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[[File:Vortex-street-animation.gif|right]]

'''卡门涡街'''，即'''卡门涡'''、'''卡门涡流'''（'''{{lang|en|Kármán vortex street}}'''、{{lang|en|von Kármán vortex street}}）是一个[[空气动力学]]术语，指流体中安置的阻流体，在特定条件下會出現不穩定的[[邊界層分離]]，阻流体下游的两侧，会产生两道非对称排列的[[旋涡]]，其中一侧的旋涡循时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐，如[[街道]]两边的街灯一般，故名涡街。

该现象由[[匈牙利]]裔[[美国]]空气动力学家[[西奥多·冯·卡门]]最先从理论上阐明而得名。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]]裡，目睹一幅[[聖克里斯多福]]背负[[耶穌]]化身的兒童，赤足渡河的油画，画家画出聖克里斯多福的[[脚]]跟在河水中造成两排交错的旋涡，这是冯·卡门关于卡门涡街论述的最早记录。<ref>Theodore von Karman:Aerodynamics p68  ISBN 0-486-43485-0</ref>

==历史==
[[File:Karman symmetric vortex.jpg|thumb|冯·卡门第一个假设旋涡对称排列]]
[[File:Karman vortex street.jpg|thumb|卡门涡街]]
1911年，[[西奥多·冯·卡门]]在[[德国]][[哥廷根大学]]空气动力学家[[路德维希·普朗特]]手下任助教。当时普朗特正研究[[边界层]]现象，他讓一位攻读博士学位的研究生卡尔·希门茨（Karl Hiemenz）设计一个流水槽，以便观察流水经过一个圆柱体时的边界层，並命希门茨测量圆柱体表面上不同点的[[压力]]。希门茨发现圆柱体表面的压力并非如预期的平稳，而是剧烈地振动。他将这个情况向普朗特汇报，普朗特说，“你的圆柱体显然不圆”。希门茨细心将圆柱体磨了又磨，测了又测，不见改进。冯·卡门走过实验室时不在意地问道：“卡尔，怎么样了”？卡尔答道“还是振动”，过几天又问：“卡尔，怎么样了？”，“还是振动得厉害”。这引起了冯·卡门的注意，他想“也许振动不是偶然的，而是由内在原因决定的”。于是冯·卡门从理论上进行思考，起初他设想圆柱体后的水流形成两道对称排列但反方向的旋涡，但发现这种状态不能维持，很快不稳定。于是他假设两道旋涡交错排列，计算结果表明这种状态能够维持。冯·卡门将计算结果向-{}-导师普朗特报告。普朗特命冯·卡门写出论文发表。这是冯·卡门的第一篇论文<ref>Karman, Th. von,  Uber den Mechanismus des Widerstandes,den ein bewegter Korper in einer Flusigkeit erfarhrt, Gottingen Nachrichten mathematiche-physicalische Klasse (1911) 509-517.</ref>，也是他的成名之作。冯·卡门关于卡门涡街的理论被后来的实验证实。“卡门涡街”的名称，沿用至今。

==卡门涡街形成的条件==
[[File:Vortex-street-1.jpg|thumb|[[美国太空总署]]拍摄的[[智利]]海岸的[[胡安·費爾南德斯群島]]周围的风引起的卡门涡街]]

卡门涡街的形成条件：对于在流体中的圆柱体[[雷诺数]]（47<Re<10<sup>5</sup>）。

*当雷诺数=30时，圆柱体后的液体呈平陆状态；
*当雷诺数=40時，圆柱体后的液体开始出现正弦式波动；
*当雷诺数=47時，圆柱体后的液体，前端仍然呈正弦状，后端则逐渐脱离正弦波动；
*当雷诺数>47時，圆柱体后的液体，出现卡门涡街
*当雷诺数在50至85之间，圆柱体后的液体压力，呈等振幅波动
*当雷诺数=185时，圆柱体后的液体压力，呈非均匀振幅波动。<ref>D.J.Tritton Physical Fluid Dynamics p25, Oxford University Press, 1995 ISBN 0-19-854493-6</ref>

==卡门涡街频率==
卡门涡街起因流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥离，形成交替的涡流。这种交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬间速度不同。流体速度不同，阻流体两侧受到的瞬间压力也不同，因此使阻流体发生振动。振动频率与流体速度成正比，与阻流体的正面宽度成反比。卡门涡街频率与流体速度和阻流体（旋涡发生体）宽度有如下关系<ref>林建忠《流体力学》475 清华大学出版社 ISBN 9787302111641</ref>：

:　f=StV/d
其中：
:  f=卡门涡街频率
:  St=[[斯特劳哈尔数]]（~0.2）
:  V=流体速度
:  d=阻流体迎面宽度

4毫米粗的电线，在每小时90公里的风速下，卡门涡街频率为：

:<math>
f = 0.2 \cdot \frac{25}{0.004}\ \mathrm{Hz} = 1250\ \mathrm{Hz}
</math>. 

