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发展我国东南沿海风电: zlyang 2020-7-8 19:49; 发展我国东南沿海风电近海有风。季风空间相关性预报，可靠性高。抽水储能。利用潮汐表，间接利用潮汐能。低风速，降低机械转动惯量。台风，卡门涡街发电。再大风，板振发电。近海，不争耕地。特别是近海岛屿。储能。; 个人分类: 风电功率预测|11 个评论

[汇报] 关于发展我国东南沿海风电的一些个人想法: zlyang 2020-7-1 15:45; 汉语是联合国官方正式使用的 6 种同等有效语言之一。请不要歧视汉语！ Chinese is one of the six equally effective official languages of the United Nations. Not to discriminate against Chinese, please! 关于发展我国东南沿海风电的一些个人想法由于所谓“学术道德”的限制，使我不能在这里说破。为了可读性，下文采用的是网上搜索来的图片（不是专业图片）。感谢原作者！一、今后200年时间，风能是我国东南沿海首选的可再生能源（1）中国的能源需求：中华人民共和国生态环境部，国家核安全局中国大陆核电厂分布图（截至2020年4月27日） http://nnsa.mee.gov.cn/hdcfbt/ 2017年中国各省用电量中国天然气分布图图片（2）世界与中国的太阳能分布 http://photonics101.com/images/articles/disadvantages-of-solar-energy/3tier_solar_irradiance_smaller.jpg The Disadvantages of Solar Energy, Solar Energy Production needs Sunlight 注：上图里未画出国界。裁剪出的中国部分（太阳辐射量），地表中国季风区与年降水量（3）我国东部沿海的风能分布中国近海5 ~ 20米水深海域内100米高度年平均风功率密度分布上海附近的海岸线风能分布（上图裁剪出）可见，在化石能源的可用量有限的条件下，我国东部的能源消费区（基本上处在季风区）的太阳能可用量和密度，都不如风能。二、东南沿海风能利用设想 2.1 沿着海岸线建立风电群特别是近海风电：（1）能量大。海面上风大；进入陆地后明显减小。（2）沿海风电，基本上不争地（不与农业争用耕地）。 2.2 小风（低风速）的发电在 3~12m/s 以外的风速下，设计小风和大风风力发电机。小风（低风速）风机，增大叶片面积，缩短叶片长度。重点是降低叶片等旋转部件的机械转动惯量。叶片向大蒲扇靠近。现有叶片的设计理论是风机的机翼，受风面积偏小，使得功率曲线往往不到风速的三次方。 2.3 大风的发电在 3~12m/s 以外的风速下，设计小风和大风风力发电机。（1）大风时，现有风机的叶片变短、变窄，减小刚度（增加弹性变形能力）。（2）大风时，利用卡门涡街的新型风机。当风速较大时，改进现有的卡门涡街发电。当风速更大时，直接利用板振发电：不是利用卡门涡街后部的风振动，而是直接利用阻杆bluff自身的振动或摆动。研制专用的弧线发电机，可能效率更高。弧线发电机：定子呈弧线状。实际上是常见旋转发电机中取出的一个片段。用于卡门涡街驱动的风电，特别是直接板振发电。和常规风机配合使用，可以在“小风”、“中风”、“大风”、“灾害性大风”条件，都能利用风能。保持风电的不间断供给。利用季风的空间相关性，可以可靠地提高发电的预测准确性和可靠性。有风可用，而且风电预测准确，是我国季风区沿海（尤其是海上风电）得天独厚的能源优势！三、对环境的影响（1）沿着海岸线，特别是发展近海海上风电，基本不占耕地，而且可以离居民点、海水养殖等较远。噪音等危害小。（2）我国东部沿海，基本上处在季风区。冬季风、夏季风大体南北向刮风，对地球自转等影响小。结论：合理布局，在200年的时间内，沿海风电的环境影响可以容忍。 NOAA 地表矢量风速平均值（1948-01 ~ 2019-12）。注：上图里未画出国界。从上图可见，欧美地区大量使用风电，会对地球自转、大气环流等产生不利影响。真傻计划成立《维护地球自转公司》和《维护地球表层自然系统安全公司》，向欧美收取“地球自转”、“地表系统安全”等的维持费。参考资料：李小文院士，2009-09-07，地球自转慢悠悠 http://blog.sciencenet.cn/blog-2984-253901.html 杨学祥，2013-12-27，李小文：不同地点建大规模风电场肯定要影响大气环流 http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-753320.html 2020-06-23，中国地理第5期：中国气候基本特征 http://baijiahao.baidu.com/s?id=1670263893563638667wfr=spiderfor=pc 相关链接： 2020-06-29，台风发电：卡门涡街（Karman vortex street） http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1239860.html 2020-03-03，趋同进化：再谈低风速风机的叶片 http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1221594.html 2019-12-30，为了我的国（2019献计：低风速风机叶片） http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1212051.html 2015-01-10，李小文院士与地球自转 http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-858238.html 2017-07-14，中国风能资源专业观测网测风塔分布 http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1066289.html 基于季风特性改进风电功率预测的研究展望 . 智能电网, 2015, 3(1): 1~7. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-ZNDW201501001.htm http://d.wanfangdata.com.cn/periodical/zndw201501001 http://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=90786887504849534849484849from=Qikan_Search_Index 杨正瓴,刘仍祥,李真真. 基于季风和大气压分布的我国风电功率预测研究 . 分布式能源, 2018, 3(2): 29-38. http://der.tsinghuajournals.com/CN/Y2018/V3/I2/29 http://d.wanfangdata.com.cn/periodical/fbsny201802005 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-FBNY201802005.htm http://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=675408799from=Qikan_Search_Index 感谢您的指教！感谢您指正以上任何错误！感谢您提供更多的相关资料！请教：地图的使用，还有没有不妥之处？感谢您的指正！; 个人分类: 风电功率预测|8 个评论

