卡門渦街（英語：Karman Vortex Street），又稱為“西奧多·馮·卡門漩渦”，是流體力學中重要的現象。在一定條件下黏性流體繞過某些物體時，由于邊界層的分離，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦，經過非線性作用后，形成卡門渦街。卡門渦街這一物理現象由兩個無量綱數，即斯特勞哈爾數和雷諾數主導，與旋渦脫落頻率，流體來流速度、流體黏度、流體密度、繞流物體的特征長度等5個因素有關。卡門研究發現，要形成穩定的卡門渦街，兩列旋渦之間距離與同列中相鄰兩個旋渦間的距離之比需滿足0.281。
1878年，斯特勞哈爾發現了圓管尾流中旋渦發放頻率的規律。1908年，貝納德（Benard）在做圓柱體在流體中的運動實驗時，第一次發現圓柱體后面兩側分理出兩排旋渦，它們兩兩間隔、旋轉方向相反，旋渦間距不變，而兩排渦列間距只與物體的線尺度有關。1911年西奧多·馮·卡門研究了圓柱體繞流現象，指出了圓柱體后所形成的穩定交替的渦街與流動的關系。1963年，哈洛和J.E.弗羅姆成功地對卡門渦街問題進行了數值模擬。1992年，弗里施（T.Frisch）等人首先在理論上發現，當超流體以臨界速度流過以圓柱形障礙物時，障礙物后側會脫落出一對量子化渦旋對。此后涌出了大量類似于經典流體中圓柱繞流的量子流體問題的理論以及實驗研究。
卡門渦街具有重要的理論研究意義和工程應用價值。發生卡門渦街現象時，流體對物體會產生一個周期性的交變橫向作用力。如果力的頻率與物體的固有頻率相接近，就會引起共振，使物體損壞。卡門渦街還會產生聲學效應。在工業中，利用卡門渦街現象制造的一種流量計已經被廣泛使用。
命名原因
在流體中安置阻流體，在特定條件下會出現不穩定的邊界層分離，阻流體下游的兩側會產生兩道非對稱排列的旋渦，這兩排旋渦相互交錯排列，各個旋渦和對面兩個旋渦的中間點對齊，就像街道兩邊的街燈一樣。該現象是流體力學中重要的現象。
力學家西奧多·馮·卡門最先對出現在圓柱體繞流尾流區的這種旋渦作了深人分析，為紀念馮·卡門，把這種現象稱為卡門渦街。
研究簡史
經典流體階段
圓柱繞流作為一種典型的鈍體繞流，是一個很古老的問題，普遍地存在于自然界和工程中。1752年，讓·達朗貝爾首次通過勢流理論推導得出圓柱繞流理論方程。1878年，斯特勞哈爾在研究發生聲音的一種方法時，發現了圓管尾流中旋渦發放頻率的規律，其參數稱為斯特勞哈爾數，其中為尾渦發放的頻率;為圓柱直徑;為流體相對于圓柱的速度。在一定的雷諾數范圍內，為一常數，圓柱兩側發放下去的旋渦形成二列渦街。1883年雷諾將染料注入一條長水平管道的流水中，觀察到了流體由層流轉變為湍流的現象，提出了以他的名字命名的雷諾準則。
1904年路德維希·普朗特用金屬粉末作為示蹤粒子獲得了一張沿平板的流譜圖，提出了邊界層的概念。1908年，貝納德（Benard）在做圓柱體在流體中的運動實驗時，第一次發現圓柱體后面兩側分理出兩排旋渦，它們兩兩間隔、旋轉方向相反，旋渦間距不變，而兩排渦列間距只與物體的線尺度有關。1912年西奧多·馮·卡門對水槽中的圓柱體繞流做了細致的觀察、推理和演算，研究了渦街的穩定性，指出了圓柱體后所形成的穩定交替的渦街與流動的關系，從數學上證明了圓柱體下游形成渦街的穩定條件。
