卡门涡街:流体力学中一种难以置信的奇观,它既是大自然不经意间的巧夺天工,又给人类带来过巨大灾难。
卡门涡街的形成原理
当流体绕流一个无限长的圆柱体时, 将发生边界层分离, 并在柱后形成旋涡, 增大机械能量的损失。在了解卡门涡街前,我们需要先科普一下流体力学中的一个概念:流体雷诺数,流体雷诺数是流体在运动过程中其惯性力与粘滞力的比值,流体雷诺数Re=ρvd/μ,如果流体雷诺数很小,那就表示流体在运动时其粘滞力要大于惯性力,流体将趋于稳定流动,如果流体雷诺数很大,那就表示运动的流体其惯性力要大于粘滞力,流体运动不稳定,容易出现紊乱的紊流流场。
实验证明, 在流体雷诺数Re=60~5000的范围内,圆柱体后面出现两列多少有些规则的旋涡列。两列旋涡的旋转方向相反,上面的一列均按顺时针方向旋转,下面的一列循逆时针方向旋转;上下两列的漩涡交替地排列着。这种十分整齐排列着的,像街道般的漩涡列被称为"涡街"。因为在1912年美国物理学家卡门最先研究了这一现象,所以这种现象又被称卡门涡街。
卡门涡街不只是在流体绕流圆柱体时出现,在流体绕流三角柱、四角柱时也会发生。应当指出, 并不是任何情况下都能形成涡街。对于一定形状的物体和不同的流体,涡街的形成, 取决于雷诺数的大小。若雷诺数很低将不发生边界层分离,没有旋涡形成(或只在圆柱后形成一对尾涡);若流速极大(Re数很大),旋涡流动极其多变而又杂乱无章,便无法实现涡街的整齐排列。
下面,让我们来欣赏一些卡门涡街的图片
2007 年美国"陆地卫星7"拍摄的阿留申群岛后的卡门涡街
在美国宇航局于2009 年5 月公布所选出的50年十佳地球卫星照片中, 排名在首位的照片是"陆地卫星7"在2007 年拍摄的这张照片,在北太平洋阿留申群岛后形成的卡门涡街可谓蔚为壮观。
扬曼因岛上的卡门涡街
这是卫星使用光谱成像仪与北极圈附近拍摄的一张照片,从北极圈吹来的寒风遇到了格陵兰岛上空的湿润空气形成了积云,积云在扬曼因岛的北面被分割,在积云经过扬曼因全岛后在其的南部又重新回合汇拢。在下风处,当积云从扬曼因岛上的岩石表面经过时,就会形成连续的螺旋形状的涡旋,这涡旋也就是我们提到的卡门涡街,在这张图片的左上角,我们可以清晰的看到由皑皑白雪覆盖的格陵兰岛以及它的海岸线、海冰,格陵兰岛是世界上第一大岛,格陵兰全岛几乎都位于北极圈内,
不知道读者朋友们对卡门涡街是否感兴趣呢?为什么气流绕过钝体后面会形成这种周期性的漩涡呢?卡门涡街又是在什么条件下能产生呢?其中蕴含的道理,如边界层脱落又是什么呢?你是否知道卡门涡街不止美丽,他还给人类带来过巨大灾难呢?限于篇幅的原因,下一期我们将给大家从理论的角度带讲解这种神奇现象的产生原理。喜欢的朋友们可以订阅我们,保证第一时间看到我们的科普文章。
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七月冬雪讲航空

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困难的克星,我就是要变成这样
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