二维湍流之肥皂膜上的小世界（笔记）: 热度 10 zhongwei2284 2015-6-5 10:38; 第一章：肥皂膜与 2D 湍流 1 、肥皂泡与肥皂膜小时候，吹泡泡是经常玩耍的一个游戏，我们总是喜欢吹出一个泡泡然后追逐不舍，阳光下肥皂泡总是显现出动人的舞姿，绚丽的色彩还有丰富的变化。当颜色变淡，一声轻轻的撕裂声，泡泡破了，这是一种多么怀念的感觉呢！当仔细观察吹出来的肥皂泡的时候会发现，肥皂泡由于自身的特别的构造和成分，色彩斑斓，但是随着时间的推移，泡泡上面的小世界在发生着惊人的变化，颜色开始混杂，仿佛风气云涌，然后变化越来越快，直到最后，在空气中的泡泡看上去只剩下了一个可怜的骨架，随之而来的便是破裂时最后的声响。（ a ）（ b ）（ c ） Fig.1(a) 一个空中飞舞的肥皂泡 ;(b) 一个人肥皂泡的破裂 ;(c) 泡泡表演 . （图片来自网络）对于肥皂膜的研究和探索这已经进行了数百年，因为它美丽动人，更因为它蕴含哲理，肥皂泡被用来做了一系列很有意思的研究和演示，《 The Science of Soap Films and Soap Bubbles 》一书中介绍了许多漂亮的例子，看看这书实在美不胜收，再自己动手做做会更加感觉到它的美。就连魔术师也经常喜欢用肥皂泡泡表演一出出动人的魔术呢！下面的 Fig.2 是肥皂泡上面的肥皂膜的骨架。仅仅只有几微米厚的肥皂膜竟然能够有那么丰富多彩的变化真的是一件很了不起的事情！或许我们该多关心关系那些我们生活中常见的家伙们，也许就是习惯让我们把它们忘记了，但是往往它们身上就蕴藏着大自然赋予的深刻的奥秘。 Fig.2 肥皂膜以及肥皂泡的骨架（来自 M.Rutgers 制作的 ppt ） 2 、二维湍流流体力学中，一直有一个诱人却让无数爱它的人头疼的课题，那就是湍流问题，数百年来，人们在观察和实践中看到了许许多多湍流现象。当流体从层流过渡到湍流的时候，流体的性质发生了巨大的变化，看上去貌似已经不可捉摸，然而，科学的目的就是为了了解未知的事物并发现其中蕴含的规律，这是科学家们的无止境的追求。在湍流研究的道路上曾经闪耀着无数人的名字： G.I.Tylor 、 A.N.Kolmogorov 、 G.K.Batchelor 、 R.Kraichnan 、 P.G.Saffman 、 F.Frisch ······其中 Kolmogorov 得到的著名的关于能谱的-5/3 定律，这个无疑是湍流史上最重要的成就之一。当然，关于湍流至今我们也没有完全了解它，朗道也曾经提出过一个湍流模型可惜后面被证明是错误的。由于二维湍流相对于三维湍流而言简单的多，因此，关于二维湍流的理论早就有了， Kraichnan 以及 Batchelor 等等都在这里做了非常多非常优秀的开创性工作。例如预言了动能能谱的 k -3 规律以及拟能能谱的 k -1 的规律。 2D 与 3D 湍流的基本区别在于三维的涡量可以因涡的拉伸而增强但是二维湍流的涡量只能耗散。因此在二维湍流中涡量和拟能都像能量 E 一样近似是一个守恒量。在三维湍流的 cascade （级串）图像中，当粘性不起作用可以忽略的时候，动能是从大的尺度转移到小的尺度的，而二维的湍流中则预言有一个直接的传到小尺度的拟能级串以及传递到更大的尺度的能量逆级串！当然对于衰减的二维湍流，逆级串是不存在的。 3 、肥皂膜与二维湍流早期，Y· Couder 以及M.Gharib 等用一系列实验测量了肥皂泡的性质，主要是肥皂膜上面的卡门涡街以及涡的相互作用的实验，这给后面的研究提供了很大的帮助。而二维湍流之所以让人着迷是因为相比于三维湍流而言，二维湍流简单的多，并且有可能运用到一些几何物理问题中。 (a) (b) Fig.3Y.Couder （左）以及 M.Gharib （右）的实验的示意图对于发现肥皂膜可以用来研究二维的湍流，这个是一个惊喜。因为虽然二维湍流的理论已经有了很多年，后面还有了一些计算机的模拟结果，但是一直在实验上没有找到一个合适的平台研究二维湍流，虽然相比于地球地，球表面表面的海洋中充满了许多准二维的湍流的例子，但是做为实验研究这显然并不合适，因此理论的验证工作也就停滞不前。当发现肥皂膜是一个很好的湍流研究系统的时候，小小的肥皂膜变成了实验室的宠儿，对二维或者严格的说是准二维湍流的实验研究就取得了很大的进展并且发现了许多有用的结果。第二章：肥皂膜上湍流的产生 1 、实验平台虽然吹的泡泡在空中飘荡的时候，由于重力之类的作用，肥皂膜上也会产生湍流，但是这并不能给我们的实验需要提供太多的帮助，空中飘的肥皂膜随时可能破裂，而且它在运动不利于测量，我们几乎很难对它进行控制，更难以进行分析了，因此实验室中用的是制作出来的肥皂膜。如下图是实验平台 Fig.4 肥皂膜的实验平台该平台做出来的肥皂膜有以下几个好处：存在的时间长，尺寸可以随便设定，可以控制肥皂膜上流体的速度以及厚度并且能够保证厚度比较均匀，还能够迅速的重新做一个新的膜。总结一句话就是这个平台做出来的肥皂膜均匀易于控制和测量，因此这符合我们实验中的需要。再加上激光测速仪以及粒子镜像测速仪等仪器，就构成了整个实验平台的主体。有时候为了考虑尽量减少空气阻力的影响，会将实验平台放进真空室内。仿佛万事俱备，只差测量了！ 2 、湍流的“制备” 虽然有了实验平台，但是接下来还有一个很重要的问题需要解决，就是在这个肥皂膜上面制造湍流。对于湍流而言，细分之后会发现，里面充满了各种涡的融合（ merger ）、分离以及能量的输运过程。要想在这个小小的平台上面制作出湍流来该怎么做呢？之前有提到过 Y.Couder 他们的关于肥皂膜的研究工作。他们在肥皂膜上面研究了卡门涡街以及各种涡的相互作用。这给现在这个实验提供了很大的额启发和鼓舞。设想如果在肥皂膜的一端放置数十个小球体或者圆柱让肥皂膜上的流体经过后在后面产生卡门涡街，那么会是一副怎样的场景呢？无数的涡旋的相互作用最终是否导致了湍流？ Fig.5 展示了它的结果： Fig.5 肥皂膜上湍流的产生第三章：实验结果 1 、肥皂膜厚度与涡量之间的强关联与二维压缩效应下面我们看下实验测量的结果：（a）（ b ） Fig.6 上图中 a 、 b 都是实验测量的结果。其中左上的是速度场、右上的是涡量场、左下的是流线、右下的是厚度场。对于厚度场而言颜色越深的地方越薄。从上面的结果中我们可以粗略的看出来，涡量与厚度之间具有强的关联性：涡量大的地方肥皂膜越薄！由于内部的损耗和空气阻力，该湍流是衰减的（ decaying ）！中的数值模拟很好的描绘了衰减的2D湍流。为了与理论进行比较以及计算出压缩效应的重要程度，我们取了不同位置的图进行了系宗平均，从而来得到能量E=v 2 ,拟能 Ω = ω 2 ,divergence的平方的平均为，以及厚度的相对标准差为。结果如图3所示，其中是依赖于时间t（t=d/v m ），仿照中的办法用归一化的涡量的方均根ω0作为参考值.E、 Ω 、D都经过了归一化。E的误差为1-2%， Ω 、D的误差均为5%左右，而与厚度关联的误差不到5%。 Fig.7 图的说明如上图下方所示二维压缩效应由D/ Ω 的值大体表示，范围大约是0.1-0.2，我们可以看到压缩效应此时应该是不能够被忽略的。压缩效应在下游并不会耗散的厉害，但是D以及拟能都会很快的衰减。减小的最慢的当属E了，都表明E比拟能衰减的更慢，但是所得到的数据却没办法进行一个定量的比较。所得到的数据可以用来测量 Taylor-microscale Reynolds number ，其中 Taylor-microscale λ= （ E/ Ω ） 1/2 ，， ν =0.75px 2 /s 。一开始涡量和厚度的关联据推测是因为每个 comb tooth 周围的流体被 shedding vortices （脱落涡）包围造成了涡旋中心薄边缘厚的结果。这种关联的持久性表明，被平流输送的涡量和厚度大体是相类似的 way 。用图像描述就是厚度也是被像一个标量那样 advected 。 δh/h一开始的增长是由于压缩效应导致的表面张力的作用。因此对于实验得到的结果的最简单的解释是： thickness is advectedlike a passive scalar but in a compressible medium so that a term like needs to be retainedin the hydrodynamics equation for the thickness field. 2 、两点结构函数（ thetwo-point structure functions ）除了可压缩效应，肥皂膜系统还表现出了许多二维不可压缩湍流的特性：如图 5 中涡尺度的粗粒化（大涡与小涡！！）以及 Ω 比 E 衰减的更快。为了和 2D 不可压缩湍流的统计理论进行比较，我们计算了两点结构函数（ the two-pointstructure functions ）。