卡门涡街
卡门涡街（英语：Karman Vortex Street），又称为“西奥多·冯·卡门漩涡”，是流体力学中重要的现象。在一定条件下黏性流体绕过某些物体时，由于边界层的分离，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。卡门涡街这一物理现象由两个无量纲数，即斯特劳哈尔数和雷诺数主导，与旋涡脱落频率，流体来流速度、流体黏度、流体密度、绕流物体的特征长度等5个因素有关。卡门研究发现，要形成稳定的卡门涡街，两列旋涡之间距离与同列中相邻两个旋涡间的距离之比需满足0.281。
1878年，斯特劳哈尔发现了圆管尾流中旋涡发放频率的规律。1908年，贝纳德（Benard）在做圆柱体在流体中的运动实验时，第一次发现圆柱体后面两侧分理出两排旋涡，它们两两间隔、旋转方向相反，旋涡间距不变，而两排涡列间距只与物体的线尺度有关。1912年西奥多·冯·卡门研究了圆柱体绕流现象，指出了圆柱体后所形成的稳定交替的涡街与流动的关系。1963年，哈洛和J.E.弗罗姆成功地对卡门涡街问题进行了数值模拟。1992年，弗里施（T.Frisch）等人首先在理论上发现，当超流体以临界速度流过以圆柱形障碍物时，障碍物后侧会脱落出一对量子化涡旋对。此后涌出了大量类似于经典流体中圆柱绕流的量子流体问题的理论以及实验研究。
卡门涡街具有重要的理论研究意义和工程应用价值。发生卡门涡街现象时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力。如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振，使物体损坏。卡门涡街还会产生声学效应。在工业中，利用卡门涡街现象制造的一种流量计已经被广泛使用。
命名原因
在流体中安置阻流体，在特定条件下会出现不稳定的边界层分离，阻流体下游的两侧会产生两道非对称排列的旋涡，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，就像街道两边的街灯一样。该现象是流体力学中重要的现象。
力学家西奥多·冯·卡门最先对出现在圆柱体绕流尾流区的这种旋涡作了深人分析，为纪念冯·卡门，把这种现象称为卡门涡街。
研究简史
经典流体阶段
圆柱绕流作为一种典型的钝体绕流，是一个很古老的问题，普遍地存在于自然界和工程中。1752年，让·达朗贝尔首次通过势流理论推导得出圆柱绕流理论方程。1878年，斯特劳哈尔在研究发生声音的一种方法时，发现了圆管尾流中旋涡发放频率的规律，其参数称为斯特劳哈尔数，其中为尾涡发放的频率;为圆柱直径;为流体相对于圆柱的速度。在一定的雷诺数范围内，为一常数，圆柱两侧发放下去的旋涡形成二列涡街。1883年雷诺将染料注入一条长水平管道的流水中，观察到了流体由层流转变为湍流的现象，提出了以他的名字命名的雷诺准则。
1904年路德维希·普朗特用金属粉末作为示踪粒子获得了一张沿平板的流谱图，提出了边界层的概念。1908年，贝纳德（Benard）在做圆柱体在流体中的运动实验时，第一次发现圆柱体后面两侧分理出两排旋涡，它们两两间隔、旋转方向相反，旋涡间距不变，而两排涡列间距只与物体的线尺度有关。1912年西奥多·冯·卡门对水槽中的圆柱体绕流做了细致的观察、推理和演算，研究了涡街的稳定性，指出了圆柱体后所形成的稳定交替的涡街与流动的关系，从数学上证明了圆柱体下游形成涡街的稳定条件。
1940年，美国华盛顿州发生了塔科玛峡谷悬索桥垮塌事件。一场风速为19米/秒的风使得建成4个月的悬索桥发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大(接近9米)，导致桥面钢梁折断而塌毁。1954年，冯·卡门在《空气动力学的发展》一书中指出，塔科玛海峡大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。1963年，哈洛和J.E.艾瑞克·弗洛姆成功地用电子计算机进行了流体力学中有名的卡门涡街问题的数值模拟。
