卡门涡街

1、卡门涡街

在流体中安置阻流体，在特定条件下在阻流体下游的两侧，会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。

　　1911年，西奥多·冯·卡门在德国格丁根大学空气动力学家路德维希·普朗特手下任助教。当时普朗特正研究边界层现象，他命一位攻读博士学位的研究生卡尔·希门茨（KarlHiemenz）设计一个流水槽，以便观察流水经过一个圆柱体时的边界层，并令希门茨测量圆柱体表面上不同点的压力。希门茨发现圆柱体表面的压力并非如预期的平稳，而是剧烈地振动。他将这个情况向普朗特汇报，普朗特说，“你的圆柱体显然不圆”。希门茨细心将圆柱体磨了又磨，测了又测，不见改进。冯·卡门走过实验室时不在意地问道：“卡尔，怎么样了”？卡尔答道“还是振动”，过几天又问：“卡尔，怎么样了？”，“还是振动得厉害”。这引起冯·卡门注意了，他想“也许振动不是偶然的，而是由内在原因决定的”。于是冯·卡门从理论上进行思考，起初他设想圆柱体后的水流形成两道对称排列但反方向的旋涡，但发现这种状态不能维持，很快不稳定。于是他假设两道旋涡交错排列，计算结果表明这种状态能够维持。冯·卡门将计算结果向导师普朗特报告。普朗特命冯·卡门写出论文发表。这是冯·卡门的第一篇论文，也是他的成名之作。冯·卡门关于卡门涡街的理论被后来的实验证实。“卡门涡街”的名称，沿用至今。

2 形成条件 
　　卡门涡街形成的条件：对于在流体中的圆柱体雷诺数(47<Re<107。

　　当雷诺数=30时，圆柱体后的液体呈平陆状态；

　　当雷诺数=40，圆柱体后的液体开始出现正弦式波动；

　　当雷诺数=47，圆柱体后的液体，前端仍然呈正弦状，后端则逐渐脱离正弦波动；

　　当雷诺数>47，圆柱体后的液体，出现卡门涡街

　　当雷诺数在50至85之间，圆柱体后的液体压力，呈等振幅波动

　　当雷诺数=185时，圆柱体后的液体压力，呈非均匀振幅波动。

3 频率 
　　卡门涡街起因流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥离，形成交替的涡流。这种交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬间速度不同。流体速度不同，阻流体两侧受到的瞬间压力也不同，因此使阻流体发生振动。振动频率与流体速度成正比，与阻流体的正面宽度成反比。卡门涡街频率与流体速度和阻流体(旋涡发生体)宽度有如下关系：

　　f=SrV/d

　　其中：

　　f=卡门涡街频率Sr=斯特劳哈尔数(~0.2)V=流体速度d=阻流体迎面宽度

　　4毫米粗的电线，在每小时90公里的风速下，卡门涡街频率为：

　　涡街流量计，通过测量卡门涡街频率，测得流量。
4 应用 
　　卡门涡街可以解释许多现象。在冯·卡门论文发表后，英国物理学家约翰·威廉斯特拉斯·瑞利勋爵最先应用卡门涡街理论，他在1915年发表一篇论文，用卡门涡街的交替旋涡解释风弦琴发声的原理。风弦琴在十八世纪欧洲流行，在木制共鸣箱上安装几条琴弦，风吹琴弦，产生卡门涡街，卡门涡街频率和琴弦的固有频率发生共振而发声。中国古代在风筝上安装竹片，风吹发声如筝，也是卡门涡街原理造成的。其他例子包括风吹电线发声等等。
　　1937年德国物理学家古切（F.Gutsche），用卡门涡街解释为什么船舶的螺旋桨在水中发出的声音。一位法国潜水艇水兵告诉冯·卡门，当他那艘潜艇的航速超过7节时，潜望镜的旋涡和潜望镜的固有频率发生共振，因此潜望镜完全不能使用。1950年英国物理学家卡尔文·冈维尔（CalvinGongwer）用卡门涡街解释为什么船舶的水翼，以及潜水艇的螺旋桨会发出高频率的声音；当时美国一艘核潜艇的螺旋桨就有这个毛病，在水下潜行时容易被敌方的声纳探测出来。他和老师冯·卡门一道研究出改进美国核潜艇的螺旋桨的方法，解决了这个问题。

　　在工业中广泛使用的卡门涡街流量计，就是利用卡门涡街现象制造的一种流量计。它将涡旋发生体垂直插入到流体中时，流体绕过发生体时会形成卡门涡街，在满足一定的条件下，非对称涡列就能保持稳定，此时，涡旋的频率f与流体的流速v及涡旋发生体的宽度d有如下关系：f=St(v/d)

　　其中St为斯特劳哈尔数，在正常工作条件下为常数。

　　卡门涡街流量计有许多优点：可测量液体、气体和蒸汽的流量；精度可达±1%(指示值)；结构简单，无运动件，可靠、耐用；压电元件封装在发生体中，检测元件不接触介质；使用温度和压力范围宽，使用温度最高可达400℃；并具备自动调整功能，能用软件对管线噪声进行自动调整。

5 建筑物倒塌
　　卡门涡街还可能引起建筑物倒塌。最著名的天灾是1940年11月7日美国华盛顿州塔科马海峡吊桥（TacomaNarrowBridge）崩塌事件。塔科马海峡吊桥倒塌后第二天，华盛顿州州长宣布该座吊桥的设计牢靠，计划按同样设计重建。冯·卡门觉得此事不妥，便觅来一个塔科马海峡吊桥模型带回家中，放在书桌上，开动电扇吹风，模型开始振动起来，当振动频率达到模型的固有频时，发生共振，模型振动剧烈。果然不出所料，塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶，正是卡门涡街引起桥梁共振。其后冯·卡门令助手在加州理工学院风洞内，进一步测试塔科马海峡吊桥模型，取得数据，然后发一份电报给华盛顿州州长：“如果按旧设计重建一座新桥，那座新桥会一模一样的倒塌”。州长设立一个塔科马海峡吊桥倒塌事件考察小组，冯·卡门系成员之一。经一番争论，冯·卡门终于说服当时不懂空气动力学知识的桥梁设计师，在建新桥之前，先将桥梁模型进行风洞测试。会议决定采用新的设计避免卡门涡街对桥梁引起的祸害。
　　圆柱形的工厂烟囱或冷却塔也有可能因卡门涡街引起共振而倒塌。1965年11月，英国西约克郡费里布里奇发电站两座一百多米高的冷却塔，在大风中因卡门涡街引起共振倒塌。解决办法是在烟囱或冷却塔的上端安装螺旋形的扇叶，避免卡门涡街形成。