选用实空间的分析因为我们的速度和涡量矢量的相关性如果用傅里叶分析在有限的 grid size 下面会出现问题（即： windowingeffect ！！）对五十一张图的系宗平均的纵向的速度、涡量以及拟能流的二阶结构函数计算如下，结果在 Fig.8 中所示： Fig.8 second order structure function 计算结果与理论的比较分析得到的最有意思的结果是其中η是拟能的衰减率。这与三维湍流中4/5定率同类。从Fig.8中可以看到r近似一个常数，得到了η约等于6*10 5 s -3 。相应的耗散尺度得到的 l d =0.2mm 与得到结果符合的很好！ 3 不同速度的两点的第三阶动量（ thirdmoment ）我们普遍相信 Navier-Stokes 方程支配着牛顿流体中的湍流运动。然而，从 NS 方程只能得到少数 incompressibleisotropic and homogeneous turbulence 中的结论。其中最有名的一个是关于不同速度的两点之间的三阶动量。 Kolmogorov 得到了三维中的结果其中， ν 为运动粘滞系数， ε 为整个系统的能流率，括号内的是系宗平均或者是时间的平均。当粘性不重要的时候（高雷诺数或者其他），就会得到著名的 4/5定律（注意与 Kolmogorov另一个关于能谱的-5/3定律区分！），这个定律与实验结果符合的很好！肥皂膜湍流系统中存在一些 decaying 2D turbulence 的特性，肥皂膜仅有几个微米厚，这比它自身的直径的尺度相比小的多。实验结果显示即便描述三维湍流的方程可以通过修正从而用来描述二维的湍流，但是不同项的平衡是不一样的：在二维中 forced 与 decaying 的 turbulence 的差别起到了重要的作用（一种竞争！）！最直接的效应就是 S3(r) 的变化，这与速度的关联函数有关，同时这也与能量被传输到更大的尺度联系起来。在三维耗散的湍流中 S3(r) 一直都是负的。但是在二维湍流中，实验结果表明第三阶动量在很小的尺度的时候值很小而且是负的，但是在较大尺度的时候是正的！ δ v(r) 为径向速度差！结果如 Fig.9 所示：（ a ）（ b ） Fig.9 第三阶动量的实验结果（ a ）以及一个模型结果与实验结果的比较（ b ） Fig.9(a) 中的 S3(r) 出现了有正有负。通过一定的理论推导（用的均匀绝热湍流中的理论），得到该实验结果与理论得到的结果的趋势是一致的（ Fig.9 (b) ），但是公式推导过程中，由于以下几个问题没有搞清楚因此出现了不小的偏差： l 推导过程中有些近似不恰当，如偏微分直接用偏差之比； l 该湍流可能是不够均匀的或者大尺度的时候并非绝热的； l 此时可能还没达到完全湍流； l 即便厚度很小，肥皂膜依然不能被认为是二维不可压缩的； l 此时肥皂膜的可压缩性依赖于膜上产生的毛细波的相速度，这导致了膜厚度的变化。第四章：未完的话题对于肥皂膜以及相关的实验、理论方面的工作还有很多故事，例如木星大红斑的模拟！即便是肥皂膜上面的湍流，它的拟能的级串以及能量的逆级串，还有 intermittency 湍流的间歇现象，这里都未提及。相关的研究已经有了一定的累积。相信问题总会解决的，我们的认识总是会进一步深入的。文中虽然提及了涡量与厚度的强大关联，还有可压缩性可能造成的影响，但是我们却并没有完全弄明白真相！可以随气压以及tilt角变化的空气阻力以及厚度的涨落对问题的影响仍然没有被系统的研究。在近似是高雷诺数的时候这些因素就需要更多的注意了！对于二维湍流中的三维效应，至少在现实的物理里面几乎是不能够避免的，但是很遗憾的是至今我们对它的了解也非常有限！肥皂膜厚度的涨落、海洋上的湍流涡动在大尺度上看都是非常好的二维系统但是对于小尺度而言，但细节更多的被放大之后，有些不能够被忽视的东西开始呈现并影响到最后的结果。貌似有点像量子力学与统计力学，尺度够大的时候，粒子表现出来的统计性质，当考虑到极少数的粒子的时候，统计力学又开始出现了些问题。终究还是与我们看待事物的眼光和角度有关吧！参考文献： R. Kraichnan, Phys. Fluids 10 ,1417 (1967). G. Batchelor, Phys. Fluids Suppl. II ,233 (1969). 流体中，拟能（ enstrophy ）是跟涡量的平方有关的量（类比于动能），而涡量又是速度求旋度。在量纲上涡旋拟能不具有能量的量纲，物理意义上，它是与能量的耗散率有关系。 A. Belmonte and W. I.Goldburg, Phys. Fluids, 11 ,1196(1999). Y. Couder, J. Phys. Lett. 45 , 353(1984). Y. Couder, J. M.Chomaz, and M. Rabaud, Physica (Amsterdam) 37D , 384 (1989). M.Gharib and P.Derango, Physica 37D ,406(1989). J. Chasnov,Phys. Fluids 9 , 171 (1997). M. Rivera, P.Vorobieff and R. E. Ecke, Phys. Rev. Lett. 81 , 1417,(1998). P. Vorobieff, M.Rivera and R. E. Ecke,Phys. Fluids ,11 , 2167 (1999); A. Belmonte et al.,Phys. Fluids, 11 ,1196(1999). F.Seychelles et al, Phys.Rev.Lett. 100, 144501 (2008) 注：有些没有标明的图片大多来自于 M.Rutgers 制作的 ppt 附录：肥皂膜和肥皂泡的科学.pdf; 个人分类: 那些贝壳们|8133 次阅读|17 个评论

液滴击打水面时产生的像卡门涡街的涡量分布: 热度 9 zhongwei2284 2015-5-11 09:26; 先来欣赏两张卡门涡街的图片。卡门涡街是一种有趣又美妙的自然现象，但是此时和液滴击打水面又有什么关系呢？目前已知而言，液滴击打液面，可能产生出非常丰富的现象，例如 crown splashing （王冠一样的溅射）， Worthington jet （高速往上生长的射流），气泡，以及溅射出许多不规则的小液滴等。它们的产生都有不一样的机制。在实验中被观察到，大液滴在击打水面的过程中，在更加微小的尺度上可以看到会产生不同尺寸的小液滴，在高速击打时，这些小液滴的最有意思的来源是大液滴刚开始击打池子里的液面时，在大液滴与底下液面交界的地方产生一个很纤细的射流导致的小液滴的产生。此时的物理机制是在更高的雷诺数时，大液滴与液面交界的地方变得不稳定，产生了卡门涡街式的涡量分布。具体流程如下：在实验过程中，我们对两个参数感兴趣，一个是雷诺数 Re ，另一个是溅射参数 K ，其中， We 为韦博数，。 ρ 为密度， μ 为粘性系数， σ 为表面张力系数， D 为尺寸， U 为击打速度。我们只对 K 比较大的时候感兴趣，现在来对实验结果进行分类： K 很大时，雷诺数比较小的一个范围（更粘的流体），在液滴和水面之间出现的是平滑的射流（ smooth ejecta sheet ）； K 很大时，最大的雷诺数的范围，产生了许多分离的小液珠，并且产生了不规则的溅射（ irregular splashing ）；雷诺数为中间范围时，小的 K 值区域，此时击打的速度比较小，表面张力阻止了 ejecta sheet 的形成，但在交界面观察到了有凸起；雷诺数为中间范围时，较大的 K 值范围，此时 ejectasheet 得到了充分的发展；雷诺数为中间范围时，最大的 K 值区域，此时产生了有趣的现象，喷射流与液珠以及下面的液面之间具有很强的相互作用。以上结果均在 Fig.1 中所示实验结果表明，雷诺数在令上述现象转变成为不规则溅射的过程中起到了重要的作用，并且，展示了射流与液珠以及下面液面的相互作用的动力学，这些结果表明这种新的相互作用构成了不规则溅射的基础。为了进一步研究上述实验结果下面进行与数值结果的比较。如 Fig.2 所示的是参数取定某值的时候，随着时间变化实验结果与计算机模拟结果的比较。 