1940年，美國華盛頓州發生了塔科瑪峽谷懸索橋垮塌事件。一場風速為19米/秒的風使得建成4個月的懸索橋發生了劇烈的扭曲振動，且振幅越來越大(接近9米)，直到橋面傾斜到45度左右，使吊桿逐根拉斷導致橋面鋼梁折斷而塌毀，墜落到峽谷之中。1954年，馮·卡門在《空氣動力學的發展》一書中指出，塔科瑪海峽大橋的毀壞，是由周期性旋渦的共振引起的。1963年，哈洛和J.E.艾瑞克·弗洛姆成功地用電子計算機進行了流體力學中有名的卡門渦街問題的數值模擬。
20世紀60年代，經過計算和實驗，證明了西奧多·馮·卡門的分析是正確的。塔科瑪橋的風毀事故，是一定流速的流體流經邊墻時，產生了卡門渦街，卡門渦街后渦的交替發放，使橋梁發生共振，造成破壞。
量子化卡門渦街
1992年，弗里施（T.Frisch）等人首先在理論上發現，當超流體以臨界速度流過以圓柱形障礙物時，障礙物后側會脫落出一對量子化渦旋對。此后出現了大量類似于經典流體中圓柱繞流的量子流體問題的理論以及實驗研究。
2010年，佐佐木（K.Sasaki）等人研究了標量BEC中一運動的高斯障礙勢后尾流變化，在障礙物后側觀察到了各類渦旋的脫落形式，其中發現了類似于經典流體中卡門渦街的尾跡，他們還研究了準二維強相分離雙組分BEC的動力學，發現一個組分中的圓形氣泡在通過另一個組分時會變成橢圓形，進而分裂為量子化渦旋的碎片尾跡形成卡門渦街。
2012年，齋藤（Saito）等人在對激子-極化子超流體中勻速運動的圓柱形障礙勢動力學研究時，發現在這類超流體中也存在量子化卡門渦街。隨后他們對BEC系統中沿正弦軌跡移動的障礙勢進行研究，發現障礙勢后側也會脫落出量子化卡門渦街，當移動障礙勢沿橢圓軌跡移動的頻率過大，盡管觀察到了部分的卡門渦街樣尾跡，渦流脫落尾跡還是受到了干擾，表明障礙勢的振動對渦街的形成具有調制作用。
2016年，權宇鎮（WooJinKwon）等人首次報道了在實驗上觀測到移動的排斥高斯激光束后會周期性交替脫落出由兩個量子化渦旋組成的渦旋簇，這些渦旋簇規則分布，形成了理論預言的量子卡門渦街。
定義
卡門渦街是黏性不可壓縮流體動力學所研究的一種現象。當流體繞過非流線型物體時，物體尾流左右兩側產生的成對的、交替排列的、旋轉方向相反的反對稱渦旋，稱為卡門渦街。
卡門渦街由兩條平行直線渦列構成，如圖1所示，兩個渦列之間的距離為，每個渦列中兩個點渦之間的距離為，上下點渦交叉排列，間距為。
對卡門渦街的研究結果表明，當流體繞流一根圓柱時，在雷諾數為200～50000，柱后旋渦的脫體頻率與繞流速度成正比．與圓柱體直徑成反比，即，式中為斯特勞哈爾數，它主要與流體的雷諾數有關。
在自然界中經常可以看到卡門渦街現象，例如水流過橋墩，恒定風吹過煙囪、電線等都會形成卡門渦街。
特性
周期性
在一定條件下的恒定來流繞過某些物體時，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反，渦旋間距離不變，而兩側渦列間距只和物體的線尺度有關并排列成有規則的雙列旋渦。