[[涡街流量计]]，通过测量卡门涡街频率，测得[[流量]]。

==应用==
[[File:Aeolian harp in the old castle of Baden Baden - Project Gutenberg eText 14097.png|thumb|250px|德国巴登古堡中的风弦琴]]
[[File:Tacoma Narrows Bridge Falling.png|thumb|250px|塔科马海峡吊桥崩塌]]
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]][[瑞利|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]]的发声原理。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產生[[共振]]而发声。中国古代在[[风筝]]上安装竹片，风吹發声如筝<ref>（宋）高承《事物纪原》：“纸鸢其制不一，上可悬灯，又以竹为弦，吹之有声如筝，故又曰风筝”。</ref>，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），用卡门涡街來解释[[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<ref>Theodore von Karman:Aerodynamics p71 ISBN 0-486-43485-0</ref>。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；当时美国一艘[[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。

==建筑物共振及倒塌==
卡门涡街可能導致建筑物发生共振，甚至因此倒塌。最著名的是1940年11月7日[[美国]][[华盛顿州]][[塔科馬海峽吊橋]]（Tacoma Narrow Bridge）崩塌事件，這次事件的過程有完整拍攝成影片。

塔科马海峡吊桥倒塌后第二天，华盛顿州[[州长]]宣布吊桥设计牢靠，计划原样重建。冯·卡门觉得此事不妥，便觅来一个塔科马海峡吊桥模型，放在书桌上，开动电扇吹风，模型开始振动，当振动频率达到模型的固有频时，发生[[共振]]，模型振动剧烈。塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶，正是卡门涡街所引起桥梁共振。

其后冯·卡门令助手在[[加州理工学院]][[风洞]]内，进一步测试塔科马海峡吊桥模型以取得数据，然后发[[电报]]给华盛顿州州长：“如果按旧设计重建一座新桥，那座新桥会一模一样地倒塌”。州长设立塔科马海峡吊桥倒塌事件考察小组，冯·卡门為成员之一。经一番争论，冯·卡门最终说服了当时不懂空气动力学知识的桥梁设计师，在建新桥之前，先将桥梁模型进行[[风洞测试]]。会议决定采用新的设计來避免卡门涡街对桥梁引起的祸害<ref>Theodore von Karman, The Wind and Beyong Chapter 27塔科马海峡吊桥崩塌事件</ref>。

圆柱形的工厂烟囱或[[冷却塔]]也有可能因卡门涡街引起共振而倒塌。1965年11月，英国[[西约克郡]]费里布里奇发电站两座一百多米高的冷却塔，在大风中因卡门涡街引起共振倒塌。解决办法是在烟囱或冷却塔的上端安装螺旋形的扇叶，避免卡门涡街形成。

2020年5月，位於珠江出海口虎門水道的[[虎门大桥]]發生“渦振”，原因是在橋面設置了“[[水馬 (路障)|水馬]]”，改變了橋面的氣動外形<ref>{{Cite web |title=虎门大桥涡振风波 |url=https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7283720 |accessdate=2020-05-07 |date=2020-05-07 |publisher=澎湃新闻 |archive-date=2021-01-22 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210122071318/https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7283720 |dead-url=no }}</ref>。

2021年，位於深圳的[[賽格廣場|賽格大廈]]劇烈搖晃，專家初步估計是由卡門渦街所造成的。<ref>{{Cite web |url=https://china.hket.com/article/2962728/%E6%B7%B1%E5%9C%B3%E8%B3%BD%E6%A0%BC%E5%A4%A7%E5%BB%88%E6%90%96%E6%99%83%E5%85%83%E5%85%87%E6%89%BE%E5%88%B0%EF%BC%9F%E3%80%8C%E5%8D%A1%E9%96%80%E6%B8%A6%E8%A1%97%E3%80%8D%E6%9B%BE%E8%87%B4%E7%BE%8E%E5%A4%A7%E6%A9%8B%E5%80%92%E5%A1%8C%EF%BC%88%E5%A4%9A%E5%9C%96%EF%BC%8C%E6%9C%89%E7%89%87%EF%BC%89 |title=存档副本 |access-date=2021-05-22 |archive-date=2021-05-22 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210522054553/https://china.hket.com/article/2962728/%E6%B7%B1%E5%9C%B3%E8%B3%BD%E6%A0%BC%E5%A4%A7%E5%BB%88%E6%90%96%E6%99%83%E5%85%83%E5%85%87%E6%89%BE%E5%88%B0%EF%BC%9F%E3%80%8C%E5%8D%A1%E9%96%80%E6%B8%A6%E8%A1%97%E3%80%8D%E6%9B%BE%E8%87%B4%E7%BE%8E%E5%A4%A7%E6%A9%8B%E5%80%92%E5%A1%8C%EF%BC%88%E5%A4%9A%E5%9C%96%EF%BC%8C%E6%9C%89%E7%89%87%EF%BC%89 |dead-url=no }}</ref>

==纪念==
1992年匈牙利发行一张冯·卡门纪念邮票，以卡门涡街为背景。<ref>{{Cite web |title= |url=http://www.th.physik.uni-frankfurt.de/~jr/gif/stamps/stamp_karman.jpg |archive-url=https://web.archive.org/web/20060619220801/http://www.th.physik.uni-frankfurt.de/~jr/gif/stamps/stamp_karman.jpg |archive-date=2006-06-19 }}</ref>

==参考文献==
{{reflist|2}}

==外部链接==
{{commons|Von Kármán vortex street|卡门涡街}}
* [http://www.sensorok.com/tech/wjllyl37.htm 涡街流量计]{{Wayback|url=http://www.sensorok.com/tech/wjllyl37.htm |date=20080411102541 }} 

{{Authority control}}
[[Category:流体动力学]]