神奇好玩的流体现象系列(二) | 卡门涡街现象

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【i专栏】神奇好玩的流体现象系列(二) | 卡门涡街现象

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        卡门涡街(Karman Vortex Street)现象?嗯~ ,名字有点拗口,不认识啊,问问!少废话,姓嘛?叫嘛? 从哪儿来?到哪儿去?家里几口人?人均几亩地?地里几头牛?说说说…….。燕捕头别着急,这家伙可干了不少大案子,史上被建筑领域公认的三大失败工程之一塔科马海峡大桥事故就是出自卡门涡街现象的杰作。

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        塔科马海峡大桥于1940年7月1日建成并通车,当时被誉为世界上最长的悬索桥,也被视为工程学的奇迹, 然而,在通车仅仅4个月后的1940年11月7日,一场风暴来袭,整个桥梁突然剧烈摇晃然后坍塌,成了美国的“豆腐渣工程”,造成了巨大的损失和震撼。塔科马海峡大桥事故的发生引起了建筑领域的集体震荡,使得人们不得不更加重视建筑设计中的共振和流体力学等方面的问题。

 

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塔科马海峡大桥倒塌前

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塔科马海峡大桥倒塌后

      当流体(如水流或气流)绕过某些物体(如桥墩、高塔、电线等)时,会在物体两侧周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡,形成一条条类似街道两侧街灯的涡旋列,这种景象在自然界中常可遇到,如水流过桥墩、风吹过高塔等,看起来非常的震撼。在某些情况下,如空气掠过电线时,涡旋的周期性脱落会引起电线的振动,从而发出嗡鸣声,这也是卡门涡街现象的一个有趣表现。当卡门涡街的频率与物体的固有频率相近时,会引发共振现象,导致物体产生剧烈的振动甚至损坏,如上面塔科马悬索桥的风毁事故就是这一原理的极端体现。

什么原理?

        卡门涡街现象的原理基于流体力学中的涡旋脱落和共振机制。当流体(如水流或气流)绕过某些物体(如桥墩、高塔、电线等)时,会在物体两侧周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡,形成一条条类似街道两侧街灯的涡旋列,这些涡旋在非线性作用下相互干扰、吸引,最终形成卡门涡街。涡旋的脱落频率与流体的速度、物体的形状和尺寸等因素有关,且当涡旋脱落频率与物体的固有频率相近时,会引发共振现象。

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这玩意有啥用?

  1. 流体测量:利用卡门涡街现象中涡脱落频率与流速相关的特性,可以制成涡街流量计。这种流量计通过测量涡旋的脱落频率来间接获得管道内流体的速度或流量,具有测量范围广、精度高、结构简单等优点。
  2. 建筑设计:在建筑设计中,了解卡门涡街现象有助于避免共振导致的结构损坏。通过调整建筑物的形状、尺寸或安装阻尼器等措施,可以提高建筑物的安全性和稳定性。
  3. 能源利用:在某些情况下,卡门涡街现象还可以被用于能源利用。例如,一些新型的风力发电机就利用了卡门涡街现象来产生电能,这种发电机不需要传统的扇叶结构,能够更有效地利用风能资源。

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        综上所述,卡门涡街现象这个名字拗口的家伙不仅具有视觉上的奇观和声音上的表现,还蕴含着深刻的物理原理和广泛的应用价值。通过深入研究和应用这一现象,我们可以更好地理解和利用自然界中的流体运动规律。

        那么各位小伙伴,你觉得这个“卡门涡街”现象和你现在的工作,生活能碰撞出什么火花来呢?你觉得它还能用在哪里呢?快打开你的脑洞,和小编一起聊聊吧!

 

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