卡门涡街实验
卡门涡街现象
F/A-8大黄蜂战斗机，以超音速飞行时，造成了音爆并在视觉上 产生了烟雾的效果。
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A U.S. Air Force B-2 Spirit and two B117A Nighthawks fly in formation
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Sculpture inside the "Kármán Auditorium" at RWTH Aachen University
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冯·卡门1881年5月11日出生在奥匈帝国 布达佩斯一个犹太家庭，他曾在布达佩斯 的皇家技术大学，也就是现在的布达佩斯 技术经济大学学习工程。1902年毕业后， 他师从于哥廷根大学的路德维希·普朗特, 并在1908年获得博士学位。在哥廷根教了 4年书后，1912年他在德国最好的大学之 一亚琛工业大学的航空动力研究所获得主 任的职位。1915-1918年，在奥匈帝国军 队的服役，中止了他在亚琛工业大学设计 早期直升机的生活，最终他与1930年离开 亚琛工业大学。
穿上消防服张明珠与男兵一起值班。
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课外参考系列之一
卡门涡街现象
以此缅怀追求科学真理的先人们; 并向为实现中国梦而奋斗的人们 致以崇高的敬意！
卡门涡街原理
卡门涡街原理
卡门涡街原理是一种流体动力学现象，指的是在流体穿过一个窄缝或者绕过一
个圆柱体时，会产生一系列的交替旋转的涡流。
这一现象最早由匈牙利科学家卡门在20世纪20年代发现并描述，因此得名为卡门涡街。
卡门涡街原理在工程学和物理学中有着广泛的应用。
在建筑设计中，我们可以
利用卡门涡街原理来减小建筑物受风的阻力，减小风压对建筑物的影响。
在风力发电机的设计中，也可以利用卡门涡街原理来提高风力发电机的效率。
此外，在汽车、飞机等交通工具的设计中，也可以利用卡门涡街原理来减小空气阻力，提高运行效率。
卡门涡街原理的产生机理主要是由于流体在穿过窄缝或者绕过圆柱体时，会形
成交替的压力区和吸力区。
当流体通过窄缝或者绕过圆柱体时，由于流速的增大和减小，会导致压力的变化，从而形成交替的涡流。
这些交替的涡流会产生一种周期性的力，称为卡门涡街力，这种力会影响到流体的运动状态。
在实际应用中，我们可以通过改变窄缝的宽度、改变圆柱体的直径或者改变流
体的流速来控制卡门涡街的产生。
通过合理地设计和控制，我们可以利用卡门涡街原理来达到我们想要的效果，比如减小阻力、提高效率等。
总的来说，卡门涡街原理是一种重要的流体动力学现象，它在工程学和物理学
中有着广泛的应用。
通过对卡门涡街原理的研究和应用，我们可以不断地改进和优化各种工程设计，提高能源利用效率，降低能源消耗，推动工程技术的发展。
希望通过本文的介绍，读者们对卡门涡街原理有了更深入的了解，也能够在实
际应用中更好地利用这一原理，为工程技术的发展做出更大的贡献。
流体力学科普卡门涡街简介
流体力学科普卡门涡街简介在流过圆柱的水流上游释放染色剂，就可以看到水流绕过圆柱后形成的卡门涡街，条件是流动的雷诺数要大概在40~150的范围内。
导读冯·卡门在普朗特的指导下，于1908年获得博士学位后，留在哥廷根大学当助教。
1911年的时候，普朗特让博士生哈依门兹在水槽流动中观察圆柱后面的流动分离。
但哈依门兹在进行实验时，发现圆柱后的尾迹总是在不断地摆动。
一开始普朗特怀疑是圆柱体不够圆或者水槽不对称导致的，可是，无论哈依门兹怎么改进实验装置，水流还是在继续摆动。
冯·卡门当时每天去关心哈依门兹的工作，他想，如果水流始终在摆动，可能这就是一个必然的现象。
利用周末的时间，冯·卡门试着计算了一下涡系的稳定性。
得到的结论是：从圆柱脱落的涡如果是对称排列，那就是不稳定的，一定会发展为某种反对称排列的模式。
星期一上班时，冯·卡门向普朗特报告了这一计算结果，普朗特鼓励他把发现写成文章发表出来。
后来人们就把这种现象冠上了卡门的姓氏，称为卡门涡街。
冯·卡门本人并没有宣称这些涡旋是他发现的，因为确实人们很早就在自然界中观察到了这种现象，比如达·芬奇的画中就有一些。
