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  愛長豆的女孩 2009-04-26 00:00:00

  [編輯本段]【卡門渦街】 又稱 卡門漩渦 [編輯本段]【英文名稱】(Karman Vortex Street ） 流體繞過非流線形物體時，物體尾流左右兩側(cè)產(chǎn)生的成對的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的反對稱渦旋。 卡門渦街是粘性不可壓縮流體動力學(xué)所研究的一種現(xiàn)象。流體繞流高大煙囪、高層建筑、電線、油管道和換熱器的管束時都會產(chǎn)生卡門渦街。1911年，德國科學(xué)家T.von卡門從空氣動力學(xué)的觀點找到了這種渦旋穩(wěn)定性的理論根據(jù)。對圓柱繞流，渦街的每個單渦的頻率f與繞流速度v成正比，與圓柱體直徑d成反比，即。Sr是斯特勞哈爾數(shù)，它主要與雷諾數(shù)有關(guān)。當(dāng)雷諾數(shù)為300～3×105時，Sr近似于常數(shù)值(0.21)；當(dāng)雷諾數(shù)為 3×105～3×106時，有規(guī)則的渦街便不再存在；當(dāng)雷諾數(shù)大于3×106時，卡門渦街又會自動出現(xiàn)，這時Sr約為0.27。出現(xiàn)渦街時，流體對物體會產(chǎn)生一個周期性的交變橫向作用力。如果力的頻率與物體的固有頻率相接近，就會引起共振，甚至使物體損壞。這種渦街曾使?jié)撍У臐撏R失去觀察能力，海峽大橋受到毀壞，鍋爐的空氣預(yù)熱器管箱發(fā)生振動和破裂。但是利用卡門渦街的這種周期的、交替變化的性質(zhì)，可制成卡門渦街流量計，通過測量渦流的脫落頻率來確定流體的速度或流量。 [編輯本段]【發(fā)現(xiàn)人馮•卡門簡介】 馮•卡門（Theodore von Kármán 1881~1963）是美藉匈牙利力學(xué)家，近代力學(xué)的奠基人之一，1881年5月11日生于匈牙利布達(dá)佩斯，1963年5月7日卒于德國亞琛。他在美國加州理工學(xué)院的研究生中，有ZG學(xué)者錢學(xué)森、郭永懷、錢偉長，以及美藉華人學(xué)者林家翹等，他的學(xué)術(shù)思想對ZG力學(xué)事業(yè)的發(fā)展起了積極的作用。他善于透過現(xiàn)象，抓住事物的物理本質(zhì)，提煉出數(shù)學(xué)模型，樹立了現(xiàn)代力學(xué)中數(shù)學(xué)理論和工程實際緊密結(jié)合的學(xué)風(fēng)，奠定了現(xiàn)代力學(xué)的基本方向。他做出了許多zhuo越的成果，接受過許多國家的勛章，其中包括美國的diyi枚國家科學(xué)勛章。 [編輯本段]【卡門渦街的研究歷史】 卡門渦街是流體力學(xué)中重要的現(xiàn)象，在自然界中常可遇到，在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側(cè)會周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經(jīng)過非線性作用后，形成卡門渦街。如水流過橋墩，風(fēng)吹過高塔、煙囪、電線等都會形成卡門渦街?？ㄩT渦街有一些很重要的應(yīng)用，因此有必要了解其研究歷史及有關(guān)的應(yīng)用情況。 馮•卡門出身于奧匈帝國—個教育學(xué)教授的家庭，1902年畢業(yè)于布達(dá)佩斯工學(xué)院，1906年去德國哥廷根（Göttingen）大學(xué)求學(xué)，在普朗特（Ludwig Prandtl 1875~1953）教授的指導(dǎo)下，于1908年獲得博士學(xué)位。馮•卡門1911年時在哥廷根大學(xué)當(dāng)助教，普朗特教授當(dāng)時的研究興趣，主要集中在邊界層問題上。普朗特交給博士生哈依門茲（Karl Hiemenz ）的任務(wù)，是設(shè)計一個水槽，使能觀察到圓柱體后面的流動分裂，用實驗來核對按邊界層理論計算出來的分裂點。為此，必須先知道在穩(wěn)定水流中圓柱體周圍的壓力強度如何分布。哈依門茲做好了水槽，但出乎意外的是在進行實驗時，發(fā)現(xiàn)在水槽中的水流不斷地發(fā)生激烈的擺動。 哈依門茲向普朗特教授報告這一情況后，普朗特告訴他：“顯然，你的圓柱體不夠圓”。