卡门涡街现象PPT

1、卡门涡街现象,课外参考系列之一,化学与环境工程学院 李强,以此缅怀追求科学真理的先人们;并向为实现中国梦而奋斗的人们致以崇高的敬意！,10/6/2020,2,F-117A,10/6/2020,3,F16CJ猎鹰战斗机发射一枚小牛AGM65D型空对地导弹。,10/6/2020,4,F/A-8大黄蜂战斗机，以超音速飞行时，造成了音爆并在视觉上产生了烟雾的效果。,10/6/2020,5,A U.S. Air Force B-2 Spirit and two B-117A Nighthawks fly in formation,10/6/2020,6,歼-10是我国第一种装备部队使用的国产第三代战斗机，第一种真正兼有空优/对地双重作战能力的国产作战飞机,10/6/2020,7,歼-20中国第一款四代战机，也是迄今为止最大的国产战斗机。,10/6/2020,8,2014年3月2日中午12时左右，中国最新版2011号歼20战机成功首飞。,10/6/2020,9,2014年3月2日中午12时左右，中国最新版2011号歼20战机成功首飞。,10/6/2020,10,歼-31中国第一款五代战机。,10/

2、6/2020,11,歼-31中国第一款五代战机。,10/6/2020,12,F-35美国第一款五代战机。,10/6/2020,13,F-35美国第一款五代战机。,10/6/2020,14,10/6/2020,15,我国第一艘航空母舰“辽宁舰”，2012.925在大连造船厂正式交付海军。,10/6/2020,16,10/6/2020,17,10/6/2020,18,10/6/2020,19,10/6/2020,20,10/6/2020,21,10/6/2020,22,10/6/2020,23,航母建设承载着民族振兴的梦想，吸引了大批优秀人才。首批航母舰员中，具有本科以上学历的军官达到98%以上，博士硕士也有50余人。“先进的装备需要高素质的人才。,10/6/2020,24,10/6/2020,25,10/6/2020,26,10/6/2020,27,穿上消防服张明珠与男兵一起值班。,一个航母梦，让副航海长韦慧晓毫不犹豫地选择了海军。 这位毕业于中山大学地球科学系的博士生在自荐信里写道：“给我一个能到部队服役的机会，定当矢志不渝，精忠报国！” 知名企业工作过、西藏支教过、北京奥运当过志愿者

3、、“广东五四青年奖章”获得者韦慧晓的经历让同学羡慕，选择却让同学惊诧。 “我热爱航母事业。”韦慧晓说，“只要让我留下来，不发工资也行。”,年月，面对舰队水文气象中心和辽宁舰的选择，特招入伍的韦慧晓将人生抉择的砝码，坚定地压向中国首艘航母。 在院校培训期间，韦慧晓学习了航海专业课程，以全队总分第一的成绩结业。她刻苦钻研业务，上舰不久已能完成海图作业。年，她牵头开展的航母“飞行甲板风场特性”研究，顺利通过总部有关部门的立项。,10/6/2020,28,“里根”号航空母舰是美国尼米兹级核动力航空母舰的九号舰，也是美国在进入21世纪以后第一艘成军的航空母舰。,10/6/2020,29,美国最新型福特号航空母舰于当地时间2013年10月11日成功下水。福特号航母是美国海军下一代的福特级核动力航空母舰一号舰。,10/6/2020,30,什么是卡门涡街（Krmn vortex street）现象？,在流体中安置阻流体，在特定条件下在阻流体下游的两侧，会产生两道非对称地排列的旋涡，其中一侧的旋涡顺时针方向转动，另一旋涡则反时针旋转，这两排旋涡相互交错排列，各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐，如街道两边

