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星空中竟然蕴藏着流体力学？

科技 09-19 来源：中科院物理所

从古至今，浩瀚的星空总是给人无限的遐想，荷兰的后印象派画家梵高也不例外。在名画《星月夜》中，他用夸张的手法，生动地描绘了充满运动和变化的星空。

画中涡旋状的星座扫过夜空，科学家通过对颜色亮度的研究发现，这星空中竟然藏着湍流结构（amazing）！今天，小编就想带大家揭开湍流的神秘面纱~

什么叫湍流呢？它离我们的生活远吗？当你抬头看白云思索着这些问题时，要记得天空在为你做流动实验，演示着各种各样的湍流（听起来是不是很浪漫）。

故事还得从1883年雷诺的圆管实验说起，雷诺通过实验发现，管道中流体的流动可以呈现两种截然不同的流态。

当流速很小时，流体分层流动，互不混合，该流态称为层流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合,这时湍流便形成了。从层流转变为湍流的现象则称为转捩。

为了表征流体的流动情况，科学家们引入了雷诺数这一无量纲参数，此时流体的层流和湍流便可用雷诺数的大小加以区分。雷诺数（Re）反映了流体质点的惯性力与黏性力之比，它的定义为：Re=

V、ρ、μ 分别为流体的流速、密度与黏性系数，d 为一特征长度。雷诺数的物理意义为惯性力与黏性力之比，根据雷诺数的定义和物理意义可知，雷诺数越小，则惯性力相对于黏性力也越小，黏性力的作用也越大，因而流体能够保持平稳的层流状态，反之则为湍流。

为了让小伙伴们进一步感受流体流动过程中的美，小编决定给大家带来流体力学中的神奇现象——卡门涡街。话不多说，先上图！

那么，什么是卡门涡街呢？它又是怎么形成的呢？与湍流又有什么关系呢？且听小编细细道来！

卡门涡街在我们的日常生活中很常见，如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。卡门涡街是在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧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的。既然叫卡门涡街，那是不是空气动力学家冯·卡门先生发现的呢？其实不是的，之所以叫做卡门涡街是因为冯·卡门先生第一个系统地解释了这个现象。而“涡街”据说是因为旋涡交错地排列在尾迹中心线两侧，就像路灯交错地排列在道路两侧那样。

杨曼因岛后的卡门涡街

卡门涡街的形成同雷诺数Re有关。当Re为50～300时，从物体上脱落的涡旋是有周期性规律的；当Re&300时涡旋开始出现随机性脱落；随着Re的继续增大，涡旋脱落的随机性也增大，最后形成了湍流。

卡门涡街虽然长得“漂亮”，但对建筑却有着破坏作用，可谓是货真价实的“美丽杀手”。发生在20世纪40年代的美国塔科玛峡谷桥风毁事故让人们认识到卡门涡街在建筑安全上的重要作用。

看完视频后，小编不由得感叹：原来真有被风吹倒的现代大桥。二战后，人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一开始便有两种观点争论不休。以航空工程师为代表的一部分人认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振；而以冯·卡门为代表的流体力学家则认为，塔科玛桥的主梁有着钝头的H型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡旋脱落，应该用涡激共振机理来解释。

20世纪60年代，经过计算和实验，证明了冯·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，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时，就会发生共振，造成破坏。

同样的事情也在我国的虎门大桥发生过，不过没有造成塔科玛桥那么大的损失，只是出现较为明显的抖动，抖动的发生，主要是因为在桥面设置了水马，改变了钢箱梁的气动外形，这与虎门大桥多年来的超负荷运行无关。

许多人认为，只有流体绕流圆柱体时才会产生卡门涡街，而事实上，只要发生边界层脱离，就可能出现卡门涡街，因此，有些设施，例如水下的建筑或者航空设备都做成流线型，以避免卡门涡街的破坏作用。

读到这里小伙伴们是不是已经感受到了流体力学的美妙，其实小编只是给大家科普了一些关于湍流的基本知识，湍流的运动非常复杂。据说，著名理论物理学家沃纳·海森堡临终前曾这样说道：“当我见到上帝后，我一定要问他两个问题——什么是相对论，什么是湍流。”著名科学家理查德·费曼也曾将湍流称为“经典物理学中最后一个尚未解决的重要问题”。湍流运动复杂性的根源在于它是强非线性系统的运动，由此可见湍流的神秘面纱还没被完全揭开，需要吾辈继续研究其中的运动规律和机理。