**EN title: Kármán Vortex Street – The “Cardman Whirl” Explained** **KO 제목: 카르만 …
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Writer AndyKim1
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Date 25-11-19 15:27
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**EN title: Kármán Vortex Street – The “Cardman Whirl” Explained**
**KO 제목: 카르만 소용돌이(카르만 와도) 완전 정리**
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## ① 한국어 설명
### 1. 카르만 소용돌이란 무엇인가?
* **정의**
카르만 소용돌이(카르만 소용돌이, 카르만 와도, Kármán vortex street)는
**유체(공기·물 등)가 둥근 기둥, 섬, 산 같은 장애물을 지나갈 때,
그 뒤에서 양쪽으로 번갈아가며 생기는 소용돌이 줄무늬 패턴**을 말합니다. ([위키백과][1])
* **이름의 유래**
20세기 공기역학자 **테오도르 폰 카르만**이 이 현상을 분석하면서 이름이 붙었습니다. ([위키백과][1])
* **우리 눈에 보이는 모습**
* 위성사진에서 섬 뒤로 **나비 모양·물결 모양 구름**이 줄지어 생기는 장면
* 바람 부는 날 **전봇줄이 윙~ 하고 울리는 소리**
* 강물 속 다리 기둥 뒤에 생기는 반복적인 물결·소용돌이 패턴 ([위키백과][1])
이런 것들이 모두 카르만 소용돌이의 예입니다.
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### 2. 형성 과정 – 단계별로 보기
#### (1) 장애물을 만난 유체
1. 공기나 물이 **일정한 속도**로 흘러가다가
2. **둥근 기둥, 섬, 높은 산** 같은 **둔탁한(Bluff) 물체**를 만납니다. ([위키백과][1])
#### (2) 경계층과 분리
3. 물체 앞에서 유체는 속도가 줄고, 옆으로 돌아 나가려 합니다.
4. 물체 표면을 따라 흐르던 유체가 **뒷쪽에서 표면을 떠나며(분리)**, 뒤에는 **저압·와류 영역**이 생깁니다. ([faculty.ce.berkeley.edu][2])
#### (3) 한쪽에서 먼저 소용돌이 떨어짐
5. 아주 작은 교란 때문에 **왼쪽이 조금 먼저** 뭉치면서 큰 소용돌이(와류)가 형성되고,
6. 이 소용돌이가 **흐름을 타고 뒤로 떠내려갑니다.**
7. 왼쪽에서 큰 소용돌이가 떨어져 나가면, 그 영향으로 **이번엔 오른쪽에서** 새 와류가 만들어집니다. ([위키백과][1])
#### (4) 왼쪽–오른쪽 번갈아 “소용돌이 거리(Street)” 형성
8. 이렇게 **왼쪽–오른쪽–왼쪽–오른쪽** 번갈아 가며 와류가 떨어져 나가면서,
9. 장애물 뒤쪽에 **두 줄의 소용돌이 열(거리, Street)** 이 규칙적으로 생깁니다. ([위키백과][1])
이게 바로 “카르만 소용돌이 거리(Kármán vortex street)”라는 패턴입니다.
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### 3. 언제 생기고, 언제 안 생기나? (조건·수학적 개념)
* **레이놀즈 수(Reynolds number)**
카르만 소용돌이는 **레이놀즈 수(Re)라는 무차원 수가 특정 범위일 때** 잘 나타납니다.
대략 **Re ≈ 100 ~ 수만** 정도의 영역에서 규칙적인 소용돌이 거리가 형성됩니다. ([위키백과][1])
* **스트루할 수(Strouhal number)**
소용돌이가 떨어지는 **주기/빈도 f**, 물체 지름 d, 유속 U 사이에는
대략 다음 관계가 성립합니다:
> Strouhal 수 St ≈ 0.2 = f·d / U (원기둥 기준 대략값) ([위키백과][1])
이 덕분에
* 유속 U
* 지름 d
를 알면,
**소용돌이가 몇 Hz로 떨어질지 f** 를 예측할 수 있고,
반대로 진동 빈도를 관측해서 유속을 추정하는 것도 가능합니다.