可是，當(dāng)哈依門茲將圓柱體作了非常精細(xì)的加工后，水流還是在繼續(xù)擺動。普朗特又說：“水槽可能不對稱”。哈依門茲于是又開始細(xì)心地調(diào)整水槽，但仍不能解決問題。 馮•卡門當(dāng)時所做的課題與哈依門茲的工作并沒有關(guān)系，而他每天早上進實驗室時總要跑過去問：“哈依門茲先生，現(xiàn)在流動穩(wěn)定了沒有？”哈依門茲非常懊喪地回答：“始終在擺動”。 這時馮•卡門想，如果水流始終在擺動，這個現(xiàn)象一定會有內(nèi)在的客觀原因。在一個周末，馮•卡門用粗略的運算方法，試計算了一下渦系的穩(wěn)定性。他假定只有一個渦旋可以自由活動，其他所有的渦旋都固定不動。然后讓這一渦旋稍微移動一下位置，看看計算出來會有什么樣的結(jié)果。馮•卡門得到的結(jié)論是：如果是對稱的排列，那么這個渦旋就一定離開它原來的位置越來越遠(yuǎn)；而對于反對稱的排列，雖然也得到同樣的結(jié)果，但當(dāng)行列的間距和相鄰渦旋的間距有一定比值對，這渦旋卻停留在它原來位置的附近，并且圍繞原來的位置作微小的環(huán)形路線運動。 星期一上班時，馮•卡門向普朗特教授報告了他的計算結(jié)果，并問普朗特對這一現(xiàn)象的看法如何？普朗特說，“這里面有些道理，寫下來罷，我把你的論文提交到學(xué)院去”。馮•卡門后來回憶時，對此事寫道：“這就是我關(guān)于這一問題的diyi篇論文。之后，我覺得，我的假定有點太武斷。于是又重新研究一個所有渦旋都能移動的渦系。這樣需要稍微復(fù)雜一些的數(shù)學(xué)計算。經(jīng)過幾周后，計算完畢，我寫出了第二篇論文。有人問我：‘你為什么在三個星期內(nèi)提出兩篇論文呢？一定有一篇是錯的罷’。其實并沒有錯，我只是先得出個粗略的近似，然后再把它細(xì)致化，基本上結(jié)果是一樣的；只是得到的臨界比的數(shù)值并不完全相同”。 馮•卡門是針對哈依門茲的水槽實驗，進行渦旋排列的研究的。后來人們由于馮•卡門對其機理詳細(xì)而又成功的研究，將它冠上了卡門的姓氏，稱為卡門渦街。 馮•卡門自己后來在書中寫道：“我并不宣稱，這些渦旋是我發(fā)現(xiàn)的。早在我生下來之前，大家已知道有這樣的渦旋。我Z早看到的是意大利Bologna教堂中的一張圖畫。圖上畫著St.Christopher抱著幼年的耶穌涉水過河。畫家在Christopher的赤腳后面，畫上了交錯的渦旋。”馮•卡門還說，在他之前，有一位英國科學(xué)家馬洛克（Henry Reginald Arnulpt Mallock 1851~1933）也已觀察到障礙物后面交錯的渦旋，并攝有照片。又還有一位法國教授貝爾納（Henry Bénard 1874~1939）也作過關(guān)于這一問題的大量研究。只不過貝爾納主要考察了粘性液體和膠懸溶液中的渦旋，并且其考察的角度是實驗物理學(xué)的觀點多于空氣動力學(xué)的觀點。 馮•卡門認(rèn)為他在1911~1912年，對這一問題研究的貢獻主要是二個方面：一是發(fā)現(xiàn)渦街只有當(dāng)渦旋是反對稱排列，且僅當(dāng)行列的距離對同行列內(nèi)相鄰兩渦旋的間隔有一定的比值時才穩(wěn)定；二是將渦系所攜帶的動量與阻力聯(lián)系了起來。 [編輯本段]【塔科瑪橋風(fēng)毀事故與卡門渦街】 20世紀(jì)40年代，美國塔科瑪峽谷橋（Tacoma Narrow Bridge）風(fēng)毀事故的慘痛教訓(xùn)，使人們認(rèn)識到卡門渦街對建筑安全上的重要作用。 1940年，美國華盛頓州的塔科瑪峽谷上花費640萬美元，建造了一座主跨度853.4米的懸索橋。建成4個月后，于同年11月7日碰到了一場風(fēng)速為19米/秒的風(fēng)。雖風(fēng)不算大，但橋卻發(fā)生了劇烈的扭曲振動，且振幅越來越大（接近9米），直到橋面傾斜到45度左右，使吊桿逐根拉斷導(dǎo)致橋面鋼梁折斷而塌毀，墜落到峽谷之中。當(dāng)時正好有一支好萊塢電影隊在以該橋為外景拍攝影片，記錄了橋梁從開始振動到Z后毀壞的全過程，它后來成為美國聯(lián)邦公路局調(diào)查事故原因的珍貴資料。人們在調(diào)查這一事故收集歷史資料時，驚異地發(fā)現(xiàn)：從1818年到19世紀(jì)末，由風(fēng)引起的橋梁振動己至少毀壞了11座懸索橋。 