但冯·卡门第一次从理论上证明了：只有当旋涡是反对称排列，且满足某一分布规律时，流动才是稳定的。
01卡门涡街现象在某些条件下，本来均匀而稳定的流动绕过物体时，会在物体的两侧周期性地脱落转向相反的旋涡，这些旋涡在物体的后部形成有规则的交错排列状态。
第一个系统地解释这个现象的人是著名的空气动力学家冯·卡门（Von Karman），并且因为旋涡有规则地交错排列在尾迹两侧，就像街道两边的路灯一样，所以取名为卡门涡街。
各种形状物体的下游都有可能出现卡门涡街，因为圆柱形状最简单，所以多数研究都是基于圆柱后面的流动来进行的。
物体后部是否会出现卡门涡街主要取决于流动的雷诺数，只有当雷诺数处于特定范围时，才会出现规则的卡门涡街。
和用卡门涡街的实例
和用卡门涡街的实例
卡门涡街的经典案例-塔科马海峡大桥坍塌
物理上，所有的流体流动都是三维的，因此需要用三维模型来分析一般的流体，特别是那些涉及复杂几何形状的流体。
然而，在某些情况下，可以作出适当的假设，将一个3d问题降低到2维(2d)，以简化其分析或数值分析。
一般来说，如果一个方向的流场梯度远小于另外两个方向的流场梯度，则可以用二维平面或轴对称假设来证明。
例如，流过光滑球面的斯托克斯(或蠕变)流在周向上具有零梯度，因此对流动的轴对称假设是适当的。
另一个经典的场景是两个平行平板之间的库埃特流，这可以近似一个二维平面模型。
在这个例子中，一个非定常流动的二维数值模拟圆柱是完成的。
采用二维平面假设是因为与其他两个方向相比，沿圆柱轴向的流动梯度可以忽略不计。
通过将模型降低到二维，非定常周期性涡脱落过程可以以一种经济有效的方式进行模拟和分析，相比于一个完整的三维模型，这些结果可以用于生成一个冯卡门涡街的动画可视化形式。
卡门涡街的Comsol仿真实验报告
课程名称：大学物理实验（二）实验名称：卡门涡街的Comsol仿真图3.1卡门涡街仿真图四、实验内容及步骤：4.1建模本实验的的建模与仿真可分为八步：1.模型向导2.参数定义3.几何建模4.材料设置5.层流设置6.划分网格7.研究求解8.结果分析操作步骤：1.模型向导1)打开COMSOL软件，在新建窗口中单击模型向导；2)在模型向导窗口中，单击二维；3)在选择物理场树中双击流体流动单相流层流；4)单击添加，然后单击下方的研究；5)在选择研究中选择一般研究瞬态；6)单击底部的完成；2.参数定义1)在左侧模型开发器窗口的全局定义节点下，单击参数1；2)在参数的设置窗口中，定位到参数栏；3)在表中输入以下设置：图4.1 设置示范图4)在左侧主屏幕工具栏中单击f(x)函数，选择全局阶跃；5)在阶跃的设置窗口中，定位到参数栏；6)在位置文本框中输入0.1；3.几何建模1)在上方的几何工具栏中单击矩形；图4.2 建模完成后图材料设置在模型开发器窗口的组件(comp1)节点下，右键单击材料并选择空材料；在材料的设置窗口中，定位到材料属性明细栏；图4.3 设置示范图图层流设置在模型开发器窗口的组件1(comp1)节点下，右键单击层流(spf)并选择入口；在入口的设置窗口中，边界选择栏里选择边界1（单击右侧图形窗口里矩形的左边界即可）在入口的设置窗口中，定位到速度栏，在U0文本框中输入图4.4 划分网格后的图形在模型开发器窗口的研究节点下，单击步骤1: 瞬态；图6.3升力系数随时间的变化由图5.1可知，升力系数的大小在前0.5s几乎为0，0.5s到3.5s升力系数大幅不断变大然后减小，同时升力系数的峰值和谷值的绝对值都在变大，而且峰值和谷值的绝对值近似相等，3.5s到5.0s力系数的峰值和谷值的绝对值缓慢增大，直到5.0s时都取到最大约0.89，此后5.0s到7.0s升力系数在峰值和谷值的绝对值的最大值之间波动。
作出曳力系数随时间变化图图6.4 曳力系数随时间的变化由图5.2可知，曳力系数在0.5s前就从0急剧变大至约3.1，随后在0.5s到3.5s缓慢且小幅减小再增大至约3.17，在3.5s到7.0s时，曳力系数仅在3.17之间微小波动。
卡门涡街的原理及其应用 (2)
卡门涡街的原理及其应用1. 卡门涡街的原理介绍卡门涡街是由卡门效应（卡门涡街效应）衍生而来的一种现象。
卡门效应是流体力学中的一个重要现象，在流体通过一个圆柱体时会形成旋涡街。
卡门涡街是一种产生周期性旋涡的现象，具有较高的频率和可控性。
2. 卡门涡街的工作原理卡门涡街的工作原理是基于卡门效应。
