流体的“舞蹈”
2024-10-03刘嘉宁施威
当溪水流过大石块等障碍物时，会被分成两股交替的、不对称的旋涡；当风吹过高耸的山峰时，在云层下方会形成一个个旋涡……这些司空见惯的现象背后，其实是流体力学中的卡门涡街原理。
自然界中的神秘图案
当风吹过山峰、云团，穿过岛屿，都会出现卡门涡街现象，形成自然界中神秘的图案。
卡门涡街现象是指在一定条件下，气体或者液体绕过某些物体时，物体两侧会周期性地“脱落”出旋转方向相反、排列规则的两列蘑菇状旋涡，就像在跳舞一样。
开始时，这两列蘑菇状旋涡分别保持自身的运动方向；接着，它们互相干扰、吸引，且干扰越来越大，形成非线性的旋涡；随着雷诺数（与流体的密度、速度，管道的半径、流体的黏度有关）的增加，旋涡的形状会发生一系列变化，形成各种极为复杂的旋涡结构，最后成为湍流。
高悬的电线被风吹过时，会发出嗡鸣声；汽车在高速行驶时，会受到气动阻力；潜艇下行时，潜望镜会产生振动……这些现象都可以用卡门涡街原理解释。
流体力学的里程碑
在1911～1912年间，德国流体力学家普朗特在观察水槽中圆柱后方的水流分离现象时发现，水槽里的水流不断发生摆动。普朗特认为，可能是圆柱表面不够光滑或水槽做得不对称。但是，无论如何改进实验装置，总是消除不了这种摆动。
冯·卡门（普朗特的学生）抓住了这个令普朗特困惑许久的现象，进行了反复验证。他观察到流体流过障碍物时，会形成一排排的小旋涡，而且这些旋涡的脱落频率和流体的速度有关。冯·卡门将这个现象命名为卡门涡街现象，它标志着流体力学史上又一次重大的发现——不仅揭示了自然界中一个美丽的物理现象，还为工程设计和灾害预防提供了重要的理论支持和技术手段。
雷诺数：理解流体流动方式的“工具”
想象一下，当你在水中游泳时，水怎样流过你的身体？有时，水流得像丝绸一样平滑；但有时，水流得又乱又急。雷诺数就是帮助科研人员理解流体流动方式的“工具”。
在低雷诺数下，流体流动呈现为有序的层流，各层流体相对独立地流动，没有明显的混合。当雷诺数增加到一定值时，流体流动转变为湍流，流体层间发生剧烈的混合，流动变得复杂且不可预测。
物体后部是否会出现卡门涡街现象，主要取决于雷诺数，只有当雷诺数处于特定范围时，才会出现规则的卡门涡街现象。
“双面利刃”的科学启示
任何事物的存在都有两面性，卡门涡街现象展现了自然界和物理学中令人叹为观止的奇妙现象，同时也蕴藏着不可忽视的危险。
文明的“加速器”
卡门涡街现象能引发共振——当固体频率和旋涡频率接近时，会发生共振，而固体在旋涡作用下产生的振动叫“涡激振动”。
风弦琴就是基于这一原理制造而成的乐器——在木制共鸣箱上安装几条琴弦，风吹过琴弦引起振动，就能发出乐声。这一乐器曾在19世纪的欧洲盛行，多放置于公园、屋顶、古堡等地。
我国古代诗歌中也曾出现过此类乐器，例如唐代诗人高骈所作的《风筝》一诗中写道：“夜静弦声响碧空，宫商信任往来风。依稀似曲才堪听，又被风吹别调中……”这里的“风筝”是在纸鸢上挂竹笛、能迎风作响的器具，它与风弦琴有着类似构造和发音原理。换言之，中国早在唐朝时期便发现且运用了卡门涡街原理。
科研人员利用卡门涡街现象实现了对风能的捕捉，设计出仅凭一根柱子就可以发电的无叶片风力发电机——空气流过无叶片风力发电机时，会产生旋涡，诱发柱子产生往复振动从而发电；通过研究卡门涡街现象，工程师设计出涡流发生器等海洋能源设备，利用涡流的动能转化为电能。
潜藏的“破坏者”
1940年11月7日，位于美国华盛顿州的塔科马海峡吊桥，在建成仅4个月后就因卡门涡街现象被损毁——当天，风通过桥面下的空间时产生了卡门涡街现象，导致桥面产生剧烈的振动，最终导致桥体结构失效。
再例如，在海上石油生产平台等海洋工程中，由于卡门涡街现象，海水可能会对石油平台产生周期性的力，导致其结构受损。
破解之道
为了规避与控制卡门涡街现象带来的不利影响，科研人员在进行工程设计时，会进行精确的数值分析和严格的风洞模型测试。例如，通过微调障碍物的形状和尺寸，来改变形成卡门涡街现象的条件，从而减少涡流的强度和影响；在关键部位安装阻尼器或振动吸收器，有效吸收因卡门涡街现象引发的振动能量，减少结构的振动幅度；在建筑结构设计中，充分考虑风速、风向等环境因素，采用更加稳固和抗风的设计，减少卡门涡街现象的影响等等。
卡门涡街现象的发现，不仅是流体力学史上的一个里程碑，也是跨学科研究的一个典范。它展示了自然界的奇妙和复杂，同时也提醒我们，科学探索永无止境，每一个现象背后都可能隐藏着更深层次的真理。
（责任编辑 / 高琳 美术编辑 / 周游）
