馮•卡門（Theodore von Kármán 1881~1963）是美藉匈牙利力學(xué)家，近代力學(xué)的奠基人之一，1881年5月11日生于匈牙利布達(dá)佩斯，1963年5月7日卒于德國(guó)亞琛。

　　他在美國(guó)加州理工學(xué)院的研究生中，有中國(guó)學(xué)者錢學(xué)森、郭永懷、錢偉長(zhǎng)，以及美藉華人學(xué)者林家翹等，他的學(xué)術(shù)思想對(duì)中國(guó)力學(xué)事業(yè)的發(fā)展起了積極的作用。

　　他善于透過(guò)現(xiàn)象，抓住事物的物理本質(zhì)，提煉出數(shù)學(xué)模型，樹立了現(xiàn)代力學(xué)中數(shù)學(xué)理論和工程實(shí)際緊密結(jié)合的學(xué)風(fēng)，奠定了現(xiàn)代力學(xué)的基本方向。他做出了許多卓越的成果，接受過(guò)許多國(guó)家的勛章，其中包括美國(guó)的第一枚國(guó)家科學(xué)勛章。

　　本文介紹的卡門渦街，是馮•卡門所做出的卓越貢獻(xiàn)之一。

　　卡門渦街的研究歷史

　　卡門渦街是流體力學(xué)中重要的現(xiàn)象,在自然界中�？捎龅剑�在一定條件下的定常來(lái)流繞過(guò)某些物體時(shí)，物體兩側(cè)會(huì)周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經(jīng)過(guò)非線性作用后，形成卡門渦街。如水流過(guò)橋墩，風(fēng)吹過(guò)高塔、煙囪、電線等都會(huì)形成卡門渦街�？ㄩT渦街有一些很重要的應(yīng)用，因此有必要了解其研究歷史及有關(guān)的應(yīng)用情況。

　　馮•卡門出身于奧匈帝國(guó)—個(gè)教育學(xué)教授的家庭，1902年畢業(yè)于布達(dá)佩斯皇家工學(xué)院，1906年去德國(guó)哥廷根（Göttingen）大學(xué)求學(xué)，在普朗特（Ludwig Prandtl 1875~1953）教授的指導(dǎo)下，于1908年獲得博士學(xué)位。馮•卡門1911年時(shí)在哥廷根大學(xué)當(dāng)助教，普朗特教授當(dāng)時(shí)的研究興趣，主要集中在邊界層問(wèn)題上。普朗特交給博士生哈依門茲（Karl Hiemenz ）的任務(wù)，是設(shè)計(jì)一個(gè)水槽，使能觀察到圓柱體后面的流動(dòng)分裂，用實(shí)驗(yàn)來(lái)核對(duì)按邊界層理論計(jì)算出來(lái)的分裂點(diǎn)。為此，必須先知道在穩(wěn)定水流中圓柱體周圍的壓力強(qiáng)度如何分布。哈依門茲做好了水槽，但出乎意外的是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在水槽中的水流不斷地發(fā)生激烈的擺動(dòng)。

　　哈依門茲向普朗特教授報(bào)告這一情況后，普朗特告訴他：“顯然，你的圓柱體不夠圓”�？墒�，當(dāng)哈依門茲將圓柱體作了非常精細(xì)的加工后，水流還是在繼續(xù)擺動(dòng)。普朗特又說(shuō)：“水槽可能不對(duì)稱”。哈依門茲于是又開(kāi)始細(xì)心地調(diào)整水槽，但仍不能解決問(wèn)題。

　　馮•卡門當(dāng)時(shí)所做的課題與哈依門茲的工作并沒(méi)有關(guān)系，而他每天早上進(jìn)實(shí)驗(yàn)室時(shí)總要跑過(guò)去問(wèn)：“哈依門茲先生，現(xiàn)在流動(dòng)穩(wěn)定了沒(méi)有？”哈依門茲非常懊喪地回答：“始終在擺動(dòng)”。

