卡門渦街:流體力學中一種難以置信的奇觀,它究竟是怎麼形成的?

2020-12-06 七月冬雪講航空

卡門渦街:流體力學中一種難以置信的奇觀,它既是大自然不經意間的巧奪天工,又給人類帶來過巨大災難。

卡門渦街的形成原理

當流體繞流一個無限長的圓柱體時, 將發生邊界層分離, 並在柱後形成旋渦, 增大機械能量的損失。在了解卡門渦街前,我們需要先科普一下流體力學中的一個概念:流體雷諾數,流體雷諾數是流體在運動過程中其慣性力與粘滯力的比值,流體雷諾數Re=ρvd/μ,如果流體雷諾數很小,那就表示流體在運動時其粘滯力要大於慣性力,流體將趨於穩定流動,如果流體雷諾數很大,那就表示運動的流體其慣性力要大於粘滯力,流體運動不穩定,容易出現紊亂的紊流流場。

實驗證明, 在流體雷諾數Re=60~5000的範圍內,圓柱體後面出現兩列多少有些規則的旋渦列。兩列旋渦的旋轉方向相反,上面的一列均按順時針方向旋轉,下面的一列循逆時針方向旋轉;上下兩列的漩渦交替地排列著。這種十分整齊排列著的,像街道般的漩渦列被稱為"渦街"。因為在1912年美國物理學家卡門最先研究了這一現象,所以這種現象又被稱卡門渦街。

卡門渦街不只是在流體繞流圓柱體時出現,在流體繞流三角柱、四角柱時也會發生。應當指出, 並不是任何情況下都能形成渦街。對於一定形狀的物體和不同的流體,渦街的形成, 取決於雷諾數的大小。若雷諾數很低將不發生邊界層分離,沒有旋渦形成(或只在圓柱後形成一對尾渦);若流速極大(Re數很大),旋渦流動極其多變而又雜亂無章,便無法實現渦街的整齊排列。

下面,讓我們來欣賞一些卡門渦街的圖片

2007 年美國"陸地衛星7"拍攝的阿留申群島後的卡門渦街

在美國宇航局於2009 年5 月公布所選出的50年十佳地球衛星照片中, 排名在首位的照片是"陸地衛星7"在2007 年拍攝的這張照片,在北太平洋阿留申群島後形成的卡門渦街可謂蔚為壯觀。

揚曼因島上的卡門渦街

這是衛星使用光譜成像儀與北極圈附近拍攝的一張照片,從北極圈吹來的寒風遇到了格陵蘭島上空的溼潤空氣形成了積雲,積雲在揚曼因島的北面被分割,在積雲經過揚曼因全島後在其的南部又重新回合匯攏。在下風處,當積雲從揚曼因島上的巖石表面經過時,就會形成連續的螺旋形狀的渦旋,這渦旋也就是我們提到的卡門渦街,在這張圖片的左上角,我們可以清晰的看到由皚皚白雪覆蓋的格陵蘭島以及它的海岸線、海冰,格陵蘭島是世界上第一大島,格陵蘭全島幾乎都位於北極圈內,

不知道讀者朋友們對卡門渦街是否感興趣呢?為什麼氣流繞過鈍體後面會形成這種周期性的漩渦呢?卡門渦街又是在什麼條件下能產生呢?其中蘊含的道理,如邊界層脫落又是什麼呢?你是否知道卡門渦街不止美麗,他還給人類帶來過巨大災難呢?限於篇幅的原因,下一期我們將給大家從理論的角度帶講解這種神奇現象的產生原理。喜歡的朋友們可以訂閱我們,保證第一時間看到我們的科普文章。

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    虎門大橋橋面異常抖動 渦振背後是一種「卡門渦街效應」 什麼是卡門渦街效應? 「卡門渦街效應」由錢學森、郭永懷、錢偉長等人的老師、美籍匈牙利裔流體力學大師馮·卡門發現,用於描述空氣等流體通過物體後出現渦旋脫落。這些漩渦脫落的頻率會橋梁的固有頻率形成共振。
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    那麼什麼是卡門渦街,它有什麼樣子的危害呢?實際上,這是由於在橋面的上流線經過的過程中橫斷面上邊產生了一個渦,這個渦離開以後,另一邊又產生了一個渦,這些渦上下交替出現,使得橋不斷的擺動,並且擺的幅度越來越大,當和橋的共振頻率、扭轉頻率一致時,橋就會出現扭轉擺動的情況。這就是著名的卡門渦街。卡門渦街定義卡門渦街是流體力學中重要的現象,在自然界中常可遇到。
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    當流體流經一個物體的時候可以形成卡門渦街,這種旋渦可能會引起物體的振動。
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    錢學森(中)與馮卡門(右)關於馮·卡門的故事有很多,以他的名字命名的理論、發明、現象也很多,比如說「馮卡門曲線」、「卡門旋成體」、「卡門-錢學森公式」等等,而我們今天要說的,是生活中經常可見的一個現象:「卡門渦街」。
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    該現象的學名為「卡門渦街」,是流體力學中很重要的一個現象,發現人叫做西奧多·馮·卡門。馮·卡門是美籍匈牙利力學家,近代力學的奠基人之一。他也是20世紀最偉大的航天工程學家,我國著名的科學家錢學森、錢偉長、郭永懷都是他的弟子。1991年,馮·卡門在哥廷根大學擔任著名力學家普朗特的助教。
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