當雷諾數為300～3×10^5時，斯特勞哈爾數Sr近似為常數值0.21；當雷諾數為3×10^5～3×10^6時，有規則的渦街不再存在；當雷諾數大于3×10^6時，卡門渦街又會自動出現，這時Sr約為0.27。出現渦街時，流體對物體會產生一個周期性的交變橫向作用力。以圓柱體的渦街為例，當圓柱體兩側交替釋放旋渦時，剛釋放完旋渦的一側柱面繞流得到改善，側面總壓力較低，而正準備釋放旋渦的一側，繞流較差，側面總壓力較高。這樣就形成一個作用在圓柱側面，方向總是指向剛釋放完旋渦那一側面的作用力。這種作用方向交變的橫向力的頻率很高，如與圓柱體或管子的固有頻率相等，會引起共振，使圓柱體的振幅增大，直到破壞。
穩定性
有規則的卡門渦街只能在的范圍內形成，而且多數情況下渦街是不穩定的。
卡門的研究發現，卡門渦街的穩定性條件是（其中為兩列旋渦的間距，為同列兩旋渦間的距離，如圖5所示），此時Re=150。渦街對單位長度圓柱體上引起的阻力為
公式中的速度比可通過實驗測得。
渦致振動
在一定流動條件下，由于旋渦交替脫落，產生的脈動載荷會使結構發生強迫振動，這種振動就被稱為渦致振動。渦致振動通常情況下振幅很小，頻率跟隨渦脫落頻率。當渦脫落頻率與結構固有頻率接近時，會導致較大振動，風工程研究領域稱之為渦激共振，簡稱渦振。
由于彈性結構從氣流中吸收能量，導致的結構振動發散現象被稱為顫振。顫振是一種自激振動，是結構在氣流中因為流固耦合參數的負阻尼而產生的運動發散的現象。
顫振在不同工程問題中有不同的表現形式，如常見的模態間耦合顫振、跨音速嗡鳴、失速顫振、葉輪機葉片的行波顫振等等。在統一的理論架構下，由于流固耦合導致的結構模態的失穩現象，都可稱之為顫振。
形成原理
卡門渦街的形成是由于流動分離引起的。如圖6所示，勢流流動中從D到E流體質點是加速運動的，此時為順壓強梯度；而由E到F則是減速運動的，故此階段為逆壓強梯度。在流體質點從D到E過程中，由于流體的壓能轉變為動能，因此不發生邊界層分離。而E到F段的動能存在損耗，速度迅速減小，并在S點處出現黏滯狀態。因此，在S點處由于流體壓力的升高而產生回流，最終到導致邊界層分離形成漩渦。
當流體以很小的雷諾數（）繞靜止的圓柱體流動時，與理想流體繞流圓柱體幾乎相同，流體在前駐點處速度為零，然后沿圓柱體對稱向兩側繞流，在圓柱體前半部分是增速減壓病流動，在后半部分是減速增壓流動，到后駐點匯合，速度重新等于零（如圖7）。
隨著雷諾數的逐漸增加，將使圓柱體后半部分的壓強梯度增加，當時，將引起邊界層的分離，并在圓柱下游形成2個“附著渦”。渦內的流體自成封閉回路，并不向下游遠處流去，稱為“死水區”（如圖8）。隨著來流雷諾數的不斷增加，圓柱體后半部分邊界層中的流體微團受到更大的阻滯，分離點直向前移動，死水區逐漸拉長。當雷諾數增加到大約40時，在圓柱的后面便產生一對旋轉方向相反的對稱旋渦（如圖9）。
繼續增大雷諾數，分離點隨之逐漸前移，分離區域逐漸增大，對渦不斷的增大并變得不穩定，對稱旋渦不斷增長并出現擺動，直到時，這對不穩定的對稱旋渦分裂，形成等間隔規則排列的渦列。同一渦列中渦的旋轉方向相同，而兩列渦的方向彼此相反，每一個渦的縱向位置在另一列兩相鄰渦的正中間，就是卡門渦街（如圖10），它向下游移動的速度比來流體的渦旋流動速度小得多。
當以后，圓柱后方的渦列逐漸失去其規則性和周期性。當，達到超臨界范圍時．柱后尾流完全紊亂了，有規則的旋渦脫落不再存在。這種情況只持續到，超過這數值后，又會形成卡門渦街。
因素和指標
卡門渦街這一物理現象與5個因素有關，分別是旋渦脫落頻率（），流體來流速度（）、流體黏度（）、流體密度（）、繞流物體的特征長度（）。通過量綱分析方法對卡門渦街物理現象進行分析可以得到主導該物理現象有兩個無量綱數，即斯特勞哈爾數（）和雷諾數（）。