　　這時(shí)馮•卡門想，如果水流始終在擺動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象一定會(huì)有內(nèi)在的客觀原因。在一個(gè)周末，馮•卡門用粗略的運(yùn)算方法，試計(jì)算了一下渦系的穩(wěn)定性。他假定只有一個(gè)渦旋可以自由活動(dòng)，其他所有的渦旋都固定不動(dòng)。然后讓這一渦旋稍微移動(dòng)一下位置，看看計(jì)算出來(lái)會(huì)有什么樣的結(jié)果。馮•卡門得到的結(jié)論是：如果是對(duì)稱的排列，那么這個(gè)渦旋就一定離開(kāi)它原來(lái)的位置越來(lái)越遠(yuǎn)；
而對(duì)于反對(duì)稱的排列，雖然也得到同樣的結(jié)果，但當(dāng)行列的間距和相鄰渦旋的間距有一定比值對(duì)，這渦旋卻停留在它原來(lái)位置的附近，并且圍繞原來(lái)的位置作微小的環(huán)形路線運(yùn)動(dòng)。

　　星期一上班時(shí)，馮•卡門向普朗特教授報(bào)告了他的計(jì)算結(jié)果，并問(wèn)普朗特對(duì)這一現(xiàn)象的看法如何？普朗特說(shuō)，“這里面有些道理，寫下來(lái)罷，我把你的論文提交到學(xué)院去”。馮•卡門后來(lái)回憶時(shí)，對(duì)此事寫道：“這就是我關(guān)于這一問(wèn)題的第一篇論文。之后，我覺(jué)得，我的假定有點(diǎn)太武斷。于是又重新研究一個(gè)所有渦旋都能移動(dòng)的渦系。這樣需要稍微復(fù)雜一些的數(shù)學(xué)計(jì)算。經(jīng)過(guò)幾周后，計(jì)算完畢，我寫出了第二篇論文。有人問(wèn)我：‘你為什么在三個(gè)星期內(nèi)提出兩篇論文呢？一定有一篇是錯(cuò)的罷’。其實(shí)并沒(méi)有錯(cuò)，我只是先得出個(gè)粗略的近似，然后再把它細(xì)致化，基本上結(jié)果是一樣的；
只是得到的臨界比的數(shù)值并不完全相同”。

　　馮•卡門是針對(duì)哈依門茲的水槽實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行渦旋排列的研究的。后來(lái)人們由于馮•卡門對(duì)其機(jī)理詳細(xì)而又成功的研究，將它冠上了卡門的姓氏，稱為卡門渦街。

　　馮•卡門自己后來(lái)在書中寫道：“我并不宣稱，這些渦旋是我發(fā)現(xiàn)的。早在我生下來(lái)之前，大家已知道有這樣的渦旋。我最早看到的是意大利Bologna教堂中的一張圖畫。圖上畫著St.Christopher抱著幼年的耶穌涉水過(guò)河。畫家在Christopher的赤腳后面，畫上了交錯(cuò)的渦旋�！瘪T•卡門還說(shuō)，在他之前，有一位英國(guó)科學(xué)家馬洛克（Henry Reginald Arnulpt Mallock 1851~1933）也已觀察到障礙物后面交錯(cuò)的渦旋，并攝有照片。又還有一位法國(guó)教授貝爾納（Henry Bénard 1874~1939）也作過(guò)關(guān)于這一問(wèn)題的大量研究。只不過(guò)貝爾納主要考察了粘性液體和膠懸溶液中的渦旋，并且其考察的角度是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的觀點(diǎn)多于空氣動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)。

　　馮•卡門認(rèn)為他在1911~1912年，對(duì)這一問(wèn)題研究的貢獻(xiàn)主要是二個(gè)方面：一是發(fā)現(xiàn)渦街只有當(dāng)渦旋是反對(duì)稱排列，且僅當(dāng)行列的距離對(duì)同行列內(nèi)相鄰兩渦旋的間隔有一定的比值時(shí)才穩(wěn)定；
二是將渦系所攜帶的動(dòng)量與阻力聯(lián)系了起來(lái)。

　　塔科瑪橋風(fēng)毀事故與卡門渦街

　　20世紀(jì)40年代，美國(guó)塔科瑪峽谷橋（Tacoma Narrow Bridge）風(fēng)毀事故的慘痛教訓(xùn)，使人們認(rèn)識(shí)到卡門渦街對(duì)建筑安全上的重要作用。

