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路人@行者

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日志

 
 

[原创] 诡异的卡门涡街与离奇的塔科马吊桥灾难(1/2)  

2009-03-01 22:08:58|  分类: 04北美专辑 |  标签: |举报 |字号 订阅

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华丽的卡门涡街与离奇的塔科马海峡吊桥灾难
【1卡门涡街】又称 卡门漩涡
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2002年7月5日,在西非海岸附近的Canary海岛上空形成的卡门涡街云。
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美国国家航空航天局拍摄的智利海岸的卡门涡街

【2英文名称】(Karman Vortex Street )
  流体绕过非流线形物体时,物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋。 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。Sr是斯特劳哈尔数,它主要与雷诺数有关。当雷诺数为300~3×105时,Sr近似于常数值(0.21);当雷诺数为 3×105~3×106时,有规则的涡街便不再存在;当雷诺数大于3×106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。
  河水流过障碍物时,经常可见卡门涡街。冯·卡门曾在意大利北部博洛尼亚的一所教堂里,目睹一幅圣克里斯托弗背负少年基督,赤足渡河的油画,画家画出圣克里斯托弗的脚跟在河水中造成两排交错的旋涡,冯·卡门说,这是卡门涡街最早的记录。
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2002年12月1日,Madeira岛上空的卡门涡街。
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中国马家窑文化陶瓷彩绘中的涡旋

【3发现人 冯.卡门 简介】
  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7日卒于德国亚琛。他在美国加州理工学院的研究生中,有中国学者钱学森、郭永怀、钱伟长,以及美藉华人学者林家翘等,他的学术思想对中国力学事业的发展起了积极的作用。他善于透过现象,抓住事物的物理本质,提炼出数学模型,树立了现代力学中数学理论和工程实际紧密结合的学风,奠定了现代力学的基本方向。他做出了许多卓越的成果,接受过许多国家的勋章,其中包括美国的第一枚国家科学勋章。
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一架飞机机翼顶端产生的涡旋中的湍流
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当层流遇到障碍物时转变为湍流

【4卡门涡街研究历史】
  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。
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  冯.卡门出身于奥匈帝国—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,于1908年获得博士学位。冯.卡门1911年时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.卡门当时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,我的假定有点太武断。于是又重新研究一个所有涡旋都能移动的涡系。这样需要稍微复杂一些的数学计算。经过几周后,计算完毕,我写出了第二篇论文。有人问我:‘你为什么在三个星期内提出两篇论文呢?一定有一篇是错的罢’。其实并没有错,我只是先得出个粗略的近似,然后再把它细致化,基本上结果是一样的;只是得到的临界比的数值并不完全相同”。  
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  冯.卡门是针对哈依门兹的水槽实验,进行涡旋排列的研究的。后来人们由于冯.卡门对其机理详细而又成功的研究,将它冠上了卡门的姓氏,称为卡门涡街。
  冯.卡门自己后来在书中写道:“我并不宣称,这些涡旋是我发现的。早在我生下来之前,大家已知道有这样的涡旋。我最早看到的是意大利Bologna教堂中的一张图画。图上画着St.Christopher抱着幼年的耶稣涉水过河。画家在Christopher的赤脚后面,画上了交错的涡旋。”冯.卡门还说,在他之前,有一位英国科学家马洛克(Henry Reginald Arnulpt Mallock 1851~1933)也已观察到障碍物后面交错的涡旋,并摄有照片。又还有一位法国教授贝尔纳(Henry Bénard 1874~1939)也作过关于这一问题的大量研究。只不过贝尔纳主要考察了粘性液体和胶悬溶液中的涡旋,并且其考察的角度是实验物理学的观点多于空气动力学的观点。
  冯.卡门认为他在1911~1912年,对这一问题研究的贡献主要是二个方面:一是发现涡街只有当涡旋是反对称排列,且仅当行列的距离对同行列内相邻两涡旋的间隔有一定的比值时才稳定;二是将涡系所携带的动量与阻力联系了起来。
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德国巴登古堡中的风弦琴

【5卡门涡街的纪念】
1997年匈牙利发行一张冯·卡门纪念邮票,以卡门涡街为背景。

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【6塔科玛桥风毁事故与卡门涡街】
  一座雄伟的单跨桥,居然被一阵并不太大的风吹得像波浪一样起伏,还带有一些摇晃。更离奇的是,居然有段年代久远的录像详细地记录了1940年11月7日,当时享有世界单跨桥之王的塔科马大桥被风吹垮、坍塌的全部过程。在下集,我们将看到离奇的美国塔科玛峡谷桥(Tacoma Narrow Bridge)风毁事故。
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