Fig.2 进一步用数值模拟进行分析如 Fig.3 所示： Fig.3 ：此图显示的是涡结构。 (a)-(f) 红色区域为大液珠，蓝色的为底下液面，绿色的则为空气。每张图下方对应的则是涡量分布。 (a)-(c) 为固定很大的 K （）曾加雷诺数的结果； Re=1000,3552 以及 14500 ； (d)-(f) 是 K 比较小些的情况； (g) 为对应 (c) 的 earlyshedding 的情况，此时由于几何表面比较尖锐，因此表面张力具有很重要的作用。 (a)-(f) 尺寸为 0.1D ， (g) 的为 0.01D 。上图中出现了卡门涡街式的涡量分布。该数值结果也进一步表明了液珠与 ejecta 之间的相互作用对于不规则溅射的产生有重要影响。中通过实验观察到了相关的卡门涡街的现象并且对各种上面预言到的现象进行了验证。另外可变形的表面散布的涡为理论研究和进一步的分析增加了难度。 Question: 1、对该现象的理论依据是什么？ 2、 Marangoni 效应以及瑞利 - 泰勒不稳定性在这种现象中所起的作用是什么？ 3、此时出现的三维的不稳定性需要进一步的学习并且与其他圆柱绕流以及剪切层的不稳定性进行比较？内容来源文献： 1 、 M.-J. Thoraval et.al. Phys. Rev. Lett. 108 (26), 264506(2012). 2 、 A. A. Castrejón-Pita et.al.Phys. Rev. E 86, 045301(R)(2012) . 3 、 M.-J. Thoraval et.al. J. Fluid Mech.724,234(2012). 4、关于卡门涡街的图片来源于网络.; 个人分类: 生活与自然|14219 次阅读|11 个评论

冯·卡门与卡门涡街: 热度 4 zdwang 2010-9-2 06:47; 冯·卡门与卡门涡街王振东美国宇航局2009年5月公布了自1959年8月14日拍摄第一张卫星照片以来，所选出的50年十佳地球卫星照片，排为十佳照片第一张的是“冯·卡门涡街”，从而引起了人们对冯·卡门和卡门涡街的兴趣和关注。冯·卡门（TheodorevonKármán １８８１—１９６３）是美藉匈牙利裔力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀，以及美藉华人科学家林家翘在美国加州理工学院时的导师。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、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。卡门涡街的图片十分漂亮，有时可当作为艺术品来欣赏。 50年十佳地球卫星照片的第一名美国宇航局2009年5月公布所选出的50年十佳地球卫星照片，排在十佳第一张的照片是 “陆地卫星7 号 ”2007年拍摄的以下这张图片，它展示了一排涡旋正在交替改变向前运行的方向，这正是“冯·卡门涡街”。当风或者洋流被岛屿挡住去路时，会出现这种图形。此图片中的这些卡门涡街，是当风吹过太平洋北部向东运行过程中，遇到阿留申群岛时形成的。实际上，也还有另外一些卫星拍摄到了很清晰的卡门涡街照片。 2009年2月24日，来自北方的冷空气（可能是来自格陵兰的重力风）遭遇格陵兰海域上空的潮湿空气，在扬曼因（JanMayen）岛附近上空形成了一排排的积云。扬曼因岛阻碍了风的行进，对天气也施加了影响。就像水流会分开绕过河里的巨石一样，吹来的风也会在扬曼因岛的北面分叉，然后在它的南面又再次汇拢。在扬曼因岛的下风处，当冷空气从岩石表面刮过时，形成了一连串螺旋状的涡旋，这也正是卡门涡街。在图片的左上角，可以看到一小片白雪覆盖的格陵兰岛的海岸线以及海冰。在靠近海岸线的地方还有许多巨大而不规则的浮冰漂浮着。这张照片是由美国宇航局卫星上的中等分辨率成像光谱仪拍摄的。还有两张卫星拍摄的照片，也很清楚地看到了卡门涡街，它们分别是在智利和日本的小岛后面形成的。这些卫星拍摄的卡门涡街照片，引起了人们对冯·卡门和卡门涡街进一步了解的兴趣。航空航天时代的科学奇才冯冯 ·卡门1881年5月11日出生于布达佩斯。他父亲是历史悠久的布达佩斯彼得·派斯马克大学的教育学教冯 ·卡门1881年5月11日出生于匈牙利布达佩斯，父亲是布达佩斯大学的教育学教授，对冯·卡门的成长有很好的影响。冯·卡门６岁时就能对５位数的乘法略一思索就报出答案来。父亲对冯·卡门最大的帮助和培养是启发他对知识的好奇心。　　 1898 年１１月，１６岁的冯 · 卡门进了皇家约瑟夫大学。他的独立思考的能力，主要是在大学里向唐纳 · 班基教授学的，他的第一 16岁的冯·卡门在1898年11月进了布达佩斯皇家工学院（布达佩斯工学院的前身），他的第一篇论文是在班基教授指导下完成的。这篇论文分析了发动机的一种常见故障 —— 进、排气阀门的振动和噪音，1902年冯·卡门以优异的成绩大学毕业。　　 1906年去德国哥廷根（Gttingen）大学求学，在普朗特（LudwigPrandtl1875-1953）教授的指导下，完成了关于柱体塑性区内屈曲问题的论文，于1908年获得博士学位。哥廷根大学高雅的学术气氛使他着迷,在普朗特和D.希尔伯特、F.克莱因等科学大师的影响下,打下了雄厚的基础。后来有一次在观看欧洲飞行表演时，引起了对飞机的兴趣，从而开始悉心研究空气动力学，冯·卡门的注意力逐渐转移到了航空科学上来。第一次世界大战期间，冯·卡门应召为奥匈帝国服务4年。战后曾任匈牙利苏维埃共和国教育部大学副部长。以后他又回到德国亚琛工学院任教，担任亚琛空气动力学研究所所长。 1929年底起定居美国,任加州理工学院古根海姆空气动力学实验室主任。他使这所学院成为当时流体力学的研究中心和培训基地，并解决了航空工程许多技术问题。他还用力学方法解决了水埧裂缝、风车发电、天文台大型反射望远镜的转动等工程问题。他主持筹建美国喷气工程公司（后发展为喷气总公司），指导一批青年科学家从事火箭技术研究，最后建立了美国火箭技术中心 —— 喷气推进实验室,这是美国第一个从事远程导弹、空间探索的研究单位，有很多重要的研究成果。冯·卡门被誉为“航空航天时代的科学奇才”，他在很多方面发挥了无可争辩的天才作用。航空学和宇航学上一些最光辉的理论、概念以他的名字来命名，月球上也有一个以冯·卡门命名的陨石坑。除理论研究外，航空史上引人注目的那些里程碑，如齐柏林飞艇、风洞、滑翔机和火箭 —— 可以说20世纪一切实际飞行和模拟飞行的成功都跟他有着密切的关系。冯·卡门先后作为德国亚琛工学院空气动力学研究所和美国加州理工学院古根海姆空气动力学实验室的领导，带领了两代科学家和工程师进入了科学技术的前沿领域，为航空和航天工程奠定了坚实的科学基础。他讲课条理分明，富有想象力，教学效果极好。冯·卡门培育出了大批杰出的人才,他的学生遍及五大洲，被誉称为“卡门科班”。 1963年2月18日上午，为了表彰冯·卡门对科学、技术和教育事业的杰出贡献，美国肯尼迪总统授予他美国第一枚科学勋章。按计划，肯尼迪总统要亲自向冯·卡门颁发勋章。当总统及其随从一到，来自世界各地的友人就向授勋地点拥去。双脚患关节炎的８１岁高龄的冯·卡门，摇摇晃晃走到台阶前时，好像由于疼痛难忍，突然停下来。这时，肯尼迪总统迅速赶上去一把将他扶住。冯·卡门抬起头来朝这位年轻的总统看看，然后把扶他的手轻轻推开。“总统先生，”他微微一笑说，“走下坡路是不用扶的，只有向上爬的时候才需要拉一把。” 晚年时光，他依然留恋并与德国亚琛空气动力学研究所保持着密切的关系。1963年5月6日，冯·卡门在德国亚琛病逝。为了纪念冯·卡门，他的祖国匈牙利于1992年8月3日发行了一枚纪念他的邮票；1992年8月31日，美国也发行了一枚冯·卡门的纪念邮票。冯·卡门的主要著作有：《空气动力学的发展》（有中译本）、《工程中的数学方法》（和毕奥合著，有中译本），《风及未来》（和艾德生合著）。他的科学论文汇编为《卡门论文集》，共4卷。卡门涡街的研究故事冯·卡门 1911 年时在哥廷根大学当助教时，普朗特教授当时的研究兴趣，主要集中在边界层问题上。普朗特交给其博士生哈依门兹（ KarlHiemenz ）的任务，是设计一个水槽，使能观察到圆柱体后面的流动分裂，用实验来核对按边界层理论计算出来的分裂点。哈依门兹做好了水槽，但出乎意外的是在进行实验时，发现在水槽中的水流不断地发生激烈的摆动。