杭州锐达数字技术有限公司
声振论坛 首页 基础理论 流体力学 查看内容

浅谈什么是卡门涡街

2019-12-31 12:28| 发布者: weixin| 查看: 87| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 卡门涡街是流体力学中重要的现象,在自然界中常可遇到。
1.png
冯·卡门 (Theodore von Kármán 1881~1963),1881年5月11日生于匈牙利布达佩斯,1963年5月6日卒于德国亚琛。美籍匈牙利力学家,近代力学的奠基人之一,是钱学森、钱伟长、郭永怀和林家翘的导师。

大家了解卡门涡街了吗?小编今天将与大家一起走进马宏伟教授的课堂一起来认识卡门涡街。美国华盛顿州的Tacoma Narrow桥,于1940年7月建成,全长1810.2米,最大跨度:853.4米,是当时世界上最长的悬索大桥。1940年11月7日,在42英里/小时(相当于20m/s)风速的作用下,导致桥面折断坠落到峡谷中。

Tacoma Narrow桥的桥面是水平的,风也是水平吹过来的,为什么会发生上述扭转的摆动,导致最后桥的坍塌呢?这是由于在风的作用下产生的卡门涡街,涡作用以后使得桥面周期性出现上下的作用力。
2.png
如上图所示,把桥作为一个横断面,风沿着水平方向吹过来,为什么却出现了扭转摆动的情况?实际上,这是由于在桥面的上流线经过的过程中横断面上边产生了一个涡,这个涡离开以后,另一边又产生了一个涡,这些涡上下交替出现,使得桥不断的摆动,并且摆的幅度越来越大,当和桥的共振频率、扭转频率一致时,桥就会出现扭转摆动的情况。这就是著名的卡门涡街。

卡门涡街定义:
3.gif
https://dwz.cn/g4wDeN6C

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,风吹过高层楼厦、电视塔捆囱、电线等,都会形成卡门涡街。卡门涡街的图片十分漂亮,有时可当作为艺术品来欣赏。

举个例子,下图是一个轴对称的圆形物体受到风的作用,如果风的速度小于某个值,它的流线如下图(a) 所示;随着流速的增大在它的尾部出现了一个气流的涡旋(如下图(b)),这个涡旋会脱落,每次脱落的时候它都会交替的出现,尾部的涡在脱落的过程造成的负压力出现周期性的变化,最后出现下图(d)(e)的情况。
4.png
https://dwz.cn/C3l0ZeXQ

其实生活中常用的工具就能观察到卡门涡街,只需要一个吹风机和一个小纸条就能够做到,步骤如下:

1、首先,把小纸条在无风处竖直放置,观察到纸片是静止的。

2、然后,将吹风机调至低风速档,将纸片放在吹风机下面,风从纸片正上方往下吹,先将纸片放离吹风口远一点的位置,纸片还是基本静止的;慢慢靠近风口,由于实验存在误差,纸片会有一点微小的摆动,但是纸片的振幅不会太大。由此可以观察到当风速比较低时,纸片基本上还是静止的。

3、最后,把吹风机开到高风速挡,这个时候可以观察到纸片中部振幅波动大,后头尾巴会明显摆出,这也就是卡门涡街。
5.png

6.png
2009年美国宇航局卫星拍摄的扬曼因岛后面的卡门涡街

7.png
2007年美国“陆地卫星7”拍摄的阿留申群岛后的卡门涡街
https://dwz.cn/ii2UWf8l

参考文献:
王振东. 漫话卡门涡街及其应用[J]. 力学与实践, 2006, 28(1):88-90.
唐静静,范钦珊 — —《工程力学》(静力学和材料力学)第3版

来源:力学趣话微信公众号

最新评论

返回顶部