4、的街灯排列一样。 这种现象，因匈牙利裔美国空气动力学家西奥多冯卡门最先从理论上阐明而得名卡门涡街。,10/6/2020,31,10/6/2020,32,2002年7月5日， 在西非海岸附近的Canary海岛上空形成的卡门涡街云。,10/6/2020,33,2002年12月1日，Madeira岛上空的卡门涡街。,10/6/2020,34,10/6/2020,35,10/6/2020,36,这张图片上展示的是冯卡门旋涡，一排旋涡正在交替改变向前运行的方向。当风或者洋流被小岛或者岛屿挡住去路时，就会形成这种图形。该图片中的这些旋涡是在经过太平洋北部向东运行过程中，遇到阿留申群岛时形成的。,2007年美国的“陆地卫星7”号拍摄了这张图片。,10/6/2020,37,10/6/2020,38,Theodore von Krmn (18811963),冯卡门是美藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，1881年5月11日生于匈牙利布达佩斯，1963年5月7日卒于德国亚琛。他在美国加州理工学院的研究生中，有中国学者钱学森、郭永怀、钱伟长，以及美藉华人学者林家翘等，他的学术思想对中国力学事业的发展起了积

5、极的作用。他善于透过现象，抓住事物的物理本质，提炼出数学模型，树立了现代力学中数学理论和工程实际紧密结合的学风，奠定了现代力学的基本方向。他做出了许多卓越的成果，接受过许多国家的勋章，其中包括美国的第一枚国家科学勋章。,10/6/2020,39,Sculpture inside the Krmn Auditorium at RWTH Aachen University,10/6/2020,40,冯卡门1881年5月11日出生在奥匈帝国布达佩斯一个犹太家庭，他曾在布达佩斯的皇家技术大学，也就是现在的布达佩斯技术经济大学学习工程。1902年毕业后，他师从于哥廷根大学的路德维希普朗特,并在1908年获得博士学位。在哥廷根教了4年书后，1912年他在德国最好的大学之一亚琛工业大学的航空动力研究所获得主任的职位。1915-1918年，在奥匈帝国军队的服役，中止了他在亚琛工业大学设计早期直升机的生活，最终他与1930年离开亚琛工业大学。,10/6/2020,41,冯卡门在1930年接受了加州理工学院的古根罕空气动力学实验室主任职位并移民到美国。1936年，和弗兰克马利纳及杰克柏尔逊一起成立了一个名

6、为航空喷气公司来生产喷气助推起飞火箭发动机。 二战中德国人的行动引起了美国军方对于火箭研究的兴趣。1943年初，美国将英国情报部门关于德国火箭射程达到100英里(160公里)的报告给冯卡门。在1943年8月2日的一封信中，冯卡门向军方提出他对于德国项目的分析以及评价。,10/6/2020,42,1944年，他和其他加州理工学院的古根罕空气动力学实验室的人员一起组建喷气推进实验室。1946年，他成了研究空气动力学技术的美国空军科学咨询团首任主席。同时，也帮助组建了航天研究与发展咨询团，北约航天研究督导咨询团(1951年)，国际航空科学委员会（1956年），国际宇航科学院（1960年）以及布鲁塞尔冯卡门流体力学学院。,10/6/2020,43,81岁时，冯卡门成为首个美国国家科学奖章获得者，在白宫由约翰肯尼迪总统颁奖。获奖理由为“他在航空动力学的科学与工程基础的领导才能”、“在力学各方面的有影响力的教学和相关贡献以及对于美国军队杰出的帮助”以及“对于国际科学工程合作的促进”。1963年5月7日他去世在去亚琛的路上，并葬在帕萨迪娜。他终生未婚。 冯卡门的名望源于他用数学工具来研究流体流动，并

7、通过此来指导实际的设计。,President Kennedy honors Dr. von Krmn,10/6/2020,44,他在认识到现代喷气飞机中普遍存在的后掠翼的重要性方面起到重要作用。他是工程力学和航空技术的权威，对于二十世纪流体力学、空气动力学理论与应用的发展，尤其是在超声速和高超声速气流表征方面，以及亚声速与超声速航空、航天器的设计，产生了重大影响。,匈牙利发行的冯卡门纪念邮票， 以卡门涡街为背景。,10/6/2020,45,边界层理论与卡门涡街,1911年，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，他让一位攻读博士学位的研究生卡尔希门茨设计一个流水槽，以便观察流水经过一个圆柱体时的边界层，并要求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。,普朗特在1904年用普朗特水槽模拟流体过程,路德维希普朗特（Ludwig Prandtl，1875年2月4日1953年8月15日）德国力学家。近代力学奠基人之一。1901年在一机械厂工作中，因改进用管道抽吸废屑的装置发现了气流分离问题；后