哈依门兹报告这一情况后，普朗特告诉他： “ 显然，你的圆柱体不够圆 ” 。可是，当哈依门兹将圆柱体作了非常精细的加工后，水流还是在继续摆动。普朗特又说： “ 水槽可能不对称 ” 。哈依门兹又细心地调整水槽，但仍不能解决问题。冯 · 卡门当時所做的课题与哈依门兹的课题并没有关系，但他每天早上进实验室时，总要关心地跑过去问： “ 哈依门兹先生，现在流动稳定了没有？ ” 哈依门兹非常懊丧地回答： “ 始终在摆动 ” 。这时冯 · 卡门想，这个水流在摆动的现象一定会有内在原因。在一个周末，冯 · 卡门用粗略的运算方法，试计算了一下涡系的稳定性。他假定只有一个涡旋可以自由活动，其他所有的涡旋都固定不动。然后让这一涡旋稍微移动一下位置，看看计算出来会有什么样的结果。冯 · 卡门得到的结论是：如果是对称的排列，那么这个涡旋就一定离开它原来的位置越来越远；而对于反对称的排列，虽然也得到同样的结果，但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值对，这涡旋却停留在它原来位置的附近，并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。星期一上班时，冯 · 卡门向普朗特教授报告了他的计算结果，并问普朗特对这一现象的看法如何？普朗特说， “ 这里面有些道理，写下来罢，我把你的论文提交到学院去 ” 。冯 · 卡门后来回忆时写道： “ 这就是我关于这一问题的第一篇论文。之后，我觉得，我的假定有点太武断。于是又重新研究一个所有涡旋都能移动的涡系。这样需要稍微复杂一些的数学计算。经过几周后，计算完毕，我写出了第二篇论文。有人问我： ‘ 你为什么在三个星期内提出两篇论文呢？一定有一篇是错的罢 ’ 。其实并没有错，我只是先得出个粗略的近似，然后再把它细致化，基本上结果是一样的；只是得到的临界比的数值并不完全相同 ” 。冯 · 卡门是针对哈依门兹的水槽实验出现的问题，进行涡旋排列的研究的。后来人们由于冯 · 卡门对其机理详细而又成功的研究，将它冠上了卡门的姓氏，称为卡门涡街。冯 · 卡门自己后来在书中写道： “ 我并不宣称，这些涡旋是我发现的。早在我生下来之前，大家已知道有这样的涡旋。我最早看到的是意大利 Bologna 教堂中的一张图画。图上画着 St.Christopher 抱着幼年的耶稣涉水过河。画家在 Christopher 的赤脚后面，画上了交错的涡旋。 ” 冯 · 卡门还说，在他之前，有一位英国科学家马洛克（ HenryReginaldArnulptMallock1851-1933 ）也已观察到障碍物后面交错的涡旋，并拍摄有照片。又还有一位法国教授贝尔纳（ HenryBénard1874-1939 ）也作过关于这一问题的大量研究。只不过贝尔纳主要是考察了黏性液体和胶悬溶液中的涡旋，并且其考察的角度是实验物理学的观点多于空气动力学的观点。冯 · 卡门认为他在 1911-1912 年，对这一问题研究的贡献主要是二个方面：一是发现涡街只有当涡旋是反对称排列，且仅当行列的距离对同行列内相邻两涡旋的间隔有一定的比值时才稳定；二是将涡系所携带的动量与阻力联系了起来。卡门涡街对建筑安全的重要作用美国塔科玛峡谷桥（ TacomaNarrowBridge ）风毁事故的惨痛教训，使人们认识到卡门涡街对建筑安全上的重要作用。 1940 年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费 640 万美元，建造了一座主跨度 853.4 米的悬索桥。建成 4 个月后，于同年 11 月 7 日碰到了一场风速为 19 米 / 秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接近 9 米），直到桥面倾斜到 45 度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中。当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片，记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程，它后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。人们在调查这一事故收集历史资料时，惊异地发现：从 1818 年到 19 世纪末，由风引起的桥梁振动己至少毁坏了 11 座悬索桥。第二次世界大战结束后，人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一开始，就有二种不同的意见在进行争论。 — 部份航空工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振；而以冯 · 卡门为代表的流体力学家认为，塔科玛桥的主梁有着钝头的 H 型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡旋脱落，应该用涡激共振机理来解释。冯 · 卡门 1954 年在《空气动力学的发展》一书中写道：塔科玛海峽大桥的毁坏，是由周期性涡旋的共振引起的。设计的人想建造一个较便宜的结构，采用了平钣来代替桁架作为边墙。不幸，这些平钣引起了涡旋的发放，使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象，是振动与涡旋发放发生共振而引起的。 20 世纪 60 年代，经过计算和实验，证明了冯 · 卡门的分折是正确的。塔科玛桥的风毁事故，是一定流速的流体流经边墙时，产生了卡门涡街；涡旋的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时，就会发生共振，造成破坏。卡门涡街不仅在圆柱后出现，也可在其他形状的物体后形成，例如在高层楼厦、电视发射塔、烟囱等建筑物后形成。这些建筑物受风作用而引起的振动，往往与卡门涡街有关。因此，现在进行高层建筑物设计时都要进行计算和风洞模型实验，以保证不会因卡门涡街造成建筑物的破坏。据了解，北京、天津的电视发射塔，上海的东方明珠电视塔在建造前，都在北京大学力学与工程科学系的风洞中做过模型实验。参考文献 1.TheodorevonK á rm á n ， Aerodynamics ： SelectedTopicsintheLightoftheirHistoricalDevelopment ， CornellUniversityPress ， 1954 ；中译本：江可宗译，空气动力学的发展，上海：上海科学技术出版社， 1962 2 . 周光坰、严宗毅、许世雄、章克本，流体力学（第二版），北京：高等教育出版社， 2000 3. 王振东，漫谈卡门涡街及其应用，力学与实践,2006,28(1):88-90 4.中国大百科全书出版社编辑部，中国大百科全书：力学卷 , 北京：中国大百科全书出版社,1985 5.王振东，冯 · 卡门与卡门涡街，自然杂志，2010，32（4）：243 — 245; 个人分类: 力学趣谈|28434 次阅读|11 个评论

