在一定條件下的定常來流繞過某些物體時,物體兩側會週期性地脫落出旋轉方向相反、並排列成有規則的雙列線渦。開始時,這兩列線渦分別保持自身的運動前進,接著它們互相幹擾,互相吸引,而且幹擾越來越大,形成非線性的所謂渦街。著名的美籍匈牙利力學傢T.von卡門曾最先對出現在圓柱繞流尾流區的兩組這種規則排列的線渦作瞭深入分析,後人便把它們稱為卡門渦街。(見彩圖)

無攻角平板後面的卡門渦街

超聲速(Ma=2.1)平板尾流中的卡門渦街 邢維復供稿

超聲速(Ma=2.1)平板尾流中的卡門渦街與激波相互作用 邢維復供稿

  60年代美國科學傢F.H.哈洛等人用高速電子計算機對亞聲速流動中的卡門渦街成功地進行瞭數值模擬。圖1給出瞭數值模擬得到的卡門渦街形成過程示意圖,其中a表示兩個旋轉方向相反的渦層的初始狀態;b表示這兩個渦層各自作不穩定運動;c表示這兩個渦層的不穩定運動相互幹擾;d表示卡門渦街形成。

  卡門渦街的形成同雷諾數Re有關。當Re為50~300時,從物體上脫落的渦旋是有周期性規律的(圖2);當Re>300時渦旋開始出現隨機性脫落;隨著Re的繼續增大,渦旋脫落的隨機性也增大,最後形成瞭湍流。

  卡門在研究瞭兩排直線平行渦絲的穩定性問題後指出,在一般情況下,這種渦街是不穩定的,隻有當渦街的空間尺度為

=0.281時,對小擾動才是穩定的(圖3)。這和實測結果十分接近。

  在自然界中常常可以看到卡門渦街現象。例如水流過橋墩,定常風吹過煙囪、電線等都會形成卡門渦街。由於在物體兩側不斷產生新的渦旋,必然耗損流動的機械能,從而使物體遭受阻力。當渦旋脫落頻率接近於物體固有頻率時,共振響應可能會引起結構物的破環。風吹過電線時發出的嗡鳴聲就是由於電線受渦街作用而產生的受迫振動引起的。

  對低亞聲速圓柱繞流產生的卡門渦街的研究已十分完善,但是對超聲速流動產生的卡門渦街的研究隻是在80年代以來才取得進展。人們已從實驗中拍攝到超聲速流動中的卡門渦街以及超聲速流動中卡門渦街和激波相互作用的圖像(見彩圖)。但是,由於卡門渦街和湍流的機制十分復雜,對它的完善解釋尚待進一步研究。

超聲速(Ma=2.1)平板尾流中的卡門渦街

超聲速(Ma=2.1)平板尾流中的卡門渦街與激波相互作用