---
### 4. 어디서 볼 수 있나? (자연·일상·공학 예시)
#### 1) 위성사진 속 카르만 소용돌이 구름
* **섬·산 뒤 구름 패턴**
바람이 일정한 방향으로 불다가 **제주도 같은 섬이나, 단독으로 우뚝한 산**을 만나면,
그 뒤로 **좌우로 번갈아 회전하는 구름 소용돌이**가 생깁니다. ([YouTube][3])
* 우리나라에서도 겨울철 **제주도 남쪽 하늘**에서 카르만 소용돌이 구름이 위성·레이더에 포착되었다는 보도가 자주 나옵니다.
#### 2) 강·바다 속
* 교량의 **다리 기둥** 뒤
* 항만의 **방파제 기둥** 뒤
에서 **규칙적인 물줄기·소용돌이 패턴**이 생깁니다. ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
#### 3) 일상 생활
* 강풍이 부는 날 **전봇줄이 “웅~” 하고 울리는 소리**,
* 자동차 **라디오 안테나가 특정 속도에서 심하게 흔들리는 현상**도
카르μαν 소용돌이로 인한 **진동(공진)** 과 관련 있습니다. ([위키백과][1])
---
### 5. 공학적 응용·문제점·주의사항
#### (1) 구조물에 미치는 영향
* 소용돌이가 **왼쪽–오른쪽 번갈아** 발생하면,
기둥·굴뚝·안테나에는 **좌우로 번갈아 힘**이 작용합니다.
* 이 힘의 **주파수(소용돌이 떨어지는 빈도)** 가 구조물의 **고유진동수와 같아지면 = 공진**,
진동이 크게 증폭되어 **피로·균열·파손 위험**이 증가합니다. ([위키백과][1])
* 예시
* **높은 굴뚝·송전탑** 설계 시 카르만 소용돌이 진동 검토 필수
* 일부 **냉각탑 붕괴 사고**는 강풍 속 와류·진동 영향과 관련 있음 ([위키백과][1])
#### (2) 해결책·디자인 팁
엔지니어들이 사용하는 대표적인 대책:
1. **나선형 스트레이크(Helical Strakes)**
* 굴뚝·기둥 표면에 **큰 나사선처럼 돌출된 나선 구조**를 둘러
흐름을 **3차원 불규칙**하게 만들면,
소용돌이가 규칙적으로 떨어지지 못해 진동이 줄어듭니다. ([위키백과][1])
2. **단면 형상 변경**
* 원기둥을 **테이퍼(위로 갈수록 가늘게)** 만들거나
* 단면을 사각·타원 등으로 바꾸어
특정 주파수에서의 규칙적인 소용돌이 생성을 약화시킵니다.([위키백과][1])
3. **튜닝 질량 감쇠기(Tuned Mass Damper, TMD)**
* 구조물 상단에 **추+스프링** 시스템을 달아
구조물과 반대 위상으로 흔들리도록 튜닝함으로써
카르만 소용돌이 진동을 상쇄합니다. ([위키백과][1])
#### (3) 실험·수치해석에서의 활용
* 연구에서는
* **원기둥 주위 유동 CFD 해석**,
* **수조 실험(비눗방울, 수조 레이저 시각화)** 등으로
카르만 소용돌이 발생 조건과 유동 구조를 분석합니다. ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
* 이 결과는
* **교량, 고층건물, 풍력발전기 타워, 잠망경, 잠수함 구조** 등
유체 속에 서 있는 거의 모든 구조물 설계에 반영됩니다. ([위키백과][1])
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### 6. 이해에 도움이 되는 추가 포인트·팁
1. **“유체의 박자감”으로 생각하면 이해가 쉽다**
* 장애물 뒤에서 유체가 **리듬 있게 좌우로 번갈아 실패**하는 모습이 카르만 소용돌이라 보면 됩니다.