第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，人們對塔科瑪橋的風(fēng)毀事故的原因進行了研究。一開始，就有二種不同的意見在進行爭論?！糠莺娇展こ處熣J(rèn)為塔科瑪橋的振動類似于機翼的顫振；而以馮卡門為代表的流體力學(xué)家認(rèn)為，塔科瑪橋的主梁有著鈍頭的H型斷面，和流線型的機翼不同，存在著明顯的渦旋脫落，應(yīng)該用渦激共振機理來解釋。馮•卡門1954年在《空氣動力學(xué)的發(fā)展》一書中寫道：塔科瑪海峽大橋的毀壞，是由周期性旋渦的共振引起的。設(shè)計的人想建造一個較便宜的結(jié)構(gòu)，采用了平鈑來代替桁架作為邊墻。不幸，這些平鈑引起了渦旋的發(fā)放，使橋身開始扭轉(zhuǎn)振動。這一大橋的破壞現(xiàn)象，是振動與渦旋發(fā)放發(fā)生共振而引起的。 20世紀(jì)60年代，經(jīng)過計算和實驗，證明了馮•卡門的分折是正確的。塔科瑪橋的風(fēng)毀事故，是一定流速的流體流經(jīng)邊墻時，產(chǎn)生了卡門渦街；卡門渦街后渦的交替發(fā)放，會在物體上產(chǎn)生垂直于流動方向的交變側(cè)向力，迫使橋梁產(chǎn)生振動，當(dāng)發(fā)放頻率與橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率相耦合時，就會發(fā)生共振，造成破壞。 卡門渦街不僅在圓柱后出現(xiàn)，也可在其他形狀的物體后形成，例如在高層樓廈、電視發(fā)射塔、煙囪等建筑物后形成。這些建筑物受風(fēng)作用而引起的振動，往往與卡門渦街有關(guān)。因此，現(xiàn)在進行高層建筑物設(shè)計時都要進行計算和風(fēng)洞模型實驗，以保證不會因卡門渦街造成建筑物的破壞。據(jù)了解，北京、天津的電視發(fā)射塔，上海的東方明珠電視塔在建造前，都曾在北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系的風(fēng)洞中做過模型實驗。 [編輯本段]【卡門渦街的應(yīng)用：卡門渦街流量計 】 實際上，卡門渦街并不全是會造成不幸的事故，它也有很成功的應(yīng)用。比如己在工業(yè)中廣泛使用的卡門渦街流量計，就是利用卡門渦街現(xiàn)象制造的一種流量計。它將渦旋發(fā)生體垂直插入到流體中時，流體繞過發(fā)生體時會形成卡門渦街，在滿足一定的條件下，非對稱渦列就能保持穩(wěn)定，此時，渦旋的頻率f與流體的流速v及渦旋發(fā)生體的寬度d有如下關(guān)系： f=St(v/d) 其中St為斯特勞哈爾數(shù)，在正常工作條件下為常數(shù)。 卡門渦街流量計有許多優(yōu)點：可測量液體、氣體和蒸汽的流量；精度可達(dá)±1%(指示值)；結(jié)構(gòu)簡單，無運動件，可靠、耐用；壓電元件封裝在發(fā)生體中，檢測元件不接觸介質(zhì)；使用溫度和壓力范圍寬，使用溫度Z高可達(dá)400℃；并具備自動調(diào)整功能，能用軟件對管線噪聲進行自動調(diào)整。

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  a7584001 2009-04-28 00:00:00

  我突然發(fā)現(xiàn)貝爾納漩渦和貝納爾對流是兩個東西……

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  ag980610 2009-04-28 00:00:00

  流體繞過非流線形物體時，物體尾流左右兩側(cè)產(chǎn)生的成對的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的反對稱渦旋。 卡門渦街是粘性不可壓縮流體動力學(xué)所研究的一種現(xiàn)象

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  甘*57144 2009-05-11 00:00:00

  卡門渦街流量計有許多優(yōu)點：可測量液體、氣體和蒸汽的流量；精度可達(dá)±1%(指示值)；結(jié)構(gòu)簡單，無運動件，可靠、耐用；壓電元件封裝在發(fā)生體中

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