20世纪60年代，经过计算和实验，证明了西奥多·冯·卡门的分析是正确的。塔科玛桥的风毁事故，是一定流速的流体流经边墙时，产生了卡门涡街，卡门涡街后涡的交替发放，使桥梁发生共振，造成破坏。
量子化卡门涡街
1992年，弗里施（T.Frisch）等人首先在理论上发现，当超流体以临界速度流过以圆柱形障碍物时，障碍物后侧会脱落出一对量子化涡旋对。此后出现了大量类似于经典流体中圆柱绕流的量子流体问题的理论以及实验研究。
2010年，佐佐木（K.Sasaki）等人研究了标量BEC中一运动的高斯障碍势后尾流变化，在障碍物后侧观察到了各类涡旋的脱落形式，其中发现了类似于经典流体中卡门涡街的尾迹，他们还研究了准二维强相分离双组分BEC的动力学，发现一个组分中的圆形气泡在通过另一个组分时会变成椭圆形，进而分裂为量子化涡旋的碎片尾迹形成卡门涡街。
2012年，斋藤（Saito）等人在对激子-极化子超流体中匀速运动的圆柱形障碍势动力学研究时，发现在这类超流体中也存在量子化卡门涡街。随后他们对BEC系统中沿正弦轨迹移动的障碍势进行研究，发现障碍势后侧也会脱落出量子化卡门涡街，当移动障碍势沿椭圆轨迹移动的频率过大，尽管观察到了部分的卡门涡街样尾迹，涡流脱落尾迹还是受到了干扰，表明障碍势的振动对涡街的形成具有调制作用。
2016年，权宇镇（WooJinKwon）等人首次报道了在实验上观测到移动的排斥高斯激光束后会周期性交替脱落出由两个量子化涡旋组成的涡旋簇，这些涡旋簇规则分布，形成了理论预言的量子卡门涡街。
定义
卡门涡街是黏性不可压缩流体动力学所研究的一种现象。当流体绕过非流线型物体时，物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋，称为卡门涡街。
卡门涡街由两条平行直线涡列构成，如图1所示，两个涡列之间的距离为，每个涡列中两个点涡之间的距离为，上下点涡交叉排列，间距为。
对卡门涡街的研究结果表明，当流体绕流一根圆柱时，在雷诺数为200～50000，柱后旋涡的脱体频率与绕流速度成正比．与圆柱体直径成反比，即，式中为斯特劳哈尔数，它主要与流体的雷诺数有关。
在自然界中经常可以看到卡门涡街现象，例如水流过桥墩，恒定风吹过烟囱、电线等都会形成卡门涡街。
特性
周期性
在一定条件下的恒定来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反，涡旋间距离不变，而两侧涡列间距只和物体的线尺度有关并排列成有规则的双列旋涡。
当流体绕流物体发生涡街现象时，会对物体产生一种额外的周期性作用力。以圆柱体的涡街为例，当圆柱体两侧交替释放旋涡时，刚释放完旋涡的一侧柱面绕流得到改善，侧面总压力较低，而正准备释放旋涡的一侧，绕流较差，侧面总压力较高。这样就形成一个作用在圆柱侧面，方向总是指向刚释放完旋涡那一侧面的作用力。这种作用方向交变的横向力的频率很高，如与圆柱体或管子的固有频率相等，会引起共振，使圆柱体的振幅增大，直到破坏。
稳定性
有规则的卡门涡街只能在的范围内形成，而且多数情况下涡街是不稳定的。
卡门的研究发现，卡门涡街的稳定性条件是（其中为两列旋涡的间距，为同列两旋涡间的距离，如图5所示）。涡街对单位长度圆柱体上引起的阻力为
公式中的速度比可通过实验测得。
涡致振动
在一定流动条件下，由于旋涡交替脱落，产生的脉动载荷会使结构发生强迫振动，这种振动就被称为涡致振动。涡致振动通常情况下振幅很小，频率跟随涡脱落频率。当涡脱落频率与结构固有频率接近时，会导致较大振动，风工程研究领域称之为涡激共振，简称涡振。
由于弹性结构从气流中吸收能量，导致的结构振动发散现象被称为颤振。颤振是一种自激振动，是结构在气流中因为流固耦合参数的负阻尼而产生的运动发散的现象。
颤振在不同工程问题中有不同的表现形式，如常见的模态间耦合颤振、跨音速嗡鸣、失速颤振、叶轮机叶片的行波颤振等等。在统一的理论架构下，由于流固耦合导致的结构模态的失稳现象，都可称之为颤振。
形成原理
卡门涡街的形成是由于流动分离引起的。如图6所示，势流流动中从D到E流体质点是加速运动的，此时为顺压强梯度；而由E到F则是减速运动的，故此阶段为逆压强梯度。在流体质点从D到E过程中，由于流体的压能转变为动能，因此不发生边界层分离。而E到F段的动能存在损耗，速度迅速减小，并在S点处出现黏滞状态。因此，在S点处由于流体压力的升高而产生回流，最终到导致边界层分离形成漩涡。