2. **구름 사진으로 먼저 감각을 잡고, 그다음 공식을 보면 편하다**
* 제주도 주변 위성사진에서 **나비 모양 구름**을 먼저 보고,
* 그다음에 레이놀즈 수·스트루할 수를 보면 개념이 훨씬 자연스럽게 들어옵니다. ([YouTube][3])
3. **카르만 소용돌이는 “문제이자 도구”**
* 잘못 설계하면 구조물에 해로운 진동을 만들지만,
* 반대로 **유속 센서, 유동 시각화, 소음 연구** 같은 분야에서는
이 규칙성을 이용해서 **유체 상태를 진단하는 도구**로 쓰기도 합니다. ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
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## ② English Explanation
### 1. What is a Kármán vortex street?
A **Kármán vortex street** is a **repeating pattern of swirling vortices** that forms behind a bluff body (like a cylinder, island or mountain) when a fluid such as air or water flows past it. ([위키백과][1])
Instead of staying symmetric, the flow **sheds vortices alternately from the left and right sides** of the object, producing two staggered rows of vortices downstream.
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### 2. How it forms – step by step
1. **Uniform flow meets an obstacle**
A steady flow approaches a **bluff body** (circular cylinder, bridge pier, island, mountain). ([위키백과][1])
2. **Boundary layer and separation**
The flow slows near the surface, then **separates** at the rear of the body, creating a low-pressure recirculation region.
3. **First asymmetric vortex**
A tiny disturbance makes the shear layer on, say, the left side roll up slightly earlier.
A **large vortex forms on that side and is convected downstream**. ([위키백과][1])
4. **Alternating shedding**
After the left vortex has been shed, the flow pattern favours **vortex formation on the right side**, then again on the left, and so on.
This alternating process creates a **double row of vortices** – the Kármán vortex street. ([위키백과][1])
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### 3. When does it occur? (Reynolds & Strouhal numbers)
* The street forms for a certain range of the **Reynolds number Re = U·L / ν**,
typically **Re ≳ 100 up to tens of thousands** for a circular cylinder. ([위키백과][1])
* The **Strouhal number St = f·d / U** (f: shedding frequency, d: cylinder diameter, U: flow speed)
is approximately **St ≈ 0.2** for many cylinder wakes,
which allows engineers to predict the vortex shedding frequency and compare it with a structure’s natural frequency. ([위키백과][1])
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### 4. Where you can see it
1. **In the atmosphere (cloud patterns)**
* Air flowing past **islands or isolated mountains** can generate vortex streets in the cloud layer downwind. ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
* Satellite images often show **butterfly-shaped or wavy cloud patterns** behind islands like Guadalupe Island or Jeju.
2. **In rivers and oceans**
* Behind bridge piers, harbour structures and offshore platforms, you can observe **regular swirls in the wake**.
3. **Everyday life**
* The **“singing” of telephone or power lines** in strong winds
* The vibration of a **car antenna at certain speeds**
are classic examples of vortex-induced vibrations caused by Kármán vortices. ([위키백과][1])
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### 5. Engineering significance, applications and precautions
* **Periodic cross-wind forces**
Alternating vortices exert side-to-side forces on chimneys, masts, cables and tall buildings.
If the shedding frequency matches the **natural frequency** of the structure, **resonance** can occur, amplifying vibrations and potentially causing fatigue or failure. ([위키백과][1])
* **Design countermeasures** ([위키백과][1])
* **Helical strakes**: spiral fins on chimneys/masts break up the regular 2D vortex street.
* **Tapered or noncircular cross-sections**: change the flow pattern and avoid a single dominant shedding frequency.
* **Tuned mass dampers (TMDs)**: attached masses oscillate out of phase with the structure to reduce vibration amplitudes.
* **Use as a tool**
Engineers also exploit vortex streets in **flow meters, experimental visualisations and sensing**:
by measuring the shedding frequency, they can infer **flow speed** or characterise the wake. ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
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### 6. Helpful mental pictures
* Think of the wake **“walking in a rhythm”**, swaying left–right in a regular beat.