旋渦脫落頻率
對于圓柱繞流，泰勒（F.Taylor）和瑞利（L.Rayleigh）給出了卡門渦街脫落頻率的經驗公式
該公式在范圍內適用。從經驗公式可以看出，圓柱繞流卡門渦街脫落頻率與來流速度成正比，與圓柱直徑成反比，即流速越大，圓柱直徑越小，旋渦脫落越快，反之，旋渦脫落則越慢；渦街流量計就是根據這一原理，通過測出流場中繞流圓柱體的漩渦的脫落頻率，從而測量出流速和流量。
流體黏度
流體都具有流動性，其流動的難易程度取決于流體內部的內摩擦阻力大小。液體流動時所表現的內摩擦阻力，可用黏度來度量。流體黏性越大，其流動性越小。
流體的黏度是流體流動時，在與流動方向垂直的方向上產生單位速度梯度所需的剪應力。黏度是反映流體黏性大小的物理量。
黏度也是流體的物性之一，其值由實驗測定。液體的黏度隨著溫度的升高而降低，壓力對其影響可以忽略不計。氣體的黏度隨著溫度的升高而增大，一般情況下，也可以忽略壓力的影響，但在極高或極低的壓力條件下需考慮其影響。
黏度的單位。在國際單位制下，其單位為。
流體的黏性還可用黏度與密度的比值表示，稱為運動黏度。
雷諾數
液體在圓管中的流動狀態不僅與管內的平均流速有關，還和管徑、液體的運動黏度有關，但是真正決定液流流動狀態的是用這三個數所組成的一個稱為雷諾數（Re）的無量綱數，即。
19世紀末，雷諾（Reynolds）首先通過試驗觀察了水在圓管內的流動情況，發現當液體流速變化時，流動狀態也變化。在低速流動時，著色液流的線條在注入點下游很長距離都能清楚看到，這種狀態稱為層流。當流動受到干擾時，在擾動衰減后流動還能保持穩定；當流速大時，由于流動是不規則的，故使著色液體迅速擴散和混合，這種狀態稱為湍流。
液體流動時究竟是層流還是湍流，常用雷諾數來判別。
液體流動時的雷諾數若相同，則它的流動狀態也相同。另一方面液流由層流轉變為湍流時的雷諾數和由湍流轉變為層流的雷諾數是不同的，前者稱為上臨界雷諾數，后者稱為下臨界雷諾數，后者數值小，所以一般都用后者作為判別液流狀態的依據，簡稱臨界雷諾數。當液流實際流動時的雷諾數小于臨界雷諾數時，液流為層流；反之液流則為湍流。
斯特勞哈爾數
斯特勞哈爾數，也稱諧時數，它表示當地慣性力與遷移慣性力的相對大小，可用下式表示
式中為周期性流動的頻率；為特征長度；為流體流速。
當流體做周期性非定常運動時，可以用斯特勞哈爾數來描述振蕩的程度，斯特勞哈爾數表示了當地慣性力（非定常慣性力）與對流慣性力（定常慣性力）之比，
斯特勞哈爾數越大則表示振蕩的強度越大。
歷史上，斯特勞哈爾正是在研究電線在風中“唱歌”的現象中定義了這個無量綱數。實驗結果表明，在一定的雷諾數范圍內，由圓柱后面的卡門渦街的脫落頻率定義的斯特勞哈爾數是一個定值：，從而可以根據流速和圓柱直徑計算渦脫落頻率。
研究意義
圓柱繞流是一個經典的流體力學問題，，如水流對橋梁、海洋鉆井平臺支柱、海底輸運管線、基碼頭等的作用力問題，風對塔建筑、化工塔設備、高空電纜等的作用力問題，均是圓柱繞流的工程背景。對卡門渦街研究在船舶與海洋工程中具有重要的理論研究意義和工程應用價值，人們對其關注度越來越高，尤其體現在海洋結構物渦激振動領域中。