美丽的街古老的街惹祸的街名人的街——流体力学的魅力浅说（1）: sqdai 2010-8-20 07:13; 世上有这样的街，它美丽，它古老，它隐蔽，它惹是生非，它是名人发现的街。说它美丽，是因为它在夜色下，两排街灯错落有致，像一双双水汪汪的大眼睛，圆圆的，发着左旋右旋的光芒，秀色可餐（见附件）；说它古老，是因为它已届百岁高龄，而在千年古画意大利波罗纳博物馆收藏的油画圣克里斯朵夫背负幼年耶稣涉水过河里竟有它的踪影；说它隐蔽，是因为它躲躲闪闪，羞羞答答，肉眼一般看不见，它躲藏在高楼后面、大桥后方、桥墩背后、高架电缆之侧、海洋平台立柱之后，只要狂风大作，只要激流奔腾，甚至只有和风缓流，它就会隐隐约约地出现；说它惹是生非，是因为它到处捣蛋，四方撒野：肆虐之处，高楼垮塌、大桥坍塌、电缆绷断、立柱折断，而它却躲在那里默不作声；说它是名人发现的街，因为它名叫卡门涡街，冯卡门逮着了它，证明了它，发现了它的千姿百态，确定了它的出身秘密，但是，还不能说征服了它，因为大自然的威力太过强大，然而，由于冯卡门揭晓了它的身世，人们有可能把它扼杀在摇篮里，使它无法发威。卡门涡街这个名字注定要与一场大灾难联系在一起。塔科马海峡大桥坍塌之谜 1940 年 11 月 7 日，美国的晚报上出现轰动性大新闻，头版头条的通栏标题赫然是：塔科马海峡大桥塌落！这座大桥位于华盛顿州首府西雅图之南约 50 公里处， 1940 年 7 月 1 日建成通车，是一座耗资 640 万美元建造的悬索大桥，全长 1.8 公里，单跨 853 米，当时号称世界单跨桥之王。然而它在竣工四个月后的 11 月 7 日上午十点多一点，在一阵不太强的大风中砰然垮塌，一头栽入帕杰海峡！幸而，只有一条宠物狗罹难，因为垮塌时桥上只有一辆抛锚的汽车，车主跌跌撞撞地跳了出来，匍匐前进到安全地带，而车上的狗已来不及救出，与汽车同归于尽。正在附近的华盛顿大学的法库哈森教授（塔科马大桥动态性质研究者）摄下了大桥坍塌的珍贵的视频镜头（见 http://blog.lehu.shu.edu.cn/sqdai/A58678.html 的附件）。这一事件在美国民众中激起了轩然大波，政府立即着手调查。原来，在建造过程中，此桥就显现了问题；从通车之日开始，人们就发现，即使在 1.4 ～ 2 .0 米 / 秒的二级轻风（ gentle breeze ）中，桥面就有波幅达 1.2 米的起伏；风稍大些，起伏更甚，驾车过桥时司机都感到眩晕。塔科马大桥很快得到了舞动的裘娣的雅号，工程师曾用粗钢缆加固，仍无济于事。出事之前的十点钟，风速是 64 公里 / 小时（一说 67 公里 / 小时），亦即，大桥处于风速为 17.8 ～ 18 .6 米 / 秒的八级大风（ gale ）中，虽有裘娣舞动现象，但似乎没有任何危险的前兆；几分钟后，情况突变，桥面的有节奏的起伏（上下振动）变成激烈的扭转翻滚（扭振），观察人员报告，大桥快要翻个儿了，管理者马上下达禁止通行令。再过几分钟，大桥更加剧烈地歪扭、翻腾，左右桥侧的落差达 17 米，桥基左右摆动达 45 度！挣扎了一个小时后，路灯灯柱首先倒下，大桥中面猛然拱起，桁架、桥面开始散架，再过十分钟，一声轰然巨响，大桥中跨一头栽进海底，在猛烈的振动中，边跨在激烈抽动后，也沉入海底，正在摄影的法库哈森教授摔倒在地，爬起来狼狈逃窜，爬出支离破碎的桥面，返回岸边。那么，塔科马海峡大桥坍塌的罪魁祸首何在？一时众说纷纭，成了不解之谜，解谜的责任历史地落到了空气动力学家冯卡门的身上。冯卡门揭开了谜底：是卡门涡街惹的祸这一事件立即引起正在为火箭事业奔波的冯卡门的关注。他读翌日的报纸时发现华盛顿州州长说，大桥的结构没有问题，将依样画葫芦地再建新桥。他按捺不住了，立即在学校里让技师做了一个橡皮模型桥，带回家中，放在客厅的大桌子上，开动一台电风扇对着桥模吹。先发现桥模在微风中轻轻摇晃；接着他提高电扇转速，到一定风速后，桥模开始振动起来；当电扇送风产生的振动的节奏与桥模振动频率合拍时，桥模出现了不稳定现象，而且愈演愈烈！冯卡门跳将起来，试验证明了他事先的猜测：暗中作祟的是卡门涡街！他的主要结论是：卡门涡街是事故的罪魁祸首，由于大桥有一部分是实体侧壁，强风连续吹打侧壁，在侧壁后方形成周期性摆动的卡门涡街，使大桥产生了强烈的共振，终于把大桥给报销了。他立即向华盛顿州州长发去电报，告诉他，假如依样画葫芦地再建新桥，新桥也会依样画葫芦地倒塌！为了推动对问题的讨论，他马上在《工程新闻记录》上发表短文，讲述大桥失稳的原因。一个月后他专程参加了事故调查小组，组长是桥梁设计师，另外二位组员是土木工程师，他是唯一的力学家。当时的桥梁工程界对空气动力学基本上一窍不通。为了说服他们相信他的结论，冯卡门让他的助手 L. 邓恩（他后来的接班人）做了大量更精细的桥模的风洞实验， D. 兰尼教授做了理论分析，理论结果与实验结果吻合！接着，他化了九牛二虎之力说服了桥梁工程界的冥顽不化的工程师们。在调查总结会上，大家心悦诚服地接受了冯卡门的见解，普遍承认了灾难的起因，认可了空气动力学研究对桥梁工程的极端重要性（看看现今同济大学桥梁系的先进风洞以及为各座待建大桥所做的预研：黄浦江上所有大桥模型都在风洞里吹过，目前，未经空气动力学试验的大桥拿不到准生证，你由此可以了解冯卡门的成果和理念的巨大影响）。柱面压力波动之谜：卡门涡街的发现人们会问：卡门涡街是怎样发现的？时光得倒转到 98 年之前。 1911 年，冯卡门还是哥廷根大学的一位初出茅庐的编外讲师。此前三年，他在普朗特指导下，完成了塑性力学方面的博士论文，开始在力学领域纵横驰骋。冯卡门知道普朗特及其学生对旋涡流动颇感兴趣，但他踏入这一研究领域纯粹事出偶然。当时，一位勤勉的学生希门茨正按导师普朗特的指导，进行匀速水流中圆柱体表面的压力测量。糟糕的是，希门茨发现，测得的压力总有波动，不管做得怎样细致，水流老是晃动，压力总在波动。普朗特猜测，可能是圆柱表面的粗糙引起的，于是希门茨把柱面磨得像镜面般光洁，更加精细地做实验，但圆柱和水流晃动依旧。每天早晨冯卡门上班路过希门茨的实验室，总要问一句：希门茨先生，还晃动吗？回答总是：唉，还是一个劲地晃呐！于是，冯卡门动了好奇心，他直觉地感到，这个问题单靠实验解决不了问题，得动用数学工具！要是真能用数学来揭开其中奥秘，那是够令人激动的！说干就干，冯卡门出手了。在一个星期五，他关起门来进行分析、演算。他引进了一些假设。先假设水流经过柱体分成上下两股，在圆柱后产生两股涡流；接着，假设涡流上下对称，一试，不对了，对应的流体力学方程的解是不稳定的！于是，改弦更张，令上下两股涡流反对称，上股先形成，下股跟着来，交替出现，结果，他的头脑里出现了稳定的解，一试算，完全正确！然后，他发现，产生这种交替出现的涡有一定的条件，两股涡流之间的距离跟每股涡流中各个涡的距离应满足某种关系，从柱体背后以一定频率泻落的涡，才会形成美丽的、错落有致的涡街。（如今有了先进的流动显示技术，可轻松地在实验水槽里抓到涡街；又有了先进的计算技术，计算机会很快给你涡街图像，就不用冯卡门那样费劲了）。第二周的星期一，他向同事们报告了自己得到的结果，也向普朗特汇报了此结果及其来龙去脉，立即得到了后者首肯，并将其推荐发表于《哥廷根科学院院报》。冯卡门并未就此止步，他明白，还需要用实验来验证理论结果。普朗特派了博士生鲁巴希帮助他，两人用水槽和风洞进行试验，试验结果与理论结果吻合！接着冯卡门又采用更精确的计算方法做了计算，接下来的一系列实验都证明计算结果准确无误。相关成果的论文也发表在《哥廷根科学院院报》。卡门涡街就此诞生（当然该名称是后来才有的），冯卡门从此名扬天下。它显示了哥廷根应用力学学派的信条的正确性，而在 1940 年的那场灾难的分析中，卡门涡街理论得到了一次最成功的应用。卡门涡街发现后的近百年间，大批力学家做了大量后续工作，有了更广泛的工程应用，光是卡门涡街的照片就有成千上万，极有美学鉴赏价值 * 。在冯卡门81岁寿诞之际，有人送给他由81个旋涡组成的卡门涡街流动显示图。 * 著名流体力学家 M. van Dyke 教授（曾是钱学森先生的学生）在 1987 年访问我所时，送给我他编集的《流体运动摄影选》（现保存在我所资料室），其中就有数张卡门涡街的精彩摄影作品。说起 van Dyke ，这位学者很有个性，他想再版他的专著《流体力学中的摄动法》，出版商因印数偏少，不肯答应，他一气之下就注册创立了一个出版社，名为抛物出版社， 1975 年出版了他的《流体力学中的摄动法》（加注版）；出版社总不能老是闲着吧，于是， 1982 年就推出了上述《流体运动摄影选》。据我所知，他的抛物出版社似乎就出了这两本书。本文主要参考资料： 1. 冯卡门，李爱特生，冯卡门航空与航天时代的科学奇才，上海：上海科学技术出版社， 1987 2. M. van Dyke ， An Album of Fluid Motion ， Stanford ： Parabolic Press ， 1982 3. 塔科马大桥为什么会倒塌？ http://zhidao.baidu.com/question/39188128.html 4. 微风吹倒塔科马大桥的珍贵视频， http://mt.cqnews.net/play/videoplay.aspx?id=16069 写成于 2009 年 2 月 26 日晨 http://blog.lehu.shu.edu.cn/sqdai/A58678.html; 个人分类: 科海随笔|9974 次阅读|26 个评论

