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【转】卡门涡街及其应用 / 作者:王振东

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冯·卡门(Theodore von Kármán 1881-1963)是美藉匈牙利力学家,近代力学的奠基人之一,是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀在美国加州理工学院时的导师。
卡门涡街是流体力学中重要的现象。在自然界中常可遇到,在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,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,经过非线性作用后,形成卡门涡街。如水流过桥墩,风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。卡门涡街有一些很重要的应用,因此在学习流体力学时,有必要了解其研究历史及有关的应用情况。



1楼2011-07-15 19:05回复



    2楼2011-07-15 19:06
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      冯·卡门自己后来在书中写道:“我并不宣称,这些涡旋是我发现的。早在我生下来之前,大家已知道有这样的涡旋。我最早看到的是意大利Bologna教堂中的一张图画。图上画着St.Christopher抱着幼年的耶稣涉水过河。画家在Christopher的赤脚后面,画上了交错的涡旋。”冯·卡门还说,在他之前,有一位英国科学家马洛克(Henry Reginald Arnulpt Mallock 1851-1933)也已观察到障碍物后面交错的涡旋,并拍摄有照片。又还有一位法国教授贝尔纳(Henry Bénard 1874-1939)也作过关于这一问题的大量研究。只不过贝尔纳主要考察了黏性液体和胶悬溶液中的涡旋,并且其考察的角度是实验物理学的观点多于空气动力学的观点。
      冯·卡门认为他在1911-1912年,对这一问题研究的贡献主要是二个方面:一是发现涡街只有当涡旋是反对称排列,且仅当行列的距离对同行列内相邻两涡旋的间隔有一定的比值时才稳定;二是将涡系所携带的动量与阻力联系了起来。
      


      3楼2011-07-15 19:07
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        4楼2011-07-15 19:07
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          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。20世纪60年代,我国曾在北京郊区建造了一座高达325米的气象塔,以研究北京地区的大气污染情况。该塔用15根纤绳固定在地面上,是当时亚洲最高的气象塔。但在竣工不久便出现了奇怪的现象:在天气晴朗、微风吹拂时,高塔发生振动,伴之有巨大轰鸣声,使附近居民感到担心;而在刮风下雨的恶劣天气,反倒无事。经过科研人员的详细测量和分析,终于弄清了这一现象的原因,是在那样的风速下,气流在塔的纤绳这一柱体上发放涡旋,形成了卡门涡街,其频率又与纤绳的自振频率相耦合而发出了轰鸣声。
          1912年,冯·卡门的论文发表不久,时任英国Cambridge大学校长的力学家、物理学家瑞利(John William Strut Rayleigh, 1842-1919)爵士就指出,这些交错的涡旋必定就是风吹竖琴(Aeolian harp)发音(线鸣)的原因。冯·卡门也说:“有人想必还记得双翼机的线鸣现象,这声音就来自涡旋的周期性发放”。
          葛威尔(Gongwer,C.A)曾通过实验,指出了水下交通工具的某些短撑有时会唱出很高的音调,原因就在于短撑后面没有合适的锐利边缘,以致周期性发放涡旋而引起振动。顾策(Gutsche,F)所发现的船下推进器的唱音,冯·卡门认为也可以这样来解释。
          有一个法国海军工程师告诉冯·卡门,当某一潜艇在潜航速率超过7海里时,潜望镜忽然完全失去作用。冯·卡门认为,这是因为镜筒发放周期性的涡旋,在一定速率下,涡旋发放的频率和镜筒的自然振动频率发生了共鸣。由于同样的原因,无线电天线塔也会在天然风中发生共鸣振动;输电线的低频振动也与发放涡旋有关系。
          有趣的是,冯·卡门1954年所写的《空气动力学的发展》一书中,在列举了塔科玛桥风毁及—些由卡门涡街引起的事故后,曾幽默风趣地说,“我永远准备对卡门涡街所造成的其他不幸事故负责”。
          


          5楼2011-07-15 19:08
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            实际上,卡门涡街并不全是会造成不幸的事故,它也有很成功的应用。比如己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,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,使用温度最高可达摄氏400度;并具备自动调整功能,能用软件对管线噪声进行自动调整。1.Theodore von Kármán,Aerodynamics :Selected Topics in the Light of their Historical Development,Cornell University Press ,1954。中译本:江可宗译,空气动力学的发展,上海:上海科学技术出版社,1962
            2.周光坰、严宗毅、许世雄、章克本,流体力学(第二版),北京:高等教育出版社,2000
            (原刊登于《力学与实践》2006年28卷1期)
            


            6楼2011-07-15 19:09
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              流体党表示看起来很亲切


              IP属地:河北7楼2011-07-15 20:08
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                对哦,这篇介绍的满不错的


                8楼2011-07-15 21:31
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                  我们学校有俩教授貌似就在搞这个的研究。。


                  IP属地:四川来自手机贴吧9楼2011-07-16 00:03
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