当流体通过圆柱体时，由于流体的惯性和黏性，会形成一个交替排列的旋涡结构，即卡门涡街。
旋涡的形成和脱落会产生涡旋相关的压力变化，从而加速或减缓流体的流动速度。
3. 卡门涡街的应用卡门涡街作为一种流体控制技术，具有广泛的应用前景。
3.1 消除尾迹卡门涡街可以通过调节圆柱体的形状和流体参数，使得涡旋脱落的频率和幅度控制在合适的范围内。
利用卡门涡街可以有效地消除飞行器、汽车等高速运动物体的尾迹，降低气动阻力和噪声，提高运动物体的效能和稳定性。
3.2 增强传热效率由于卡门涡街的涡旋结构，可以增强传热介质与换热表面的接触，提高传热效率。
因此，卡门涡街在热交换器、反应器等领域有着重要的应用价值。
3.3 减小湍流卡门涡街还可以通过激励的方式减小湍流，提高流体流动的稳定性。
这在风力发电、能源输送等领域具备重要的应用潜力。
4. 卡门涡街的优势和挑战卡门涡街作为一种先进的流体控制技术，具有以下的优势和挑战：4.1 优势•卡门涡街具有较高的可控性和可调节性，可以根据不同的需求进行调整。
•卡门涡街技术相对成熟，已经在多个领域得到了应用验证。
•卡门涡街的应用可以有效降低能耗和环境污染。
4.2 挑战•卡门涡街技术的理论研究和工程应用还有待进一步深入。
•卡门涡街的优化设计和参数选择需要大量的试验和实际操作经验。
•卡门涡街技术的经济性和持续性还需要进一步探索和改进。
5. 结论卡门涡街是一种基于卡门效应的流体控制技术，具有广泛的应用前景。
通过消除尾迹、增强传热效率和减小湍流等方式，卡门涡街可以对流体进行有效控制，提高系统性能和能源利用效率。
尽管卡门涡街技术还面临一些挑战，但相信随着技术的不断进步和创新，卡门涡街技术将在更多领域发挥重要作用。
卡门涡街的原理
卡门涡街的原理卡门涡街是在流体力学领域中研究的重要现象，常被用来解释和描述一系列发生在绕流物体周围的涡旋形成、交替洗涤以及可能的不稳定振动现象。
本文将详细介绍卡门涡街的原理。
卡门涡街最早是由荷兰科学家和工程师泽尔肯（Theodor von Kármán）在1911年发现的。
他在进行实验的过程中发现一个特殊的渠道集合体在流体流过时会形成一系列的涡旋脱落，这些涡旋随着时间的推移周期性地离开流体中心，并在后方以不稳定的方式相互作用。
卡门涡街的形成可归于流体动力学中的不稳定性。
当流体流经绕流物体，比如圆柱体或圆球体时，会发生流体分离现象。
在低速流动条件下，当流体流动到绕流物体的前缘时，由于惯性和黏性的作用，流体流动方向改变，流体会流聚在绕流物体的前面，导致背压增加。
同时，绕流物体后缘附近的背压降低，产生低压区域。
低压区域会吸引高压区域中的流体，导致流体形成一条旋涡，绕流物体后缘附近的低压区域跟着移动。
绕流物体前后出现的高压和低压区域随着流体的移动在空间中周期性地重复，从而形成一系列的旋涡。
卡门涡街的形成与两个主要因素密切相关：雷诺数和卡门编号。
雷诺数（Reynolds number）是一个无量纲数，用于描述流体流动发生的惯性和黏性相互作用。
当雷诺数较低时，流体黏性的作用比惯性作用更加重要，流体流动比较平稳，涡旋形成的机会较少；而当雷诺数较高时，惯性作用比黏性作用更加重要，流体流动相对更加复杂，涡旋形成的机会增加。
卡门编号（Strouhal number）是描述涡旋脱落频率的无量纲数。
卡门涡街中的涡旋脱落频率与流体速度、绕流物体的尺寸等因素有关，卡门编号可以用来表示涡旋脱落频率与这些参数之间的关系。
在具体的实验中，当雷诺数适中，并且绕流物体的尺寸和流体速度也适当时，卡门涡街现象会更加明显。
涡旋脱落频率与流体速度、绕流物体的尺寸之间存在一个特定的关系，这个关系可以通过实验测量得到。
实验中常常利用烟雾或染料追踪流体的流动，通过记录涡旋脱落的频率和相互作用的规律，可以得到卡门涡街的一些重要特性。
卡门涡街的慢不稳定性
初始时，给出x和y方向上的位移扰量ξ和η，取 r0a = ������2 + ������2分别为0.01a，0.005a和0.001a，而 ������ = tg−1(������/������)分别为：0°，45°，90°，135°， 180°，225°，270°和315°。
四、卡门涡街的慢不稳定性
1、无穷小扰量数值分析
定义一个与实验观察相一致的表明失稳的准则。当涡街中各涡位移量的Euler范数（D）超过某事先给定的值 （D0）时，涡街呈现失稳；而当D<D0时认为涡街是稳定的。取时间不长Δt=0.005(a/v).
