卡门涡街

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，因此有必要了解其研究历史及有关的应用情况。

定义

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、并排列成有规则的双列线涡。开始时，这两列线涡分别保持自身的运动前进，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性的所谓涡街。卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学所研究的一种现象。流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时都会产生卡门涡街。

1911年，德国科学家T.von卡门从空气动力学的观点找到了这种涡旋稳定性的理论根据。对圆柱绕流，涡街的每个单涡的频率f与绕流速度v成正比，与圆柱体直径d成反比，即f=Sr(v/d)。Sr是斯特劳哈尔数，它主要与雷诺数有关。当雷诺数为300～3×10^5时，Sr近似于常数值(0.21)；当雷诺数为3×10^5～3×10^6时，有规则的涡街便不再存在；当雷诺数大于3×10^6时，卡门涡街又会自动出现，这时Sr约为0.27。出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力。如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振，甚至使物体损坏。这种涡街曾使潜水艇的潜望镜失去观察能力，海峡大桥受到毁坏，锅炉的空气预热器管箱发生振动和破裂。但是利用卡门涡街的这种周期的、交替变化的性质，可制成卡门涡街流量计，通过测量涡流的脱落频率来确定流体的速度或流量。

60年代美国科学家F．H．哈洛等人用高速电子计算机对亚声速流动中的卡门涡街成功地进行了数值模拟。图1给出了数值模拟得到的卡门涡街形成过程示意图，其中a表示两个旋转方向相反的涡层的初始状态；b表示这两个涡层各自作不稳定运动；c表示这两个涡层的不稳定运动相互干扰；d表示卡门涡街形成。

卡门涡街的形成同雷诺数Re有关。当Re为50～300时，从物体上脱落的涡旋是有周期性规律的(图2)；当Re>300时涡旋开始出现随机性脱落；随着Re的继续增大，涡旋脱落的随机性也增大，最后形成了湍流。

卡门在研究了两排直线平行涡丝的稳定性问题后指出，在一般情况下，这种涡街是不稳定的，只有当涡街的空间尺度为h/a=0.281时，对小扰动才是稳定的(图3)。这和实测结果十分接近。