卡门涡街简介

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���时，才会出现规则的卡门涡街。这个雷诺数很低，为40~150。我们日常看到的流动雷诺数都远大于这个数值，但仍然能看到摆动的尾迹，通常也称为卡门涡街。但这种高雷诺数的情况属于湍流的卡门涡街，已经不是冯·卡门早期研究的那种流动了。

02 卡门涡街的形成

在完全对称的流动条件下会产生卡门涡街这样的不对称性流动，确实是让人惊异的。冯·卡门从理论上证明了，实际上这种交错的涡结构才是稳定的结果。也就是说，无论流场一开始是什么样的，最终都会发展成这样的形式。如果让流体从静止开始运动，相当于雷诺数从零开始增加，就可以看到卡门涡街形成的整个过程。一开始圆柱后面产生一对完全对称且稳定的涡，在外围的剪切力的作用下，这对涡逐渐长大，并最终脱落。但是两个涡同时脱落是不太可能发生的事，总是交替脱落，这就形成了卡门涡街。从另一角度说，因为每个涡都占有一定的空间，如果两侧的涡位于同样的流向位置，尾迹就会宽不少，对外流形成较大的阻碍。在外流的冲刷和挤压作用下，各个涡自适应地寻找自己的最佳嵌入位置，最后就形成了交错排列的形式。

03 卡门涡街的危害

从流体力学的角度来说，要从源头上预防或者减弱卡门涡街带来的危害，可以通过改变雷诺数和建筑物外形来减弱卡门涡街，或者打乱卡门涡街的周期性，减少脉动影响。

明显地改变雷诺数并不现实，建筑物外形也不能大幅度改变，而打乱卡门涡街的周期性比较容易实现。比如，有些圆柱形烟囱外表加装有螺旋形的肋片，就是用来打乱卡门涡街的周期性的。

加了这个东西后，风吹过烟囱仍然会产生卡门涡街，但是在不同的高度上涡脱落不再是同步的了，或者说涡脱落的相位不同了，这样就减弱了气流的脉动力对烟囱的影响。