* Look at satellite photos of **cloud vortex streets behind islands** first to build intuition, then connect that image to the more abstract ideas of Re and St. ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
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## ③ 日本語での説明
### 1. カルマン渦とは？
カルマン渦列（Kármán vortex street）は、
**流体（空気・水など）が円柱や島、山のような障害物を通過したあと、その背後に左右交互の渦が規則正しく並ぶ現象**です。 ([위키백과][1])
この現象は20世紀の流体力学者 **テオドール・フォン・カルマン** にちなんで名付けられました。
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### 2. 形成プロセス（ステップ）
1. 一様な流れが円柱や橋脚、島・山などの**鈍い形状の物体**にぶつかる。 ([위키백과][1])
2. 物体表面近くで流速が落ち、後ろ側で**境界層が剥離**して低圧の循環域ができる。
3. ごく小さな乱れが原因で、まず**片側（左側など）で渦がまとまりやすく**なり、大きな渦が形成されて下流へ流れていく。 ([위키백과][1])
4. 左側の渦がちぎれて流れ出ると、今度は**反対側（右側）**に渦ができやすくなり、また交互に渦が放出される。
5. その結果、**左右交互に並んだ二列の渦列＝カルマン渦列**が形成される。 ([위키백과][1])
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### 3. 観察できる場所
* **大気中の雲パターン**：
島や孤立した山の背後に、衛星画像で**蝶のような雲の模様**が見えることがあり、これはカルマン渦列によるものです。([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
* **河川・海洋**：橋脚や防波堤の後ろに周期的な渦ができる。
* **日常生活**：
強風時に**電線が「ビーン」と鳴る音**や、車の**アンテナが特定速度で大きく揺れる現象**もカルマン渦による強制振動です。 ([위키백과][1])
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### 4. 工学的な意味と注意点
* 渦が左右交互に放出されることで、構造物には**横方向の周期的な力**が作用します。
* 渦放出の周波数が構造物の**固有振動数**と一致すると**共振**が起こり、
振動が増幅されて疲労や損傷の原因になります。 ([위키백과][1])
対策としては、
* **らせん状のフィン（ストレーキ）**を付けて規則的な2次元渦を崩す、
* 断面を**テーパ形状や非円形**にして単一周波数の渦生成を避ける、
* **同調質量ダンパー**で構造物と逆位相に揺れる重りを設置する、
といった方法が用いられます。 ([위키백과][1])
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### 5. 直感的に理解するコツ
* 川の流れの後ろで、障害物が**「左右にスイングするリズムを作る」**とイメージすると分かりやすいです。
* まず島の背後の**雲の写真**（カルマン渦列）を眺めてから、レイノルズ数やストローハル数の話を読むと、数式への抵抗感がかなり減ります。 ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
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## ④ 中文说明（简体）
### 1. 什么是卡门涡街？
**卡门涡街（Kármán vortex street）**，又叫卡门涡列，是指
**流体（空气或水）流过圆柱、桥墩、岛屿、山峰等钝体之后，在其下游形成的左右交替排列的旋涡链**。 ([위키백과][1])
这个现象以著名的空气动力学家 **Theodore von Kármán（卡门）** 的名字命名。
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### 2. 形成机理（分步骤）
1. 均匀来流遇到**钝体**（圆柱、岛屿、山峰等）。 ([위키백과][1])
2. 流体在物体表面附近减速，在背风面发生**边界层分离**，形成低压回流区。
3. 由于很小的扰动，一侧（比如左侧）的剪切层**先卷起形成大涡**，并被主流带向下游。 ([위키백과][1])
4. 左侧涡脱落后，流场变成倾向于在**另一侧（右侧）**形成新涡，如此左右交替。
5. 最终在物体后方形成两排**错位排列的旋涡—卡门涡街**。 ([위키백과][1])
---
### 3. 典型观察场景
* **大气云图**：
风吹过**岛屿或孤立山峰**时，下风向的云层中会出现像**蝴蝶或波纹一样的云带**，这是卡门涡街在云中的显现。([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
* **江河与海洋**：桥墩、防波堤后面会形成周期性漩涡。
* **日常现象**：
* 大风天**电线“嗡嗡”作响**
* 车载天线在某些车速下发生**剧烈横向振动**
都与卡门涡导致的涡激振动有关。 ([위키백과][1])
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### 4. 工程意义与注意事项
* 左右交替脱落的涡，会对结构产生**交变横向力**。
* 当涡脱落频率与结构的**固有频率**接近时，就会发生**共振**，导致振幅放大，产生疲劳裂纹甚至结构破坏。 ([위키백과][1])
常用的工程对策包括： ([위키백과][1])
* 在烟囱、塔杆上加**螺旋状扰流板（helical strakes）**，打乱规则涡街；
* 把构件截面做成**锥形或非圆形**，避免单一主导频率；
* 安装**调谐质量阻尼器（TMD）**，利用附加质量的反相振动削减结构位移。
同时，卡门涡街也被用作一种**“工具”**：
* 在流量计、实验观察、风洞研究中，通过测量涡脱落频率来反推流速或分析流场特性。 ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
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### 5. 帮助理解的小技巧
* 可以把它想象成：
**水或空气在障碍物后方“左一下、右一下”有节奏地摇摆**，于是就出现了一串有规律的小旋涡。
* 先看几张岛屿背后的**卡门云涡卫星图**，形成直观印象，再看雷诺数和斯特劳哈尔数这些抽象概念，会容易很多。 ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
이렇게 정리해 두면, 카르만 소용돌이를 **자연 현상(구름, 물결)**과 **공학 문제(진동·구조물 설계)** 두 측면에서 한 번에 연결해서 이해할 수 있습니다.
