卡门涡街应用 漫话卡门涡街及其应用
摘 要 根据冯·卡门的著作,阐述了卡门涡街研究的历史。讨论了卡门涡街的应用。 关键词 冯·卡门 卡门涡街 涡旋 共振 流量计
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。
卡门涡街的研究历史
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一,1881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。他出身于奥匈帝国—个教育学教授的家庭,1902年毕业于布达佩斯皇家工学院,1906年去德国哥廷根(Göttingen)大学求学,在普朗特(Ludwig Prandtl 1875~1953)教授的指导下,完成了关于柱体塑性区内屈曲问题的论文,于1908年获得博士学位。
1911年时,他在哥廷根大学当助教。普朗特教授当时的研究兴趣,主要集中在边界层问题上。普朗特交给博士生哈依门兹(Karl Hiemenz )的任务,是设计一个水槽,使能观察到圆柱体后面的流动分裂,用实验来核对按边界层理论计算出来的分裂点。
为此,必须先知道在稳定水流中圆柱体周围的压力强度如何分布。哈依门兹做好了水槽,但出乎意外的是在进行实验时,发现在水槽中的水流不断地发生激烈的摆动。
哈依门兹向普朗特教授报告这一情况后,普朗特告诉他:“显然,你的圆柱体不够圆”。可是,当哈依门兹将圆柱体作了非常精细的加工后,水流还是在继续摆动。普朗特又说:“水槽可能不对称”。哈依门兹于是又开始细心地调整水槽,但仍不能解决问题。
冯·卡门当時所做的课题与哈依门兹的工作并没有关系,而他每天早上进实验室时总要跑过去问:“哈依门兹先生,现在流动稳定了没有?”哈依门兹非常懊丧地回答:“始终在摆动”。
这时冯·卡门想,如果水流始终在摆动,这个现象一定会有内在的客观原因。在一个周末,冯·卡门用粗略的运算方法,试计算了一下涡系的稳定性。他假定只有一个涡旋可以自由活动,其他所有的涡旋都固定不动。然后让这一涡旋稍微移动一下位置,看看计算出来会有什么样的结果。
冯·卡门得到的结论是:如果是对称的排列,那么这个涡旋就一定离开它原来的位置越来越远;而对于反对称的排列,虽然也得到同样的结果,但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值对,这涡旋却停留在它原来位置的附近,并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。
星期一上班时,冯·卡门向普朗特教授报告了他的计算结果,并问普朗特对这一现象的看法如何?普朗特说,“这里面有些道理,写下来罢,我把你的论文提交到学院去”。冯·卡门后来回忆时,对此事写道:“这就是我关于这一问题的第一篇论文。之后,我觉得,我的 1
