流體的“舞蹈”

當(dāng)溪水流過大石塊等障礙物時(shí)，會(huì)被分成兩股交替的、不對(duì)稱的旋渦；當(dāng)風(fēng)吹過高聳的山峰時(shí)，在云層下方會(huì)形成一個(gè)個(gè)旋渦……這些司空見慣的現(xiàn)象背后，其實(shí)是流體力學(xué)中的卡門渦街原理。

自然界中的神秘圖案

當(dāng)風(fēng)吹過山峰、云團(tuán)，穿過島嶼，都會(huì)出現(xiàn)卡門渦街現(xiàn)象，形成自然界中神秘的圖案。

卡門渦街現(xiàn)象是指在一定條件下，氣體或者液體繞過某些物體時(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)則的兩列蘑菇狀旋渦，就像在跳舞一樣。

開始時(shí)，這兩列蘑菇狀旋渦分別保持自身的運(yùn)動(dòng)方向；接著，它們互相干擾、吸引，且干擾越來越大，形成非線性的旋渦；隨著雷諾數(shù)（與流體的密度、速度，管道的半徑、流體的黏度有關(guān)）的增加，旋渦的形狀會(huì)發(fā)生一系列變化，形成各種極為復(fù)雜的旋渦結(jié)構(gòu)，最后成為湍流。

高懸的電線被風(fēng)吹過時(shí)，會(huì)發(fā)出嗡鳴聲；汽車在高速行駛時(shí)，會(huì)受到氣動(dòng)阻力；潛艇下行時(shí)，潛望鏡會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)……這些現(xiàn)象都可以用卡門渦街原理解釋。

流體力學(xué)的里程碑

在1911～1912年間，德國流體力學(xué)家普朗特在觀察水槽中圓柱后方的水流分離現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)，水槽里的水流不斷發(fā)生擺動(dòng)。普朗特認(rèn)為，可能是圓柱表面不夠光滑或水槽做得不對(duì)稱。但是，無論如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，總是消除不了這種擺動(dòng)。

馮·卡門（普朗特的學(xué)生）抓住了這個(gè)令普朗特困惑許久的現(xiàn)象，進(jìn)行了反復(fù)驗(yàn)證。他觀察到流體流過障礙物時(shí)，會(huì)形成一排排的小旋渦，而且這些旋渦的脫落頻率和流體的速度有關(guān)。馮·卡門將這個(gè)現(xiàn)象命名為卡門渦街現(xiàn)象，它標(biāo)志著流體力學(xué)史上又一次重大的發(fā)現(xiàn)——不僅揭示了自然界中一個(gè)美麗的物理現(xiàn)象，還為工程設(shè)計(jì)和災(zāi)害預(yù)防提供了重要的理論支持和技術(shù)手段。

雷諾數(shù)：理解流體流動(dòng)方式的“工具”

想象一下，當(dāng)你在水中游泳時(shí)，水怎樣流過你的身體？有時(shí)，水流得像絲綢一樣平滑；但有時(shí)，水流得又亂又急。雷諾數(shù)就是幫助科研人員理解流體流動(dòng)方式的“工具”。

在低雷諾數(shù)下，流體流動(dòng)呈現(xiàn)為有序的層流，各層流體相對(duì)獨(dú)立地流動(dòng)，沒有明顯的混合。當(dāng)雷諾數(shù)增加到一定值時(shí)，流體流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，流體層間發(fā)生劇烈的混合，流動(dòng)變得復(fù)雜且不可預(yù)測(cè)。

物體后部是否會(huì)出現(xiàn)卡門渦街現(xiàn)象，主要取決于雷諾數(shù)，只有當(dāng)雷諾數(shù)處于特定范圍時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)規(guī)則的卡門渦街現(xiàn)象。

“雙面利刃”的科學(xué)啟示

任何事物的存在都有兩面性，卡門渦街現(xiàn)象展現(xiàn)了自然界和物理學(xué)中令人嘆為觀止的奇妙現(xiàn)象，同時(shí)也蘊(yùn)藏著不可忽視的危險(xiǎn)。

文明的“加速器”

卡門渦街現(xiàn)象能引發(fā)共振——當(dāng)固體頻率和旋渦頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振，而固體在旋渦作用下產(chǎn)生的振動(dòng)叫“渦激振動(dòng)”。

風(fēng)弦琴就是基于這一原理制造而成的樂器——在木制共鳴箱上安裝幾條琴弦，風(fēng)吹過琴弦引起振動(dòng)，就能發(fā)出樂聲。這一樂器曾在19世紀(jì)的歐洲盛行，多放置于公園、屋頂、古堡等地。

我國古代詩歌中也曾出現(xiàn)過此類樂器，例如唐代詩人高駢所作的《風(fēng)箏》一詩中寫道：“夜靜弦聲響碧空，宮商信任往來風(fēng)。依稀似曲才堪聽，又被風(fēng)吹別調(diào)中……”這里的“風(fēng)箏”是在紙鳶上掛竹笛、能迎風(fēng)作響的器具，它與風(fēng)弦琴有著類似構(gòu)造和發(fā)音原理。換言之，中國早在唐朝時(shí)期便發(fā)現(xiàn)且運(yùn)用了卡門渦街原理。

科研人員利用卡門渦街現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)能的捕捉，設(shè)計(jì)出僅憑一根柱子就可以發(fā)電的無葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)——空氣流過無葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋渦，誘發(fā)柱子產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng)從而發(fā)電；通過研究卡門渦街現(xiàn)象，工程師設(shè)計(jì)出渦流發(fā)生器等海洋能源設(shè)備，利用渦流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。

潛藏的“破壞者”

1940年11月7日，位于美國華盛頓州的塔科馬海峽吊橋，在建成僅4個(gè)月后就因卡門渦街現(xiàn)象被損毀——當(dāng)天，風(fēng)通過橋面下的空間時(shí)產(chǎn)生了卡門渦街現(xiàn)象，導(dǎo)致橋面產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，最終導(dǎo)致橋體結(jié)構(gòu)失效。

再例如，在海上石油生產(chǎn)平臺(tái)等海洋工程中，由于卡門渦街現(xiàn)象，海水可能會(huì)對(duì)石油平臺(tái)產(chǎn)生周期性的力，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)受損。

破解之道

為了規(guī)避與控制卡門渦街現(xiàn)象帶來的不利影響，科研人員在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)進(jìn)行精確的數(shù)值分析和嚴(yán)格的風(fēng)洞模型測(cè)試。例如，通過微調(diào)障礙物的形狀和尺寸，來改變形成卡門渦街現(xiàn)象的條件，從而減少渦流的強(qiáng)度和影響；在關(guān)鍵部位安裝阻尼器或振動(dòng)吸收器，有效吸收因卡門渦街現(xiàn)象引發(fā)的振動(dòng)能量，減少結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度；在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，充分考慮風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境因素，采用更加穩(wěn)固和抗風(fēng)的設(shè)計(jì)，減少卡門渦街現(xiàn)象的影響等等。

卡門渦街現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，不僅是流體力學(xué)史上的一個(gè)里程碑，也是跨學(xué)科研究的一個(gè)典范。它展示了自然界的奇妙和復(fù)雜，同時(shí)也提醒我們，科學(xué)探索永無止境，每一個(gè)現(xiàn)象背后都可能隱藏著更深層次的真理。

（責(zé)任編輯 / 高琳 美術(shù)編輯 / 周游）