俄伏尔加河大桥为什么发生剧烈晃动而没有坍塌: outcrop 2010-6-17 00:58; 最近一则广泛传播的新闻报道，俄罗斯伏尔加格勒的伏尔加河大桥晃动如波浪，上下幅度可达一米。但是大桥振动停止后，专家检查了桥梁各处道路和围栏等，发现桥梁并无裂纹也无损伤。对此，国内机械行业的朋友对此作了一些技术上讨论，制造业观察网站特别整理出来，以回答技术上的疑惑，并不是什么神秘现象。【视频：实拍俄伏尔加河大桥离奇晃动】 http://news.qq.com/a/20100522/000569.htm 剧烈晃动成因比较可信的原因是卡门涡街引发的共振，塔科玛桥风毁事故和这次的俄伏尔加河大桥类似，人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一开始，就有二种不同的意见在进行争论。部份航空工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振；而以冯卡门为代表的流体力学家认为，塔科玛桥的主梁有着钝头的H型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡旋脱落，应该用涡激共振机理来解释。冯卡门1954年在《空气动力学的发展》一书中写道：塔科玛海峡大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。设计的人想建造一个较便宜的结构，采用了平钣来代替桁架作为边墙。不幸，这些平钣引起了涡旋的发放，使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象，是振动与涡旋发放发生共振而引起的。20世纪60年代，经过计算和实验，证明了冯卡门的分折是正确的。塔科玛桥的风毁事故，是一定流速的流体流经边墙时，产生了卡门涡街；卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时，就会发生共振，造成破坏。也有网友认为是由所谓的机翼效应引起的，上个世纪40年代就基本解决了计算问题，但遗留的问题是风场的不确定问题，即以前没见过的风，已经没有什么神秘的东西了。为什么没有被破坏没有破坏的原因非常多： 1、看似剧烈摇摆，但总体变形没有超过设计许可，结构不会破坏。 2、采用所谓柔性铰技术，可以有很大的变形许可，你看似波涛翻滚，但结构一点都没有问题。 3、视频中显示桥面厚度变化，不一定是桥面厚度真的变化，而可能是空气密度不均导致光线产生折射，只是显示厚度差异，实际上并未变化；如同夏日在柏油马路上开车，远处路面显示抖动一个道理。延伸阅读：塔科玛桥风毁事故 http://v.ku6.com/show/lTWhvw0pqzL6XLkA.html 什么是卡门涡街（Karman Vortex Street） http://baike.baidu.com/view/569268.htm 伏尔加河大桥震动原因【讨论】 http://bbs.cmiw.cn/viewthread.php?tid=157238 本文来自制造业观察网站： http://www.zhizao.org/archives/516.html; 个人分类: 科技八卦|9724 次阅读|4 个评论

卫星拍摄的卡门涡街: zdwang 2009-5-14 07:32; — 卡门涡街及其应用（续）王振东冯·卡门（TheodorevonKármán1881-1963）是美藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀在美国加州理工学院时的导师。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。卡门涡街的图片十分漂亮，有时己可作为艺术品来欣赏。冯·卡门在1911-1912年，对这一涡街研究的贡献主要是二个方面：一是发现涡街只有当涡旋是反对称排列，且仅当行列的距离对同行列内相邻两涡旋的间隔有一定的比值时才稳定；二是将涡系所携带的动量与阻力联系了起来。笔者所写“卡门涡街及其应用”一文，介绍了其研究历史及有关的应用情况，2006年2月发表于《力学与实践》28卷1期。之后陆续又看到了几张卫星拍摄的卡门涡街的照片，现将其归在一起作为上文的补充，放在科学网上，以文会友，与大家交流，并作为参考资料提供给担任有关专业课程的老师在教学中使用。美国宇航局最近公布了自1959年8月14日拍摄了第一张卫星照片以来，所选出的50年十佳地球卫星照片，排为十佳第一张的就是“陆地卫星7”号2007年拍摄的以下这张图片，展示了一排涡旋正在交替改变向前运行的方向，这正是“冯·卡门涡街”。当风或者洋流被小岛或者岛屿挡住去路时，会出现这种图形。该图片中的这些卡门涡街，是当风吹过太平洋北部向东运行过程中，遇到阿留申群岛时形成的。 2009年2月24日，来自北方的冷空气（可能是来自格陵兰的重力风）遭遇格陵兰海域上空的潮湿空气，在扬曼因岛（Jan Mayen）附近上空形成了一排排的积云。而扬曼因岛阻碍了风的行进，它本身对天气也施加了影响。就像水流会分开绕过河里的巨石一样，吹来的风也会在扬曼因岛的北面分叉，然后在它的南面又再次汇拢。在扬曼因岛的下风处，当冷空气从岩石表面刮过时，形成了一连串螺旋状的涡旋，这也正是“冯·卡门涡街”。在图片的左上角，可以看到一小片白雪覆盖的格陵兰岛的海岸线以及海冰。在靠近海岸线的地方还有许多巨大而不规则的浮冰漂浮着。这张照片由美国宇航局卫星上的中等分辨率成像光谱仪拍摄的。还有两张卫星拍摄的卡门涡街的照片，也很有参考价值，它们分别是在智利和日本的小岛后面形成的。; 个人分类: 力学趣谈|12204 次阅读|4 个评论

卡门涡街及其应用: 热度 2 zdwang 2009-3-4 13:21; 王振东冯·卡门（TheodorevonKármán1881-1963）是美藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀在美国加州理工学院时的导师。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，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。卡门涡街有一些很重要的应用，因此在学习流体力学时，有必要了解其研究历史及有关的应用情况。卡门涡街的研究历史冯·卡门1881年5月11日生于匈牙利布达佩斯，1963年5月6日卒于德国亚琛。他出身于奥匈帝国—个教育学教授的家庭，1902年毕业于布达佩斯皇家工学院，1906年去德国哥廷根（Gttingen）大学求学，在普朗特（LudwigPrandtl1875-1953）教授的指导下，完成了关于柱体塑性区内屈曲问题的论文，于1908年获得博士学位。1911年时，他在哥廷根大学当助教。普朗特教授当时的研究兴趣，主要集中在边界层问题上。普朗特交给博士生哈依门兹（KarlHiemenz ）的任务，是设计一个水槽，使能观察到圆柱体后面的流动分裂，用实验来核对按边界层理论计算出来的分裂点。为此，必须先知道在稳定水流中圆柱体周围的压力强度如何分布。哈依门兹做好了水槽，但出乎意外的是在进行实验时，发现在水槽中的水流不断地发生激烈的摆动。哈依门兹向普朗特教授报告这一情况后，普朗特告诉他：“显然，你的圆柱体不够圆”。可是，当哈依门兹将圆柱体作了非常精细的加工后，水流还是在继续摆动。普朗特又说：“水槽可能不对称”。哈依门兹于是又开始细心地调整水槽，但仍不能解决问题。冯·卡门当時所做的课题与哈依门兹的工作并没有关系，而他每天早上进实验室时总要跑过去问：“哈依门兹先生，现在流动稳定了没有？”哈依门兹非常懊丧地回答：“始终在摆动”。这时冯·卡门想，如果水流始终在摆动，这个现象一定会有内在的客观原因。在一个周末，冯·卡门用粗略的运算方法，试计算了一下涡系的稳定性。他假定只有一个涡旋可以自由活动，其他所有的涡旋都固定不动。然后让这一涡旋稍微移动一下位置，看看计算出来会有什么样的结果。冯·卡门得到的结论是：如果是对称的排列，那么这个涡旋就一定离开它原来的位置越来越远；而对于反对称的排列，虽然也得到同样的结果，但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值对，这涡旋却停留在它原来位置的附近，并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。