卡门涡街在风力机叶片上的应用

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1、卡门涡街在风力机叶片上的应用刘运超卡门涡街在风力机叶片上的应用刘运超一，什么是卡门涡街冯·卡门（Theodore von Kármán 1881-1963）是美藉匈牙利空气动力学家，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。1911年，西奥多·冯·卡门在德国哥廷根大学空气动力学家路德维希·普朗特手下任助教。当时普朗特正研究边界层现象，他命一位攻读博士学位的研究生卡尔·希门茨（KarlHiemenz）设计一个流水槽，以便观察流水经过一个圆柱体时的边界层，并令希门茨测量圆柱体表面上不同点的压力。希门茨发现圆柱体表面的压力并非如预期的平稳，而是剧烈地振动

2、。他将这个情况向普朗特汇报，普朗特说，“你的圆柱体显然不圆”。希门茨细心将圆柱体磨了又磨，测了又测，不见改进。冯·卡门走过实验室时不在意地问道：“卡尔，怎么样了”？卡尔答道“还是振动”，过几天又问：“卡尔，怎么样了？”，“还是振动得厉害”。这引起冯·卡门注意了，他想“也许振动不是偶然的，而是由内在原因决定的”。于是冯·卡门从理论上进行思考，起初他设想圆柱体后的水流形成两道对称排列但反方向的旋涡，但发现这种状态不能维持，很快不稳定。于是他假设两道旋涡交错排列，计算结果表明这种状态能够维持。冯·卡门将计算结果向导师普朗特报告。普朗特命冯·卡门写出论文发表。这是冯·卡门的第一篇

3、论文[2]，也是他的成名之作。冯·卡门关于卡门涡街的理论被后来的实验证实。“卡门涡街”的名称，沿用至今。二，卡门涡街的作用1940年11月7日美国华盛顿州塔科馬海峽吊橋（TacomaNarrowBridge）崩塌事件。塔科马海峡吊桥倒塌后第二天，华盛顿州州长宣布该座吊桥的设计牢靠，计划按同样设计重建。冯·卡门觉得此事不妥，便觅来一个塔科马海峡吊桥模型带回家中，放在书桌上，开动电扇吹风，模型开始振动起来，当振动频率达到模型的固有频时，发生共振，模型振动剧烈。果然不出所料，塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶，正是卡门涡街引起桥梁共振。1965年11月，英国西约克郡费里布里奇发电站两

4、座一百多米高的冷却塔，在大风中因卡门涡街引起共振倒塌。解决办法是在烟囱或冷却塔的上端安装螺旋形的扇叶，避免卡门涡街形成。许多年来大多数设计都在避免卡门涡街形成。我们从这两张卫星照片上可以看出，一个小小的阻流体，可以引起很大范围的流体流场发生变化，卡门涡街是大自然能量的表现，这种能量远大于一个风力机所采集的流管面积的能量，这种能量不正是我们应该研究加以利用的吗？8卡门涡街在风力机叶片上的应用刘运超一，卡门涡街的形成当气流在一个物体周围流动时，冯·8卡门涡街在风力机叶片上的应用刘运超卡门涡街便会出现，气流会在物体后方分裂成一系列尾流和旋涡。图片中的这个物体是一个中空圆柱。这幅

5、图片由柏林祖斯研究所、柏林理工学院以及东北大学的科学家制作。他们表示，蓝紫色区域是尾流相遇的地方，红色区域内的气流将随后分裂。  在圆柱绕流实验中发现，大约在Re=40起，圆柱后部的一对旋涡开始出现不稳定地摆动，如图C4.7.3(b)所示，大约到Re=70起，旋涡交替地从圆柱上脱落，两边的旋涡旋转方向相反，随流而下，在圆柱后面形成有一定规则的、交叉排列的涡列，称为卡门涡街一，卡门涡街的利用在奥运会上，我们看到帆船运动员在没有风的情况下，不停地摇动帆翼，使得帆船得以前进。如果把船看作不动，则可以看作来流以船前进的速度和相反的方向，以迎角和大小周期性变化地吹向帆翼。为什么摇动

6、帆翼帆船会前进呢？我们来分析一下鱼的运动鱼之所以能高效率的运动，是由于来自尾鳍整合背后涡流的方式。这些涡流的强度随著尾鳍的力量而增加，但是它们的旋转轴方向一直都是垂直于鱼前进的方向，也就使形成有效推力的喷流平行于鱼前进的方向。8卡门涡街在风力机叶片上的应用刘运超1.尾鳍先以摆动造成一个大涡流2.迅速地顶端摆动造成一个相反方向的涡流3.下摆之后的尾鳍使得两个涡流相遇4.相伴的两个涡流形成一柱强力的向后喷流，并相互减弱其涡流强度。鱼的本能使他们能精确而又有效地控制尾鳍，来吸取它们周围水流的动能，任何物体造成的涡流、紊流(turbulence)、甚至从它们自己身体前部形成的涡流

7、。相同的道理也已经被运用在船舶设计上，让船的推进螺旋浆吸收一些船体本身涡流中的动能，依此原理设计的螺旋桨称为(wakeadaptivepropeller)。但是，造船工程师至今仍无法十分有效地掌握船艉迹流的特性，特別是无法掌握瞬时的迹流，仅能以平均迹流的特性来设计螺浆。然而，鱼和海中哺乳动物如海豚显然深谙这类戏法，知道如何处置它们的身体与摆动它们的尾鳍，远比造船工程师更为熟炼这类技巧，常常可见它们游戏、跳跃，并跟著船游行数里以上。位于河中物体造成的迹流中，鱼利用尾鳍制造旋转方向与迹流涡流相反的涡流，以吸收迹流中的动能。五卡门涡