[1]: https://en.wikipedia.org/wiki/K%C3%A1rm%C3%A1n_vortex_street?utm_source=chatgpt.com "Kármán vortex street"
[2]: https://faculty.ce.berkeley.edu/sanjay/me180ce133/2019/Lab06.pdf?utm_source=chatgpt.com "1 Overview: von Kármán vortex street"
[3]: https://www.youtube.com/shorts/9Vxz6PhTaIM?utm_source=chatgpt.com "제주도에 또다시 발생한 카르만 소용돌이 현상!"
[4]: https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/outreach/ocsciencefocus/VariousViewsofvonKarmanVortices_o.pdf?utm_source=chatgpt.com "Science Focus: Von Karman Vortices"
**KO 제목: 카르만 소용돌이(카르만 와도) 완전 정리**
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## ① 한국어 설명
### 1. 카르만 소용돌이란 무엇인가?
* **정의**
카르만 소용돌이(카르만 소용돌이, 카르만 와도, Kármán vortex street)는
**유체(공기·물 등)가 둥근 기둥, 섬, 산 같은 장애물을 지나갈 때,
그 뒤에서 양쪽으로 번갈아가며 생기는 소용돌이 줄무늬 패턴**을 말합니다. ([위키백과][1])
* **이름의 유래**
20세기 공기역학자 **테오도르 폰 카르만**이 이 현상을 분석하면서 이름이 붙었습니다. ([위키백과][1])
* **우리 눈에 보이는 모습**
* 위성사진에서 섬 뒤로 **나비 모양·물결 모양 구름**이 줄지어 생기는 장면
* 바람 부는 날 **전봇줄이 윙~ 하고 울리는 소리**
* 강물 속 다리 기둥 뒤에 생기는 반복적인 물결·소용돌이 패턴 ([위키백과][1])
이런 것들이 모두 카르만 소용돌이의 예입니다.
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### 2. 형성 과정 – 단계별로 보기
#### (1) 장애물을 만난 유체
1. 공기나 물이 **일정한 속도**로 흘러가다가
2. **둥근 기둥, 섬, 높은 산** 같은 **둔탁한(Bluff) 물체**를 만납니다. ([위키백과][1])
#### (2) 경계층과 분리
3. 물체 앞에서 유체는 속도가 줄고, 옆으로 돌아 나가려 합니다.
4. 물체 표면을 따라 흐르던 유체가 **뒷쪽에서 표면을 떠나며(분리)**, 뒤에는 **저압·와류 영역**이 생깁니다. ([faculty.ce.berkeley.edu][2])
#### (3) 한쪽에서 먼저 소용돌이 떨어짐
5. 아주 작은 교란 때문에 **왼쪽이 조금 먼저** 뭉치면서 큰 소용돌이(와류)가 형성되고,
6. 이 소용돌이가 **흐름을 타고 뒤로 떠내려갑니다.**
7. 왼쪽에서 큰 소용돌이가 떨어져 나가면, 그 영향으로 **이번엔 오른쪽에서** 새 와류가 만들어집니다. ([위키백과][1])
#### (4) 왼쪽–오른쪽 번갈아 “소용돌이 거리(Street)” 형성
8. 이렇게 **왼쪽–오른쪽–왼쪽–오른쪽** 번갈아 가며 와류가 떨어져 나가면서,
9. 장애물 뒤쪽에 **두 줄의 소용돌이 열(거리, Street)** 이 규칙적으로 생깁니다. ([위키백과][1])
이게 바로 “카르만 소용돌이 거리(Kármán vortex street)”라는 패턴입니다.
