卡門渦街流量計

卡門渦街是流體力學中重要的現象，在自然界中常可遇到，在一定條件下的定常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、排列規則的雙列線渦，經過非線性作用后，形成卡門渦街。如水流過橋墩，風吹過高塔、煙囪、電線等都會形成卡門渦街。卡門渦街有一些很重要的應用，因此有必要了解其研究歷史及有關的應用情況。

在一定條件下的定常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、并排列成有規則的雙列線渦。開始時，這兩列線渦分別保持自身的運動前進，接著它們互相干擾，互相吸引，而且干擾越來越大，形成非線性的所謂渦街。卡門渦街是粘性不可壓縮流體動力學所研究的一種現象。流體繞流高大煙囪、高層建筑、電線、油管道和換熱器的管束時都會產生卡門渦街。
1911年，德國科學家T.von卡門從空氣動力學的觀點找到了這種渦旋穩定性的理論根據。對圓柱繞流，渦街的每個單渦的頻率f與繞流速度v成正比，與圓柱體直徑d成反比，即f=Sr(v/d)。Sr是斯特勞哈爾數，它主要與雷諾數有關。當雷諾數為300～3×10^5時，Sr近似于常數值(0.21)；當雷諾數為3×10^5～3×10^6時，有規則的渦街便不再存在；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。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。這種渦街曾使潛水艇的潛望鏡失去觀察能力，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。但是利用卡門渦街的這種周期的、交替變化的性質，可制成卡門渦街流量計，通過測量渦流的脫落頻率來確定流體的速度或流量。
60年代美國科學家F．H．哈洛等人用高速電子計算機對亞聲速流動中的卡門渦街成功地進行了數值模擬。給出了數值模擬得到的卡門渦街形成過程示意圖，其中a表示兩個旋轉方向相反的渦層的初始狀態；b表示這兩個渦層各自作不穩定運動；c表示這兩個渦層的不穩定運動相互干擾；d表示卡門渦街形成。
卡門渦街的形成同雷諾數Re有關。當Re為50～300時，從物體上脫落的渦旋是有周期性規律的(圖2)；當Re>300時渦旋開始出現隨機性脫落；隨著Re的繼續增大，渦旋脫落的隨機性也增大，*后形成了湍流。
卡門在研究了兩排直線平行渦絲的穩定性問題后指出，在一般情況下，這種渦街是不穩定的，只有當渦街的空間尺度為h/a=0.281時，對小擾動才是穩定的。這和實測結果十分接近。

渦街流量計：

渦街流量計主要用于工業管道介質流體的流量測量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質，渦街流量計特點是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響；無可動機械零件，因此可靠性高,維護量小；渦街流量計參數能長期穩定。渦街流量計采用壓電應力式傳感器,可靠性高，可在-20℃～+350℃的工作溫度范圍內工作，有模擬標準信號,也有數字脈沖信號輸出，容易與計算機等數字系統配套使用,是一種比較*、理想的流量儀表。