8、来在汉诺威大学任教授时，用自制水槽观察曲面流动现象，三年后提出边界层的理论。,10/6/2020,46,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“还是摆动”，过几天又问：“卡尔，怎么样了？”，“还是振动得厉害”。这时冯.卡门想，如果水流始终在摆动，这个现象一定会有内在的客观原因。在一个周末，冯.卡门用粗略的运算方法，试计算了一下涡系的稳定性。他假定只有一个涡旋可以自由活动，其他所有的涡旋都固定不动。然后让这一涡旋稍微移动一下位置，看看计算出来会有什么样的结果。,10/6/2020,47,冯.卡门得到的结论是：如果是对称的排列，那么这个涡旋就一定离开它原来的位置越来越远；而对于反对称的排列，虽然也得到同样的结果，但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值，这对涡旋却停留在它原来位置的附近，并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。,10/6/2020,48,冯.卡门向普朗特教授报告了他的计算结果，并问普朗特对这一现象的看法如何？普朗特说，“这里面有些道理，写下来罢，

9、我把你的论文提交到学院去”。冯.卡门后来回忆时，对此事写道：“这就是我关于这一问题的第一篇论文。之后，我觉得，我的假定有点太武断。于是又重新研究一个所有涡旋都能移动的涡系。这样需要稍微复杂一些的数学计算。经过几周后，计算完毕，我写出了第二篇论文。有人问我：你为什么在三个星期内提出两篇论文呢？一定有一篇是错的罢。其实并没有错，我只是先得出个粗略的近似，然后再把它细致化，基本上结果是一样的；只是得到的临界比的数值并不完全相同”。,10/6/2020,49,冯.卡门自己后来在书中写道：“我并不宣称，这些涡旋是我发现的。早在我生下来之前，大家已知道有这样的涡旋。我最早看到的是意大利Bologna的圣彼得尼欧大教堂(Basilica of St Petronius)教堂中的一张图画。图上画着St.Christopher抱着幼年的耶稣涉水过河。画家在Christopher的赤脚后面，画上了交错的涡旋。”,10/6/2020,50,冯.卡门认为他在19111912年，对这一问题研究的贡献主要是二个方面： 一是发现涡街只有当涡旋是反对称排列，且仅当行列的距离对同行列内相邻两涡旋的间隔有一定的比值时才稳定； 二是将涡系所携带的动量与阻力联系了起来。,10/6/2020,51,冯.卡门还说，在他之前，有一位英国科学家马洛克（Henry Reginald Arnulpt Mallock 18511933）也已观察到障碍物后面交错的涡旋，并摄有照片。又还有一位法国教授贝尔纳（Henry Bnard 18741939）也作过关于这一问题的大量研究。只不过贝尔纳主要考察了粘性液体和胶悬溶液中的涡旋，并且其考察的角度是实验物理学的观点多于空气动力学的观点。,10/6/2020,52,卡门涡街形成的条件,卡门涡街形成的条件： 当雷诺数=30时，圆柱体后的液体呈平稳状态； 当雷诺数=40， 圆柱体后的液体开始出现正弦式波动； 当雷诺数=47， 圆柱体后的液体，前端仍然呈正弦状，越往后越脱离正弦波动； 当雷诺数47， 圆柱体后的液体，出现卡门涡街 当雷诺数在50至85之间，圆柱体后的液体压力，呈等振幅波动 当雷诺数=185时，圆柱体后的液体压力，呈非均匀振幅波动。,10/6/2020,53,卡门涡街频率,卡门涡街起因流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥离，形成交替的涡流。这种交替的涡流，

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