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### 3. 언제 생기고, 언제 안 생기나? (조건·수학적 개념)
* **레이놀즈 수(Reynolds number)**
카르만 소용돌이는 **레이놀즈 수(Re)라는 무차원 수가 특정 범위일 때** 잘 나타납니다.
대략 **Re ≈ 100 ~ 수만** 정도의 영역에서 규칙적인 소용돌이 거리가 형성됩니다. ([위키백과][1])
* **스트루할 수(Strouhal number)**
소용돌이가 떨어지는 **주기/빈도 f**, 물체 지름 d, 유속 U 사이에는
대략 다음 관계가 성립합니다:
> Strouhal 수 St ≈ 0.2 = f·d / U (원기둥 기준 대략값) ([위키백과][1])
이 덕분에
* 유속 U
* 지름 d
를 알면,
**소용돌이가 몇 Hz로 떨어질지 f** 를 예측할 수 있고,
반대로 진동 빈도를 관측해서 유속을 추정하는 것도 가능합니다.
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### 4. 어디서 볼 수 있나? (자연·일상·공학 예시)
#### 1) 위성사진 속 카르만 소용돌이 구름
* **섬·산 뒤 구름 패턴**
바람이 일정한 방향으로 불다가 **제주도 같은 섬이나, 단독으로 우뚝한 산**을 만나면,
그 뒤로 **좌우로 번갈아 회전하는 구름 소용돌이**가 생깁니다. ([YouTube][3])
* 우리나라에서도 겨울철 **제주도 남쪽 하늘**에서 카르만 소용돌이 구름이 위성·레이더에 포착되었다는 보도가 자주 나옵니다.
#### 2) 강·바다 속
* 교량의 **다리 기둥** 뒤
* 항만의 **방파제 기둥** 뒤
에서 **규칙적인 물줄기·소용돌이 패턴**이 생깁니다. ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
#### 3) 일상 생활
* 강풍이 부는 날 **전봇줄이 “웅~” 하고 울리는 소리**,
* 자동차 **라디오 안테나가 특정 속도에서 심하게 흔들리는 현상**도
카르μαν 소용돌이로 인한 **진동(공진)** 과 관련 있습니다. ([위키백과][1])
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### 5. 공학적 응용·문제점·주의사항
#### (1) 구조물에 미치는 영향
* 소용돌이가 **왼쪽–오른쪽 번갈아** 발생하면,
기둥·굴뚝·안테나에는 **좌우로 번갈아 힘**이 작용합니다.
* 이 힘의 **주파수(소용돌이 떨어지는 빈도)** 가 구조물의 **고유진동수와 같아지면 = 공진**,
진동이 크게 증폭되어 **피로·균열·파손 위험**이 증가합니다. ([위키백과][1])
* 예시
* **높은 굴뚝·송전탑** 설계 시 카르만 소용돌이 진동 검토 필수
* 일부 **냉각탑 붕괴 사고**는 강풍 속 와류·진동 영향과 관련 있음 ([위키백과][1])
#### (2) 해결책·디자인 팁
엔지니어들이 사용하는 대표적인 대책:
1. **나선형 스트레이크(Helical Strakes)**
* 굴뚝·기둥 표면에 **큰 나사선처럼 돌출된 나선 구조**를 둘러
흐름을 **3차원 불규칙**하게 만들면,
소용돌이가 규칙적으로 떨어지지 못해 진동이 줄어듭니다. ([위키백과][1])
2. **단면 형상 변경**
* 원기둥을 **테이퍼(위로 갈수록 가늘게)** 만들거나
* 단면을 사각·타원 등으로 바꾸어
특정 주파수에서의 규칙적인 소용돌이 생성을 약화시킵니다.([위키백과][1])
3. **튜닝 질량 감쇠기(Tuned Mass Damper, TMD)**
* 구조물 상단에 **추+스프링** 시스템을 달아
구조물과 반대 위상으로 흔들리도록 튜닝함으로써
카르만 소용돌이 진동을 상쇄합니다. ([위키백과][1])
#### (3) 실험·수치해석에서의 활용
* 연구에서는
* **원기둥 주위 유동 CFD 해석**,
* **수조 실험(비눗방울, 수조 레이저 시각화)** 등으로
카르만 소용돌이 발생 조건과 유동 구조를 분석합니다. ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
* 이 결과는
* **교량, 고층건물, 풍력발전기 타워, 잠망경, 잠수함 구조** 등
유체 속에 서 있는 거의 모든 구조물 설계에 반영됩니다. ([위키백과][1])
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### 6. 이해에 도움이 되는 추가 포인트·팁
1. **“유체의 박자감”으로 생각하면 이해가 쉽다**
* 장애물 뒤에서 유체가 **리듬 있게 좌우로 번갈아 실패**하는 모습이 카르만 소용돌이라 보면 됩니다.