　　1940年，美國(guó)華盛頓州的塔科瑪峽谷上花費(fèi)640萬(wàn)美元，建造了一座主跨度853.4米的懸索橋。建成4個(gè)月后，于同年11月7日碰到了一場(chǎng)風(fēng)速為19米/秒的風(fēng)。雖風(fēng)不算大，但橋卻發(fā)生了劇烈的扭曲振動(dòng)，且振幅越來(lái)越大（接近9米），直到橋面傾斜到45度左右，使吊桿逐根拉斷導(dǎo)致橋面鋼梁折斷而塌毀，墜落到峽谷之中。當(dāng)時(shí)正好有一支好萊塢電影隊(duì)在以該橋?yàn)橥饩芭臄z影片，記錄了橋梁從開(kāi)始振動(dòng)到最后毀壞的全過(guò)程，它后來(lái)成為美國(guó)聯(lián)邦公路局調(diào)查事故原因的珍貴資料。人們?cè)谡{(diào)查這一事故收集歷史資料時(shí)，驚異地發(fā)現(xiàn)：從1818年到19世紀(jì)末，由風(fēng)引起的橋梁振動(dòng)己至少毀壞了11座懸索橋。

　　第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，人們對(duì)塔科瑪橋的風(fēng)毀事故的原因進(jìn)行了研究。一開(kāi)始，就有二種不同的意見(jiàn)在進(jìn)行爭(zhēng)論。—部份航空工程師認(rèn)為塔科瑪橋的振動(dòng)類似于機(jī)翼的顫振；
而以馮卡門為代表的流體力學(xué)家認(rèn)為，塔科瑪橋的主梁有著鈍頭的H型斷面，和流線型的機(jī)翼不同，存在著明顯的渦旋脫落，應(yīng)該用渦激共振機(jī)理來(lái)解釋。馮•卡門1954年在《空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展》一書中寫道：塔科瑪海峽大橋的毀壞，是由周期性旋渦的共振引起的。設(shè)計(jì)的人想建造一個(gè)較便宜的結(jié)構(gòu)，采用了平鈑來(lái)代替桁架作為邊墻。不幸，這些平鈑引起了渦旋的發(fā)放，使橋身開(kāi)始扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這一大橋的破壞現(xiàn)象，是振動(dòng)與渦旋發(fā)放發(fā)生共振而引起的。

　　20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，證明了馮•卡門的分折是正確的。塔科瑪橋的風(fēng)毀事故，是一定流速的流體流經(jīng)邊墻時(shí)，產(chǎn)生了卡門渦街；
卡門渦街后渦的交替發(fā)放，會(huì)在物體上產(chǎn)生垂直于流動(dòng)方向的交變側(cè)向力，迫使橋梁產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)發(fā)放頻率與橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率相耦合時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振，造成破壞。

　　卡門渦街不僅在圓柱后出現(xiàn)，也可在其他形狀的物體后形成，例如在高層樓廈、電視發(fā)射塔、煙囪等建筑物后形成。這些建筑物受風(fēng)作用而引起的振動(dòng)，往往與卡門渦街有關(guān)。因此，現(xiàn)在進(jìn)行高層建筑物設(shè)計(jì)時(shí)都要進(jìn)行計(jì)算和風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)，以保證不會(huì)因卡門渦街造成建筑物的破壞。據(jù)了解，北京、天津的電視發(fā)射塔，上海的東方明珠電視塔在建造前，都曾在北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系的風(fēng)洞中做過(guò)模型實(shí)驗(yàn)。

　　他準(zhǔn)備“對(duì)不幸的事故負(fù)責(zé)”

　　20世紀(jì)60年代，我國(guó)曾在北京郊區(qū)建造了一座高達(dá)325米的氣象塔，以研究北京地區(qū)的大氣污染情況。該塔用15根纖繩固定在地面上，是當(dāng)時(shí)亞洲最高的氣象塔。但在竣工不久便出現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象：在天氣晴朗、微風(fēng)吹拂時(shí)，高塔發(fā)生振動(dòng)，伴之有巨大轟鳴聲，使附近居民感到擔(dān)心；
而在刮風(fēng)下雨的惡劣天氣，反倒無(wú)事。經(jīng)過(guò)科研人員的詳細(xì)測(cè)量和分析，終于弄清了這一現(xiàn)象的原因，是在那樣的風(fēng)速下，氣流在塔的纖繩這一柱體上發(fā)放渦旋，形成了卡門渦街，其頻率又與纖繩的自振頻率相耦合而發(fā)出了轟鳴聲。