1）λ=2a，D0=0.1a 2）λ=3a，D0=0.1a 3）λ=4a，D0=0.15a 其中，λ为波长。 结果表明，1）除b/a=0.2805外，都不稳定
四、卡门涡街的慢不稳定性
结果表明： λ=2a，所有b/a都不稳定
λ=3a时的原来对无穷小扰动是 稳定的，在有限扰动情况下也 不稳定了。
失稳时间随扰动大小r0和扰动 方位角的不同而不同。
四、卡门涡街的慢不稳定性
可以看到，对于有限大小的扰动量，卡门涡街失稳最慢时的尺寸比b/a 介于0.3~0.4之间，已不再是0.2805，这就提供了一个解释：为什么物理实 验和数值计算中比较稳定的涡街尺寸比都大于0.2805，其实流动中（无论 是物理的还是数值计算的）扰动总是个有限大小的量，因而其稳定性也必 然表现为这种有限扰动的稳定性。
三、卡门涡街的应用
2、风弦琴
伦敦金丝雀码头矗立的巨型风弦琴名为埃俄罗斯。
三、卡门涡街的应用
3、华盛顿州塔科马海峡吊桥
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卡门涡街
一、实验现象
首先，把小纸条在无风处竖直放置，观察到纸片是静止的。
然后，将吹风机调至低风速档，将纸片放在吹风机下面，风从纸片正上方往下吹，先将纸片放在离吹风口远一点的位置，纸片还是基本静止的；慢慢靠近风口，由于实验存在误差，纸片会有一点微小的摆动，但是纸片的振幅不会太大。
由此可以观察到当风速比较低时，纸片基本上还是静止的。
最后，把吹风机打到高风速挡，这个时候可以观察到纸片中部振幅波动大，后头尾巴会明显摆出。
二、实验原理
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，风吹过高层楼厦、电视塔捆囱、电线等都部会形成卡门涡街。
一个轴对称的圆形物体受到风的作用，如果风的速度小于某个值，它的流线如下图(a)所示；随着流速的增大在它的尾部出现了一个气流的涡旋（如下图(b)），这个涡旋会脱落，每次脱落的时候它都会交替的出现，尾部的涡在脱落的过程造成的负压力出现周期性的变化，最后出现下图(d)(e)的情况。
三、原理应用
实际上，卡门涡街并不全是会造成不幸的事故，它也有很成功的应用。
比如己在工业中广泛使用的卡门涡街流量计，就是利用卡门涡街现象制造的一种流量计。
它将涡旋发生体垂直插入到流体中时，流体绕过发生体时会形成卡门涡街，在满足一定的条件下，非对称涡列就能保持稳定，此时，涡旋的频率f与流体的流速v成正比，与涡旋发生体的正面宽度d成反比，可用公式表示为：
f=Stv/d
其中St为斯特劳哈尔数，在正常工作条件下为常数。
卡门涡街流量计有许多优点：可测量液体、气体和蒸汽的流量；精度可达±1%(指示值)；结构简单，无运动件，可靠、耐用；压电元件封装在发生体中，检测元件不接触介质；使用温度和压力范围宽，使用温度最高可达400℃；并具备自动调整功能，能用软件对管线噪声进行自动调整。
四、教学建议
1.应该建立一个丰富的知识数据库，给学生提供课内学习外的一些资源；
2.课程时间持续过长，两个小时多次上课更好
3.老师们确实应该加强计算机技术的学习了。