卡门涡街 神奇：引发虎门大桥异常振动的卡门涡街 还能发电

最近“基建狂徒”花店温度一直很高，连桥都好像“飘”起来了。4月26日，武汉鹦鹉岛长江大桥波浪起伏，吓到一群路人。5月5日，广东虎门大桥也出现大幅晃动，瞬间引发网友热议。

虎门大桥是中国自行设计建造的第一座现代超大型悬索桥，被誉为20世纪中国桥梁建设领域的最高成就。仅建成通车20年。按照我国桥梁建设的规划标准，基本可以排除设计缺陷的可能性。

鹦鹉岛长江大桥和虎门大桥的摇摆其实和风有关，罪魁祸首是风引起的卡门涡街。

虎门大桥剧烈摆动，来自央视新闻

卡门涡街是什么鬼？

如果你在小桥流水之间徘徊，你会发现当河水高速流动时，遇到桥墩后水流会分成两条支流。令人惊讶的是，这两种水流并不对称，而是呈现两组交替的小漩涡向下游移动。

像这样:

卡门涡街示意图

类似于上述现象，流体绕过一个物体，产生两排交错的旋涡，在流体力学中称为卡门涡街，最早是钱学森的导师冯卡门发现并命名的。至于为什么两排旋涡不对称，对流体力学来说还是个谜。

在日常生活中，当风吹过桥面时，大部分会形成卡门涡街，两组周期性的、交替的旋涡会上下作用于桥面，桥面会相应振动。

由于桥面通常设计成流线型，两组涡流紧贴桥面，作用力小，导致振动幅度小，平时难以检测到。

然而，最近在虎门大桥的维修过程中，桥面上放置了一排隔离挡板。这些一米多高的小家伙，瞬间破坏了桥梁的气动外形。两组涡流从桥面分离，作用力的大小和频率增加。一旦作用频率与桥梁本身的固有频率一致形成共振，桥面产生显著起伏就不足为奇了。

虎门大桥桥面设置的隔离挡板改变了桥梁的气动外形

卡门涡街有什么危害？

卡门涡街经常危害桥梁，最经典的案例就是美国塔科马大桥的坍塌。

1940年11月，仅4个月前建成的塔科马大桥在低速风中剧烈摆动，振幅一度达到惊人的9米。然后桥塌了，掉进海里。后来的研究表明，事故的罪魁祸首是卡门涡街引起的共鸣。

塔科马大桥的坍塌震惊了当时的桥梁界。此后，桥梁模型风洞试验被纳入桥梁试验，桥梁风致振动问题也发展成为一个新的课题。

塔科马大桥坍塌的时刻

值得一提的是，卡门涡街似乎对吊桥情有独钟。鹦鹉岛长江大桥、虎门大桥、塔科马大桥都是悬索桥。悬索桥，俗称吊桥，可以建得很高，而不需要在桥的中心设置桥墩，常用于跨水桥梁的设计，以方便船只的自由通行。

然而，悬索桥有一个固有的缺陷——固有频率低、稳定性差，因此对风荷载非常敏感，容易受到卡门涡街的影响。

但从塔科马大桥开始，现代悬索桥在施工前都会考虑抗风和抗振的设计，也会在竣工后安装桥梁变形实时监测系统，所以在通过悬索桥的时候不需要惊慌。

吊桥是卡门涡街最受欢迎的桥

除了桥梁，卡门涡街还可能给高层建筑、烟囱等建筑带来安全隐患。在中央广播电视塔和东方明珠电视塔建设之前，考虑卡门涡街。

卡门涡街的妙用

事物总是有两面性的。卡门涡街不邪恶。也可以被人利用。

既然卡门涡街可以对物体施加周期力，为什么不用它来发电呢？哈尔滨工程大学的研究人员设计了这样一种发电装置。

他们制作的迎风斗可以在风的作用下产生卡门涡街，周期性地作用在放大板上使其前后摆动，从而带动发电机转子转动，切割磁感应线产生电流。

此外，通过对流动水中卡门涡街的研究，进一步发现障碍物两侧形成的涡流交变频率与阻塞流量成正比，于是发明了涡街流量计来测量管道中的流量。

如今，涡街流量计已广泛应用于工业生产中。

涡街流量计示意图