线型的确避免了产生阻力的卡门涡街，但是它瞄准了这个力，想要为自己所用。