馮·卡門渦流

卡門渦流是流體力學中重要的現象，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，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦，經過非線性作用後，形成卡門渦街。如水流過橋墩，風吹過高塔、煙囪、電線等都會形成卡門渦街。卡門渦街有一些很重要的套用，因此有必要了解其研究歷史及有關的套用情況。

基本介紹

• 中文名：馮·卡門渦流
• 適用領域：流體力學
• 發現人：馮·卡門
• 類型：交替旋轉方向的氣流漩渦

簡介

馮卡門渦流是一種交替旋轉方向的氣流漩渦。這種氣流漩渦與形成於超流體內部的漩渦結構存在某種關聯性。前者只需要普通的溫度環境，而後者需要則需要極低的溫度。實驗室使用液態汞來創造出極低的溫度，形成超導態。在這種極端的情況下，電子的流動突然變成毫無阻礙了，稱之為超流體。卡門渦流是流體力學中重要的現象，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，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦，經過非線性作用後，形成卡門渦流。如水流過橋墩，風吹過高塔、煙囪、電線等都會形成卡門渦街。卡門渦街有一些很重要的套用，因此有必要了解其研究歷史及有關的套用情況。

發現人

馮·卡門（Theodore von Kármán 1881~1963）是美籍匈牙利力學家，近代力學的奠基人之一，1881年5月11日生於匈牙利布達佩斯，1963年5月7日卒於德國亞琛。他在美國加州理工學院的研究生中，有中國學者錢學森、郭永懷、錢偉長，以及美籍華人學者林家翹等，他的學術思想對中國力學事業的發展起了積極的作用。他善於透過現象，抓住事物的物理本質，提煉出數學模型，樹立了現代力學中數學理論和工程實際緊密結合的學風，奠定了現代力學的基本方向。他做出了許多卓越的成果，接受過許多國家的勳章，其中包括美國的第一枚國家科學勳章。

脫落頻率

研究表明，在Re=200~15000的範圍內，圓柱體後面的漩渦不斷周期性均勻脫落，漩渦的脫落頻率f與來流速度U成正比，與圓柱體直徑d成反比。而當Re>1000時，斯特勞哈爾數近似等於常數0.21。此時脫落頻率f與來流速度成正比，渦街流量計就是根據這一原理，通過測出流場中繞流圓柱體的漩渦的脫落頻率，從而測量出流速和流量。

引發的共振

如果渦街的交替脫落頻率與物體的聲學駐波頻率相重合，還會出現共振。工業上的預熱器、鍋爐等多由圓管組成，流體繞流圓管時，卡門渦街的交替脫落會引起預熱器箱中氣柱的振動，如果渦街的交替脫落頻率與物體的聲學駐波頻率相重合，就會引發聲學共振，使管箱激烈振動，嚴重時，預熱器管箱振鼓錯開，甚至破裂。如果改變管箱和氣體的固有頻率，使之與卡門渦街的脫落頻率錯開，避免發生共振，則可防止設備的破壞。

形成之謎

如果越來越接近開氏溫標（零下273攝氏度或者460華氏度），液態的氦-4就變成了超流體的狀態了。並呈現出螺旋、捲曲狀態，這個莫名其妙的表征已經困擾了科學家近一個世紀。但是，目前由一組華盛頓大學的物理學家主導的研究小組，使用強大的超級計算機對超流體的物理行為進行模擬。得出的結論是：這些現象都源於一種亞原子顆粒即費米子。
基本粒子中所有的物質粒子都是費米子，包括電子、質子和中子等等，而目前最新的研究發現：在中子星內部就是一種超流態，以每秒幾轉至1千轉速率進行旋轉的中子星或者脈衝星，而這種超流態的表面行為與地球上馮卡門漩渦確有著較大的區別。然而，隨著旋轉速度的增加，就會在產生類似三角形的結構，而這些三角形結構中又會出現一系列小的漩渦。這些三角形以及小漩渦共同構成了超流體的內部結構。如果以不同的速度進行旋轉，又會產生不同相對大小的漩渦。