2. **구름 사진으로 먼저 감각을 잡고, 그다음 공식을 보면 편하다**
* 제주도 주변 위성사진에서 **나비 모양 구름**을 먼저 보고,
* 그다음에 레이놀즈 수·스트루할 수를 보면 개념이 훨씬 자연스럽게 들어옵니다. ([YouTube][3])
3. **카르만 소용돌이는 “문제이자 도구”**
* 잘못 설계하면 구조물에 해로운 진동을 만들지만,
* 반대로 **유속 센서, 유동 시각화, 소음 연구** 같은 분야에서는
이 규칙성을 이용해서 **유체 상태를 진단하는 도구**로 쓰기도 합니다. ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
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## ② English Explanation
### 1. What is a Kármán vortex street?
A **Kármán vortex street** is a **repeating pattern of swirling vortices** that forms behind a bluff body (like a cylinder, island or mountain) when a fluid such as air or water flows past it. ([위키백과][1])
Instead of staying symmetric, the flow **sheds vortices alternately from the left and right sides** of the object, producing two staggered rows of vortices downstream.
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### 2. How it forms – step by step
1. **Uniform flow meets an obstacle**
A steady flow approaches a **bluff body** (circular cylinder, bridge pier, island, mountain). ([위키백과][1])
2. **Boundary layer and separation**
The flow slows near the surface, then **separates** at the rear of the body, creating a low-pressure recirculation region.
3. **First asymmetric vortex**
A tiny disturbance makes the shear layer on, say, the left side roll up slightly earlier.
A **large vortex forms on that side and is convected downstream**. ([위키백과][1])
4. **Alternating shedding**
After the left vortex has been shed, the flow pattern favours **vortex formation on the right side**, then again on the left, and so on.
This alternating process creates a **double row of vortices** – the Kármán vortex street. ([위키백과][1])
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### 3. When does it occur? (Reynolds & Strouhal numbers)
* The street forms for a certain range of the **Reynolds number Re = U·L / ν**,
typically **Re ≳ 100 up to tens of thousands** for a circular cylinder. ([위키백과][1])
* The **Strouhal number St = f·d / U** (f: shedding frequency, d: cylinder diameter, U: flow speed)
is approximately **St ≈ 0.2** for many cylinder wakes,
which allows engineers to predict the vortex shedding frequency and compare it with a structure’s natural frequency. ([위키백과][1])
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### 4. Where you can see it
1. **In the atmosphere (cloud patterns)**
* Air flowing past **islands or isolated mountains** can generate vortex streets in the cloud layer downwind. ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
* Satellite images often show **butterfly-shaped or wavy cloud patterns** behind islands like Guadalupe Island or Jeju.
2. **In rivers and oceans**
* Behind bridge piers, harbour structures and offshore platforms, you can observe **regular swirls in the wake**.
3. **Everyday life**
* The **“singing” of telephone or power lines** in strong winds
* The vibration of a **car antenna at certain speeds**
are classic examples of vortex-induced vibrations caused by Kármán vortices. ([위키백과][1])
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### 5. Engineering significance, applications and precautions
* **Periodic cross-wind forces**
Alternating vortices exert side-to-side forces on chimneys, masts, cables and tall buildings.
If the shedding frequency matches the **natural frequency** of the structure, **resonance** can occur, amplifying vibrations and potentially causing fatigue or failure. ([위키백과][1])
* **Design countermeasures** ([위키백과][1])
* **Helical strakes**: spiral fins on chimneys/masts break up the regular 2D vortex street.
* **Tapered or noncircular cross-sections**: change the flow pattern and avoid a single dominant shedding frequency.