　　1912年，馮•卡門的論文發(fā)表不久，時(shí)任英國(guó)劍橋大學(xué)校長(zhǎng)的力學(xué)家、物理學(xué)家瑞利（John William Strut Rayleigh, 1842-1919）爵士就指出，這些交錯(cuò)的旋渦必定就是風(fēng)吹豎琴（Aeolian harp）發(fā)音（線鳴）的原因。馮•卡門也說(shuō)：“有人想必還記得雙翼機(jī)的線鳴現(xiàn)象，這聲音就來(lái)自渦旋的周期性發(fā)放”。

　　葛威爾（Gongwer，C.A）曾通過(guò)實(shí)驗(yàn)，指出了水下交通工具的某些短撐有時(shí)會(huì)唱出很高的音調(diào)，原因就在于短撐后面沒(méi)有合適的銳利邊緣，以致周期性發(fā)放渦旋而引起振動(dòng)。顧策（Gutsche，F(xiàn)）所發(fā)現(xiàn)的船下推進(jìn)器的唱音，馮•卡門認(rèn)為也可以這樣來(lái)解釋。

　　有一個(gè)法國(guó)海軍工程師告訴馮•卡門，當(dāng)某一潛艇在潛航速率超過(guò)7海浬時(shí)，潛望鏡忽然完全失去作用。馮•卡門認(rèn)為，這是因?yàn)殓R筒發(fā)放周期性的渦旋，在一定速率下，渦旋發(fā)放的頻率和鏡筒的自然振動(dòng)頻率發(fā)生了共鳴。由于同樣的原因，無(wú)線電天線塔也會(huì)在天然風(fēng)中發(fā)生共鳴振動(dòng)；
輸電線的低頻振動(dòng)也與發(fā)放渦旋有關(guān)系。

　　有趣的是，馮•卡門1954年所寫的《空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展》一書中，在列舉了塔科瑪橋風(fēng)毀及—些由卡門渦街引起的事故后，曾幽默風(fēng)趣地說(shuō)，“我永遠(yuǎn)準(zhǔn)備對(duì)卡門渦街所造成的其他不幸事故負(fù)責(zé)”。

　　卡門渦街流量計(jì)

　　實(shí)際上，卡門渦街并不全是會(huì)造成不幸的事故，它也有很成功的應(yīng)用。比如己在工業(yè)中廣泛使用的卡門渦街流量計(jì)，就是利用卡門渦街現(xiàn)象制造的一種流量計(jì)。它將渦旋發(fā)生體垂直插入到流體中時(shí)，流體繞過(guò)發(fā)生體時(shí)會(huì)形成卡門渦街，在滿足一定的條件下，非對(duì)稱渦列就能保持穩(wěn)定，此時(shí)，渦旋的頻率f與流體的流速v及渦旋發(fā)生體的寬度d有如下關(guān)系：

　　f=St(v/d)

　　其中St為斯特勞哈爾數(shù)，在正常工作條件下為常數(shù)。

　　卡門渦街流量計(jì)有許多優(yōu)點(diǎn)：可測(cè)量液體、氣體和蒸汽的流量；
精度可達(dá)±1%(指示值)；
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)件，可靠、耐用；
壓電元件封裝在發(fā)生體中，檢測(cè)元件不接觸介質(zhì)；
使用溫度和壓力范圍寬，使用溫度最高可達(dá)400℃；
并具備自動(dòng)調(diào)整功能，能用軟件對(duì)管線噪聲進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

　　關(guān)鍵詞 馮•卡門 卡門渦街 渦旋 共振 流量計(jì)

　　參考文獻(xiàn)

　　1、Theodore von Kármán，Aerodynamics ：Selected Topics in the Light of their Historical Development，Cornell University Press ，1954。

　　2、周光坰、嚴(yán)宗毅、許世雄、章克本，流體力學(xué)（第二版），北京：高等教育出版社，2000

　�。ㄔ�刊登于《力學(xué)與實(shí)踐》2006年28卷1期）

相關(guān)熱詞搜索：卡門 漫話 及其應(yīng)用 渦街 王振東