当流体以很小的雷诺数（）绕静止的圆柱体流动时，与理想流体绕流圆柱体几乎相同，流体在前驻点处速度为零，然后沿圆柱体对称向两侧绕流，在圆柱体前半部分是增速减压病流动，在后半部分是减速增压流动，到后驻点汇合，速度重新等于零（如图7）。
随着雷诺数的逐渐增加，将使圆柱体后半部分的压强梯度增加，当时，将引起边界层的分离，并在圆柱下游形成2个“附着涡”。涡内的流体自成封闭回路，并不向下游远处流去，称为“死水区”（如图8）。随着来流雷诺数的不断增加，圆柱体后半部分边界层中的流体微团受到更大的阻滞，分离点直向前移动，死水区逐渐拉长。当雷诺数增加到大约40时，在圆柱的后面便产生一对旋转方向相反的对称旋涡（如图9）。
继续增大雷诺数，分离点随之逐渐前移，分离区域逐渐增大，对涡不断的增大并变得不稳定，对称旋涡不断增长并出现摆动，直到时，这对不稳定的对称旋涡分裂，形成等间隔规则排列的涡列。同一涡列中涡的旋转方向相同，而两列涡的方向彼此相反，每一个涡的纵向位置在另一列两相邻涡的正中间，就是卡门涡街（如图10），它向下游移动的速度比来流体的涡旋流动速度小得多。
当以后，圆柱后方的涡列逐渐失去其规则性和周期性。当，达到超临界范围时．柱后尾流完全紊乱了，有规则的旋涡脱落不再存在。这种情况只持续到，超过这数值后，又会形成卡门涡街。
因素和指标
卡门涡街这一物理现象与5个因素有关，分别是旋涡脱落频率（），流体来流速度（）、流体黏度（）、流体密度（）、绕流物体的特征长度（）。通过量纲分析方法对卡门涡街物理现象进行分析可以得到主导该物理现象有两个无量纲数，即斯特劳哈尔数（）和雷诺数（）。
旋涡脱落频率
对于圆柱绕流，泰勒（F.Taylor）和瑞利（L.Rayleigh）给出了卡门涡街脱落频率的经验公式
该公式在范围内适用。从经验公式可以看出，圆柱绕流卡门涡街脱落频率与来流速度成正比，与圆柱直径成反比，即流速越大，圆柱直径越小，旋涡脱落越快，反之，旋涡脱落则越慢。
流体黏度
流体都具有流动性，其流动的难易程度取决于流体内部的内摩擦阻力大小。液体流动时所表现的内摩擦阻力，可用黏度来度量。流体黏性越大，其流动性越小。
流体的黏度是流体流动时，在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。黏度是反映流体黏性大小的物理量。
黏度也是流体的物性之一，其值由实验测定。液体的黏度随着温度的升高而降低，压力对其影响可以忽略不计。气体的黏度随着温度的升高而增大，一般情况下，也可以忽略压力的影响，但在极高或极低的压力条件下需考虑其影响。
黏度的单位。在国际单位制下，其单位为。
流体的黏性还可用黏度与密度的比值表示，称为运动黏度。
雷诺数
液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速有关，还和管径、液体的运动黏度有关，但是真正决定液流流动状态的是用这三个数所组成的一个称为雷诺数（Re）的无量纲数，即。
19世纪末，雷诺（Reynolds）首先通过试验观察了水在圆管内的流动情况，发现当液体流速变化时，流动状态也变化。在低速流动时，着色液流的线条在注入点下游很长距离都能清楚看到，这种状态称为层流。当流动受到干扰时，在扰动衰减后流动还能保持稳定；当流速大时，由于流动是不规则的，故使着色液体迅速扩散和混合，这种状态称为湍流。
液体流动时究竟是层流还是湍流，常用雷诺数来判别。
液体流动时的雷诺数若相同，则它的流动状态也相同。另一方面液流由层流转变为湍流时的雷诺数和由湍流转变为层流的雷诺数是不同的，前者称为上临界雷诺数，后者称为下临界雷诺数，后者数值小，所以一般都用后者作为判别液流状态的依据，简称临界雷诺数。当液流实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流为层流；反之液流则为湍流。
斯特劳哈尔数
斯特劳哈尔数，也称谐时数，它表示当地惯性力与迁移惯性力的相对大小，可用下式表示
