冯卡门涡流是一种交替旋转方向的气流漩涡。这种气流漩涡与形成于超流体内部的漩涡结构存在某种关联性。前者只需要普通的温度环境,而后者需要则需要极低的温度。实验室使用液态汞来创造出极低的温度,形成超导态。在这种极端的情况下,电子的流动突然变成毫无阻碍了,称之为超流体。卡门涡流是流体力学中重要的现象,在自然界中常可遇到,在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会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,形成卡门涡流。如水流过桥墩,风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。卡门涡街有一些很重要的应用,因此有必要了解其研究历史及有关的应用情况。
冯·卡门(Theodore von Kármán 1881~1963)是美籍匈牙利力学家,近代力学的奠基人之一,1881年5月11日生于匈牙利布达佩斯,1963年5月7日卒于德国亚琛。他在美国加州理工学院的研究生中,有中国学者钱学森、郭永怀、钱伟长,以及美籍华人学者林家翘等,他的学术思想对中国力学事业的发展起了积极的作用。他善于透过现象,抓住事物的物理本质,提炼出数学模型,树立了现代力学中数学理论和工程实际紧密结合的学风,奠定了现代力学的基本方向。他做出了许多卓越的成果,接受过许多国家的勋章,其中包括美国的第一枚国家科学勋章。
研究表明,在Re=200~15000的范围内,圆柱体后面的漩涡不断周期性均匀脱落,漩涡的脱落频率f与来流速度U成正比,与圆柱体直径d成反比。而当Re>1000时,斯特劳哈尔数近似等于常数0.21。此时脱落频率f与来流速度成正比,涡街流量计就是根据这一原理,通过测出流场中绕流圆柱体的漩涡的脱落频率,从而测量出流速和流量。
如果涡街的交替脱落频率与物体的声学驻波频率相重合,还会出现共振。工业上的预热器、锅炉等多由圆管组成,流体绕流圆管时,卡门涡街的交替脱落会引起预热器箱中气柱的振动,如果涡街的交替脱落频率与物体的声学驻波频率相重合,就会引发声学共振,使管箱激烈振动,严重时,预热器管箱振鼓错开,甚至破裂。如果改变管箱和气体的固有频率,使之与卡门涡街的脱落频率错开,避免发生共振,则可防止设备的破坏。
如果越来越接近开氏温标(零下273摄氏度或者460华氏度),液态的氦-4就变成了超流体的状态了。并呈现出螺旋、卷曲状态,这个莫名其妙的表征已经困扰了科学家近一个世纪。但是,由一组华盛顿大学的物理学家主导的研究小组,使用强大的超级计算机对超流体的物理行为进行模拟。得出的结论是:这些现象都源于一种亚原子颗粒即费米子。
基本粒子中所有的物质粒子都是费米子,包括电子、质子和中子等等,而最新的研究发现:在中子星内部就是一种超流态,以每秒几转至1千转速率进行旋转的中子星或者脉冲星,而这种超流态的表面行为与地球上冯卡门漩涡确有着较大的区别。然而,随着旋转速度的增加,就会在产生类似三角形的结构,而这些三角形结构中又会出现一系列小的漩涡。这些三角形以及小漩涡共同构成了超流体的内部结构。如果以不同的速度进行旋转,又会产生不同相对大小的漩涡。