卡门涡街

可视化圆柱后方卡门涡街的形成、涡量场和力系数动态变化

流场

力系数

升力频谱

卡门涡街

当流体以中等雷诺数(Re ~ 50-300)绕过钝体(如圆柱)时,物体两侧交替脱落旋涡,形成两排交错排列的涡列——卡门涡街。脱落频率 f 遵循斯特劳哈尔关系:St = fD/U,其中 St ≈ 0.2(圆柱)。冯·卡门(1911)分析了涡排列的稳定性,证明交错排列是唯一稳定的构型。

流动状态

圆柱绕流在很低 Reynolds 数下表现为蠕动流或几乎无分离;在中等范围会出现稳定附着尾迹;再往上则进入周期性涡脱落区。本页最适合演示的正是这种低到中等 Re 的二维亚临界行为,并不试图重建阻力危机或真正高 Re 的全湍流圆柱绕流。

工程意义

涡脱落对结构产生周期性力:桥梁(塔科马海峡大桥,1940)、烟囱、海洋立管、换热器管束、输电线。若脱落频率锁定结构固有频率,共振将放大振动导致疲劳失效。工程师利用斯特劳哈尔数关联、螺旋条纹和阻尼来抑制涡致振动。

大气涡街

当稳定分层气流绕过岛屿时,大气中也会形成卡门涡街。卫星图像显示了瓜达卢佩岛、加那利群岛和济州岛下风方向壮观的涡街。这些中尺度涡旋可延伸数百公里,间距遵循与实验室尺度涡街相同的稳定性分析。

观察要点

主画面可显示圆柱周围的涡量、速度大小或压力代理量。在涡量模式下,红色=逆时针旋转,蓝色=顺时针旋转。观察圆柱后方交替旋涡如何形成交错排列。力图显示升力(振荡)和阻力(均值+振荡)。频谱同时标出测得的主导升力振荡峰和参考 Strouhal 预测。

实验建议

1) 用「涡街」预设开始——观察规则交替脱落。2) 切换「附着涡对」——注意主要是稳定尾迹而非周期脱落。3) 尝试「更高 Re」——在当前二维亚临界模型里观察更强、更不规则的脱落。4) 调节流速和粘度观察 Re 变化。5) 对比测得的升力频谱峰和参考 Strouhal 线。6) 切换着色模式,对比涡量、速度大小和压力代理图。