式中为周期性流动的频率；为特征长度；为流体流速。
当流体做周期性非定常运动时，可以用斯特劳哈尔数来描述振荡的程度，斯特劳哈尔数表示了当地惯性力（非定常惯性力）与对流惯性力（定常惯性力）之比，
斯特劳哈尔数越大则表示振荡的强度越大。
历史上，斯特劳哈尔正是在研究电线在风中“唱歌”的现象中定义了这个无量纲数。实验结果表明，在一定的雷诺数范围内，由圆柱后面的卡门涡街的脱落频率定义的斯特劳哈尔数是一个定值：，从而可以根据流速和圆柱直径计算涡脱落频率。
研究意义
圆柱绕流是一个经典的流体力学问题，，如水流对桥梁、海洋钻井平台支柱、海底输运管线、基码头等的作用力问题，风对塔建筑、化工塔设备、高空电缆等的作用力问题，均是圆柱绕流的工程背景。对卡门涡街研究在船舶与海洋工程中具有重要的理论研究意义和工程应用价值，人们对其关注度越来越高，尤其体现在海洋结构物涡激振动领域中。
圆柱绕流及涡街卡门涡街的发放会引起弹性物体的振动，而后者又会对前者发生反作用，形成了流体与弹性体的相互耦合运动，这成为了水弹性力学的重要研究内容之一。
卡门涡街在日常生活中并不经常见到，在一定条件下风吹过电线可能会脱落出涡街，引起振动并发出风鸣声。在工业上流体绕过预热器、锅炉等由圆管组成的器件时，可能会形成卡门涡街引发声学共振，使管箱激烈振动从而预热器的管箱振鼓会错开甚至破裂。事实上，并不是只有绕圆柱体时流动时才会产生涡街，只要发生边界层脱离，就有可能出现卡门涡街，因此水下的建筑或者航空设备都需做成流线型，以避免在一定条件下出现卡门涡街的破坏作用。
卡门涡街现象对环境科学和气象学也具有重大影响。例如，海洋岛屿形成的大规模涡街可以影响当地的天气模式和海洋生态系统。了解这些影响使科学家能够更好地预测受影响地区天气条件的变化和海洋物种的分布。
影响作用
实际危害
卡门涡街后涡的交替脱落，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力。如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振，甚至使物体损坏。这种涡街曾使海峡大桥受到毁坏，锅炉的空气预热器管箱发生振动和破裂。比如1940年美国塔科马大桥风致颤振、2020年虎门大桥的振动，都是因为圆柱绕流产生卡门涡街现象。
潜水艇的潜望镜筒在一定航速下如发生卡门涡街，且其频率恰好与潜望镜筒的固有频率一致，则也会使潜望镜发生强烈振动而无法观察，甚至会折断。有时为了避免发生卡门涡街，不少水下建筑或航空设备都设计成具有流线型体形以改善绕流工况，免除涡街带来的破坏。
卡门涡街不仅在圆柱后出现，也可在其他形状的物体后形成，如在高层楼厦、电视发射塔、烟囱等建筑物后形成。这些建筑物受风作用而引起的振动，往往与卡门涡街有关。因此，进行高层建筑物设计时都要进行计算和风洞模型实验，以保证不会因卡门涡街造成建筑物的破坏。
声学效应
卡门涡街还会产生声学效应。当两地出现气压差时，空气从高压区向低压区流动而产生风，风要发出声音，就要产生波动，然而一般情况下风是不会产生波动的。当风遇到阻碍物时，就会在阻碍物的背风面产生涡流，这样就产生振动、发出声音，这些声音就是风声。
例如，在旷野里，风吹过电线时发出的嘘嘘声，就是旋涡周期性脱落时引起空气中压力脉动所造成的声波所致。流速愈高，这种声波频率也愈高。当卡门涡街造成的声波频率与结构的固有频率相同，就会发生声学共振，产生严重噪声（如螺旋桨的“谐鸣”现象），并使器壁在脉动压力作用下弯曲变形，甚至造成破坏。
应用领域
研究者们利用卡门涡街的独特性质设计制造出了涡街流量计。卡门涡街流量计有许多优点：可测量液体、气体和蒸汽的流量；精度可达±1%（指示值）；结构简单，无运动件，可靠、耐用；压电元件封装在发生体中，检测元件不接触介质；使用温度和压力范围宽，使用温度最高可达400℃；并具备自动调整功能，能用软件对管线噪声进行自动调整。脉冲产生传感器此外，卡门涡街在建筑、桥梁、飞机制造设计以及船舶领域均有重要应用。
参考资料
气象卫星监测下的卡门涡街现象.中国气象局.2024-12-26
karman vortex street.modern-physics.2024-12-27