卡门涡街现象 卡门涡街可以解释许多现象

2018-01-20
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文章简介：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

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。 卡门涡街交替脱落时会产生振动, 并发出声响效应, 这种声响是由于卡门涡街周期性脱落时 引起的流体中的压强脉动所造成的声波, 如日常生活中所听到的风吹电线的风鸣声就是涡街 脱落引起的。

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。