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研究报告

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卡门涡街实验报告

一、实验目的

1.了解卡门涡街现象的产生原理

卡门涡街现象是一种典型的流体力学现象，它是在一定条件下，流体流过锐缘物体时，由于物体两侧的压力差产生的周期性涡流。当流体以一定速度流过一个圆柱形或方形障碍物时，会在障碍物两侧交替形成涡对，这些涡对会以一定的频率振荡，从而在物体下游形成一种周期性的涡街。这种涡街现象最早由匈牙利物理学家卡门在1912年提出，并对其进行了详细的数学描述。

在流体力学中，卡门涡街的形成与流体流过障碍物的雷诺数密切相关。当雷诺数达到一定值时，流体的流动将从不稳定的湍流过渡到稳定的涡街流动。在这一过程中，流体在障碍物后方的压力波动会传递到上游，从而在障碍物前方形成周期性的压力波动。这种压力波动的存在使得流体流动呈现出周期性的涡街现象。

卡门涡街的频率与流体的流速和障碍物的几何尺寸有关，这种关系可以用斯特劳哈尔数来描述。斯特劳哈尔数是一个无量纲数，它反映了涡街频率与流速和障碍物尺寸之间的比例关系。具体而言，斯特劳哈尔数是由涡街频率与物体振动频率之比，以及物体特征长度与涡街特征长度之比共同确定的。这一关系的发现对于理解卡门涡街现象以及相关工程应用具有重要意义。通过研究卡门涡街现象的产生原理，我们可以更好地预测和设计各种工程结构，如桥梁、船舶、风能设备等，以减少涡街引起的振动和噪声，提高结构的安全性和舒适性。

2.研究卡门涡街频率与实验参数的关系

(1)卡门涡街频率与实验参数之间的关系是流体力学研究中的一个重要课题。实验参数包括流体的流速、障碍物的尺寸以及障碍物的形状等。研究表明，卡门涡街频率与流速之间存在着密切的联系。当流速增加时，卡门涡街频率也会随之增加，但这种增加并非线性关系，而是呈现一定的非线性趋势。这种非线性关系可以通过斯特劳哈尔数来描述，斯特劳哈尔数反映了频率与流速之间的比例关系。

(2)障碍物的尺寸对卡门涡街频率也有显著影响。在一定的流速范围内，随着障碍物尺寸的增加，卡门涡街频率会逐渐减小。这种现象可以通过雷诺数的变化来解释。当雷诺数增大时，流体的流动状态从层流向湍流转变，从而影响了涡街的形成和频率。此外，障碍物的形状也会对涡街频率产生影响。不同的形状会导致不同的压力分布，进而影响涡街的频率。

(3)实验参数之间的相互作用也对卡门涡街频率产生重要影响。例如，在流速和障碍物尺寸共同变化的情况下，卡门涡街频率的变化趋势会更加复杂。这种复杂性要求在进行实验研究时，充分考虑各个参数之间的相互作用，以获得准确的实验结果。此外，通过调整实验参数，可以研究卡门涡街频率在不同条件下的变化规律，从而为工程设计和流体力学理论研究提供重要依据。

3.验证斯特劳哈尔数公式的准确性

(1)斯特劳哈尔数（Strouhalnumber）是流体力学中的一个重要无量纲数，它用于描述流体通过障碍物时产生的涡街频率与流体参数之间的关系。斯特劳哈尔数的公式为斯特劳哈尔数=涡街频率/(流速×障碍物特征长度)。为了验证斯特劳哈尔数公式的准确性，研究人员通过实验手段，对多种不同形状和尺寸的障碍物在不同流速下的涡街频率进行了测量。

(2)在实验过程中，研究者采用了精确的测量仪器，如激光多普勒测速仪和高速摄影机，对涡街频率进行了精确的记录。通过对实验数据的分析，研究者发现，在一定的流速范围内，斯特劳哈尔数与实验测得的涡街频率具有良好的相关性。这种相关性表明，斯特劳哈尔数公式能够较为准确地预测涡街频率的变化。

(3)为了进一步验证斯特劳哈尔数公式的准确性，研究者还进行了不同雷诺数条件下的实验。结果表明，在雷诺数从层流向湍流的转变过程中，斯特劳哈尔数公式依然能够保持较高的准确性。这一发现对于理解和预测复杂流体流动现象具有重要意义，同时也为流体力学在工程领域的应用提供了理论支持。通过这些实验验证，斯特劳哈尔数公式在流体力学中的重要性得到了进一步确认。

二、实验原理

1.卡门涡街现象的基本原理

(1)卡门涡街现象是指流体流经锐缘物体时，在物体两侧形成一对相互交替的涡旋，这些涡旋以一定的频率振荡，从而在物体下游形成一种周期性的涡街。这一现象最早由匈牙利物理学家卡门在1912年提出，并对其进行了数学描述。卡门涡街的形成与流体流过障碍物的雷诺数密切相关，当雷诺数达到一定值时，流体的流动状态将从层流转变为湍流，进而产生卡门涡街。

(2)在卡门涡街现象中，当流体流经障碍物时，由于物体两侧的压力差，会在障碍物下游形成一对相互交替的涡旋。这些涡旋在形成过程中，会携带能量并传递给流体，导致流体在障碍物下游形成周期性的压力波动。这种压力波动会进一步影响流体的流动状态，使得涡旋的振荡频率与流体的流速和障碍物的几何尺寸相关。

(3)卡门涡街现象的数学描述主要基于纳维-斯托克斯方程和边界层理