卡门涡街的故事 精选

卡门涡街的故事 精选

已有 19916 次阅读 2013-9-7 13:06 |系统分类:人物纪事| 卡门, 涡街

许多人听说过冯·卡门(von Karman),可能不是因为他是著名的流体力学家、航空界的大牛,而是因为他是钱学森的导师。许多人可能听说过卡门涡街的故事,但不一定读过卡门自己写的故事版本。

我也是这“许多人”中的一个,直到最近读了冯·卡门写的《空气动力学》(见附件),算是一本高级科普。这本书中的公式很少,大概只有十来个,而且讲解详细。书中时不时的还会讲一讲故事,包括卡门涡街(Karman vortex street)的故事。以前听说过,这次终于看到原版了,就试着翻译了一下。

以下是译文,译得不好,有兴趣的可以看附件中的原文(p.68-71)。

我并没有声称发现了涡街;早在我出生之前,它就被发现了。我见过的最早的有关涡街的图画在意大利博洛尼亚(Bologna)的一座教堂里。画中圣·克里斯托夫(St. Christopher)正带着圣子(child Jesus)过河。在圣徒的光脚后面,画家画上了交错的涡。英国的科学家马洛克(H.R.A. Mallock,1851-1933)和法国的科学家亨利·贝纳德(HenriBenard,1884-1939)先后研究了涡街。在我之前,贝纳德在这个问题上做了许多工作,不过他主要是观测非常粘的流体或胶状溶液中的涡街,而且主要是从实验物理的角度,而不是空气动力学的角度。尽管如此,他还是有点不高兴,因为涡街是与我的名字相连的。有几次他声明对这一现象观测的优先权,例如在苏黎世(1926)以及斯德哥尔摩(1930)举行的国际应用力学大会上。作为回应,我说:“我同意在柏林和伦敦所说的‘卡门涡街’在巴黎应该叫‘贝纳德涡街’”。在这个玩笑之后,我们成了好朋友。

……

也许应该说一下我是如何对涡街问题感兴趣的。在1911年我是哥廷根的一名助教。当时普朗特(Prandtl)的主要兴趣是边界层理论,即非常靠近物体表面的流体运动。普朗特有一名博士生叫卡尔·哈依门兹(Karl Hiemenz)。他给这名学生的任务是建一个水槽,用来观察水流在圆柱之后的分离,目标是用实验来检验根据边界层理论计算的分离点。为了这个目的,需要先知道定常流中圆柱周围的压力分布。出乎意料的是,哈依门兹发现水槽中的流动会产生剧烈的摆动。

当他向普朗特汇报此事的时候,普朗特告诉他说:“很明显你的圆柱不圆。”

然而,在非常仔细的加工了圆柱之后,水流依然摆动。然后哈依门兹被告知也许是水槽不对称,于是他又开始调整水槽。

这个问题与我的研究无关,但是每天早晨我来实验室的时候都会问:“哈依门兹先生,现在流动稳定了吗?”

他非常沮丧的回答:“总是摆动。”

我想如果水流总是摆动,这种现象应该有其自然的内在的原因。在一个周末,我尝试用非常原始简单的方式计算涡系的稳定性。我假设只有一个涡可以自由运动,其它的涡都固定不动,然后计算如果这个涡移动一点会发生什么。我得到的结果是,假设分布对称,涡总是会远离初始位置。对于非对称分布,也得到了相同的结果,但是我发现当涡列间距和两个相邻涡的间距满足一定比例时,涡会停留在初始位置附近,做微小的环形运动。

我周末完成了这一工作,在周一的时候去问普朗特:“你对此怎么看?”

“有点道理,”他说,“写下来吧,我会把你的论文提交到学院去。”

这是我关于涡街的第一篇论文。然后,因为我觉得自己的假设有些太随意,所以我又考虑了一个涡系,其中所有的涡都是可运动的。这需要更复杂的数学计算。几周后我完成了计算,并写了第二篇论文。

有人问:“为什么你在三周内发表了两篇论文?它们中应该有一篇是错的吧。”不完全是错的,第一篇给出的是粗糙的近似,之后改进了一下。结果基本相同,只是临界比的数值不同而已。

从这个故事中可以得到两点启发:

1. 有些看似平常的现象,也许背后隐藏着自然规律。

2. 研究问题不一定会一蹴而就,往往需要从简单的开始,然后逐步改进。

附件:

Aerodynamics – von Karman 1954.pdf

相关连接:流体涡旋漫谈 - 王振东

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