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每日一小知识
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[5],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[6]。1950年英国物理学家卡尔文·冈维尔(Calvin Gongwer)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;当时美国一首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。
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(Tacoma Narrow Bridge)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[7]。
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。
 
 
 
流体绕曲面运动时,很容易产生边界层分离,尤其是绕流体为不良的流线型柱体时,旋涡分离会更加强烈。
根据实验观察,当流体绕过非流线型柱体时,由于边界层的不稳定性,使流动分离产生的旋涡有一定的规律。当雷诺数较高时,旋涡在柱体的某一侧形成并分离时,则另一侧就不可能形成旋涡,而只为旋涡形成与分离做准备。只有当某一侧旋涡离开柱体一定距离后,另一侧才可能形成旋涡,于是在柱体两侧形成交替的、有规律的旋涡列,这就是涡街。
斯特劳哈尔首次用试验方法发现阻流体后方尾流的涡动具有周期性规律之后30多年,卡曼通过大量试验,观察涡街的稳定性,并发现两列旋涡间距离与同一列旋涡的间距存在一个恒定的比例......。涡街流量计就是利用卡曼的涡街理论制作而成的。
 
 



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