圓柱繞流及渦街卡門渦街的發放會引起彈性物體的振動，而后者又會對前者發生反作用，形成了流體與彈性體的相互耦合運動，這成為了水彈性力學的重要研究內容之一。
卡門渦街在日常生活中并不經常見到，在一定條件下風吹過電線可能會脫落出渦街，引起振動并發出風鳴聲。在工業上流體繞流預熱器、鍋爐等多由圓管組成的器件時，卡門渦街的交替脫落會引起預熱器箱中氣柱的振動，若渦街的交替脫落頻率與物體的聲學駐波頻率相重合，就會引發聲學共振，使管箱激烈振動，嚴重時預熱器的管箱振鼓會錯開甚至破裂。事實上，并不是只有流體繞流圓柱體時才會產生卡門渦街，只要發生邊界層脫離，就有可能出現卡門渦街，因此水下的建筑或者航空設備都需做成流線型，以避免在一定條件下出現卡門渦街的破壞作用。
卡門渦街現象對環境科學和氣象學也具有重大影響。例如，海洋島嶼形成的大規模渦街可以影響當地的天氣模式和海洋生態系統。了解這些影響使科學家能夠更好地預測受影響地區天氣條件的變化和海洋物種的分布。
影響作用
實際危害
卡門渦街后渦的交替脫落，流體對物體會產生一個周期性的交變橫向作用力。如果力的頻率與物體的固有頻率相接近，就會引起共振，甚至使物體損壞。這種渦街曾使海峽大橋受到毀壞，鍋爐的空氣預熱器管箱發生振動和破裂。比如1940年美國塔科馬大橋風致顫振、2020年虎門大橋的振動，都是因為圓柱繞流產生卡門渦街現象。
潛水艇的潛望鏡筒在一定航速下如發生卡門渦街，且其頻率恰好與潛望鏡筒的固有頻率一致，則也會使潛望鏡發生強烈振動而無法觀察，甚至會折斷。有時為了避免發生卡門渦街，不少水下建筑或航空設備都設計成具有流線型體形以改善繞流工況，免除渦街帶來的破壞。
卡門渦街不僅在圓柱后出現，也可在其他形狀的物體后形成，如在高層樓廈、電視發射塔、煙囪等建筑物后形成。這些建筑物受風作用而引起的振動，往往與卡門渦街有關。因此，進行高層建筑物設計時都要進行計算和風洞模型實驗，以保證不會因卡門渦街造成建筑物的破壞。據了解，北京、天津的電視發射塔，上海的東方明珠電視塔在建造前，都曾在北京大學力學與工程科學系的風洞中做過模型實驗。
聲學效應
卡門渦街還會產生聲學效應。當兩地出現氣壓差時，空氣從高壓區向低壓區流動而產生風，風要發出聲音，就要產生波動，然而一般情況下風是不會產生波動的。當風遇到阻礙物時，就會在阻礙物的背風面產生渦流，這樣就產生振動、發出聲音，這些聲音就是風聲。
例如，在曠野里，風吹過電線時發出的噓噓聲，就是旋渦周期性脫落時引起空氣中壓力脈動所造成的聲波所致。流速愈高，這種聲波頻率也愈高。當卡門渦街造成的聲波頻率與結構的固有頻率相同，就會發生聲學共振，產生嚴重噪聲（如螺旋槳的“諧鳴”現象），并使器壁在脈動壓力作用下彎曲變形，甚至造成破壞。
應用領域
研究者們利用卡門渦街的獨特性質設計制造出了渦街流量計。卡門渦街流量計有許多優點：可測量液體、氣體和蒸汽的流量；精度可達±1%（指示值）；結構簡單，無運動件，可靠、耐用；壓電元件封裝在發生體中，檢測元件不接觸介質；使用溫度和壓力范圍寬，使用溫度最高可達400℃；并具備自動調整功能，能用軟件對管線噪聲進行自動調整。脈沖產生傳感器此外，卡門渦街在建筑、橋梁、飛機制造設計以及船舶領域均有重要應用。
參考資料 >
氣象衛星監測下的卡門渦街現象.中國氣象局.2024-12-26
karman vortex street.modern-physics.2024-12-27