星期一上班时，冯·卡门向普朗特教授报告了他的计算结果，并问普朗特对这一现象的看法如何？普朗特说，“这里面有些道理，写下来罢，我把你的论文提交到学院去”。冯·卡门后来回忆时，对此事写道：“这就是我关于这一问题的第一篇论文。之后，我觉得，我的假定有点太武断。于是又重新研究一个所有涡旋都能移动的涡系。这样需要稍微复杂一些的数学计算。经过几周后，计算完毕，我写出了第二篇论文。有人问我：‘你为什么在三个星期内提出两篇论文呢？一定有一篇是错的罢’。其实并没有错，我只是先得出个粗略的近似，然后再把它细致化，基本上结果是一样的；只是得到的临界比的数值并不完全相同”。冯·卡门是针对哈依门兹的水槽实验，进行涡旋排列的研究的。后来人们由于冯·卡门对其机理详细而又成功的研究，将它冠上了卡门的姓氏，称为卡门涡街。冯·卡门自己后来在书中写道：“我并不宣称，这些涡旋是我发现的。早在我生下来之前，大家已知道有这样的涡旋。我最早看到的是意大利 Bologna 教堂中的一张图画。图上画着 St.Christopher 抱着幼年的耶稣涉水过河。画家在 Christopher 的赤脚后面，画上了交错的涡旋。”冯·卡门还说，在他之前，有一位英国科学家马洛克（ Henry Reginald Arnulpt Mallock 1851-1933 ）也已观察到障碍物后面交错的涡旋，并拍摄有照片。又还有一位法国教授贝尔纳（ Henry Bénard 1874-1939 ）也作过关于这一问题的大量研究。只不过贝尔纳主要考察了黏性液体和胶悬溶液中的涡旋，并且其考察的角度是实验物理学的观点多于空气动力学的观点。冯·卡门认为他在 1911-1912 年，对这一问题研究的贡献主要是二个方面：一是发现涡街只有当涡旋是反对称排列，且仅当行列的距离对同行列内相邻两涡旋的间隔有一定的比值时才稳定；二是将涡系所携带的动量与阻力联系了起来。塔科玛桥风毁事故与卡门涡街塔科玛峡谷桥（ Tacoma Narrow Bridge ）风毁事故的惨痛教训，使人们认识到卡门涡街对建筑安全上的重要作用。 1940 年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费 640 万美元，建造了一座主跨度 853.4 米的悬索桥。建成 4 个月后，于同年 11 月 7 日碰到了一场风速为 19 米 / 秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接近 9 米），直到桥面倾斜到 45 度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中。当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片，记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程，它后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。人们在调查这一事故收集历史资料时，惊异地发现：从 1818 年到 19 世纪末，由风引起的桥梁振动己至少毁坏了 11 座悬索桥。塔科玛桥的坍塌第二次世界大战结束后，人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一开始，就有二种不同的意见在进行争论。—部份航空工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振；而以冯卡门为代表的流体力学家认为，塔科玛桥的主梁有着钝头的 H 型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡旋脱落，应该用涡激共振机理来解释。冯·卡门 1954 年在《空气动力学的发展》一书中写道：塔科玛海峽大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。设计的人想建造一个较便宜的结构，采用了平钣来代替桁架作为边墙。不幸，这些平钣引起了涡旋的发放，使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象，是振动与涡旋发放发生共振而引起的。 20 世纪 60 年代，经过计算和实验，证明了冯·卡门的分折是正确的。塔科玛桥的风毁事故，是一定流速的流体流经边墙时，产生了卡门涡街；卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时，就会发生共振，造成破坏。卡门涡街不仅在圆柱后出现，也可在其他形状的物体后形成，例如在高层楼厦、电视发射塔、烟囱等建筑物后形成。这些建筑物受风作用而引起的振动，往往与卡门涡街有关。因此，现在进行高层建筑物设计时都要进行计算和风洞模型实验，以保证不会因卡门涡街造成建筑物的破坏。据了解，北京、天津的电视发射塔，上海的东方明珠电视塔在建造前，都曾在北京大学力学与工程科学系的风洞中做过模型实验。 1992年匈牙利发行的冯卡门纪念邮票，后面的图案是卡门涡街他准备“对不幸的事故负责” 20 世纪 60 年代，我国曾在北京郊区建造了一座高达 325 米的气象塔，以研究北京地区的大气污染情况。该塔用 15 根纤绳固定在地面上，是当时亚洲最高的气象塔。但在竣工不久便出现了奇怪的现象：在天气晴朗、微风吹拂时，高塔发生振动，伴之有巨大轰鸣声，使附近居民感到担心；而在刮风下雨的恶劣天气，反倒无事。经过科研人员的详细测量和分析，终于弄清了这一现象的原因，是在那样的风速下，气流在塔的纤绳这一柱体上发放涡旋，形成了卡门涡街，其频率又与纤绳的自振频率相耦合而发出了轰鸣声。 1912 年，冯·卡门的论文发表不久，时任英国剑桥大学校长的力学家、物理学家瑞利（ John William Strut Rayleigh, 1842-1919 ）爵士就指出，这些交错的涡旋必定就是风吹豎琴（ Aeolian harp ）发音（线鸣）的原因。冯·卡门也说：“有人想必还记得双翼机的线鸣现象，这声音就来自涡旋的周期性发放”。葛威尔（ Gongwer ， C.A ）曾通过实验，指出了水下交通工具的某些短撑有时会唱出很高的音调，原因就在于短撑后面没有合适的锐利边缘，以致周期性发放涡旋而引起振动。顾策（ Gutsche ， F ）所发现的船下推进器的唱音，冯·卡门认为也可以这样来解释。有一个法国海军工程师告诉冯·卡门，当某一潜艇在潜航速率超过 7 海浬时，潜望镜忽然完全失去作用。冯·卡门认为，这是因为镜筒发放周期性的涡旋，在一定速率下，涡旋发放的频率和镜筒的自然振动频率发生了共鸣。由于同样的原因，无线电天线塔也会在天然风中发生共鸣振动；输电线的低频振动也与发放涡旋有关系。有趣的是，冯·卡门 1954 年所写的《空气动力学的发展》一书中，在列举了塔科玛桥风毁及—些由卡门涡街引起的事故后，曾幽默风趣地说，“我永远准备对卡门涡街所造成的其他不幸事故负责”。卡门涡街流量计实际上，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，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，使用温度最高可达摄氏 400 度；并具备自动调整功能，能用软件对管线噪声进行自动调整。参考文献 1.Theodore von K á rm á n ， Aerodynamics ： Selected Topics in the Light of their Historical Development ， Cornell University Press ， 1954 。中译本：江可宗译，空气动力学的发展，上海：上海科学技术出版社， 1962 2. 周光坰、严宗毅、许世雄、章克本，流体力学（第二版），北京：高等教育出版社， 2000 （原刊登于《力学与实践》 2006 年 28 卷 1 期）; 个人分类: 力学趣谈|18083 次阅读|6 个评论

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标签: 卡门涡街

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