* **Tuned mass dampers (TMDs)**: attached masses oscillate out of phase with the structure to reduce vibration amplitudes.
* **Use as a tool**
Engineers also exploit vortex streets in **flow meters, experimental visualisations and sensing**:
by measuring the shedding frequency, they can infer **flow speed** or characterise the wake. ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
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### 6. Helpful mental pictures
* Think of the wake **“walking in a rhythm”**, swaying left–right in a regular beat.
* Look at satellite photos of **cloud vortex streets behind islands** first to build intuition, then connect that image to the more abstract ideas of Re and St. ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
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## ③ 日本語での説明
### 1. カルマン渦とは？
カルマン渦列（Kármán vortex street）は、
**流体（空気・水など）が円柱や島、山のような障害物を通過したあと、その背後に左右交互の渦が規則正しく並ぶ現象**です。 ([위키백과][1])
この現象は20世紀の流体力学者 **テオドール・フォン・カルマン** にちなんで名付けられました。
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### 2. 形成プロセス（ステップ）
1. 一様な流れが円柱や橋脚、島・山などの**鈍い形状の物体**にぶつかる。 ([위키백과][1])
2. 物体表面近くで流速が落ち、後ろ側で**境界層が剥離**して低圧の循環域ができる。
3. ごく小さな乱れが原因で、まず**片側（左側など）で渦がまとまりやすく**なり、大きな渦が形成されて下流へ流れていく。 ([위키백과][1])
4. 左側の渦がちぎれて流れ出ると、今度は**反対側（右側）**に渦ができやすくなり、また交互に渦が放出される。
5. その結果、**左右交互に並んだ二列の渦列＝カルマン渦列**が形成される。 ([위키백과][1])
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### 3. 観察できる場所
* **大気中の雲パターン**：
島や孤立した山の背後に、衛星画像で**蝶のような雲の模様**が見えることがあり、これはカルマン渦列によるものです。([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
* **河川・海洋**：橋脚や防波堤の後ろに周期的な渦ができる。
* **日常生活**：
強風時に**電線が「ビーン」と鳴る音**や、車の**アンテナが特定速度で大きく揺れる現象**もカルマン渦による強制振動です。 ([위키백과][1])
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### 4. 工学的な意味と注意点
* 渦が左右交互に放出されることで、構造物には**横方向の周期的な力**が作用します。
* 渦放出の周波数が構造物の**固有振動数**と一致すると**共振**が起こり、
振動が増幅されて疲労や損傷の原因になります。 ([위키백과][1])
対策としては、
* **らせん状のフィン（ストレーキ）**を付けて規則的な2次元渦を崩す、
* 断面を**テーパ形状や非円形**にして単一周波数の渦生成を避ける、
* **同調質量ダンパー**で構造物と逆位相に揺れる重りを設置する、
といった方法が用いられます。 ([위키백과][1])
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### 5. 直感的に理解するコツ
* 川の流れの後ろで、障害物が**「左右にスイングするリズムを作る」**とイメージすると分かりやすいです。
* まず島の背後の**雲の写真**（カルマン渦列）を眺めてから、レイノルズ数やストローハル数の話を読むと、数式への抵抗感がかなり減ります。 ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
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## ④ 中文说明（简体）
### 1. 什么是卡门涡街？
**卡门涡街（Kármán vortex street）**，又叫卡门涡列，是指
**流体（空气或水）流过圆柱、桥墩、岛屿、山峰等钝体之后，在其下游形成的左右交替排列的旋涡链**。 ([위키백과][1])
这个现象以著名的空气动力学家 **Theodore von Kármán（卡门）** 的名字命名。
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### 2. 形成机理（分步骤）
1. 均匀来流遇到**钝体**（圆柱、岛屿、山峰等）。 ([위키백과][1])
2. 流体在物体表面附近减速，在背风面发生**边界层分离**，形成低压回流区。
3. 由于很小的扰动，一侧（比如左侧）的剪切层**先卷起形成大涡**，并被主流带向下游。 ([위키백과][1])
4. 左侧涡脱落后，流场变成倾向于在**另一侧（右侧）**形成新涡，如此左右交替。
5. 最终在物体后方形成两排**错位排列的旋涡—卡门涡街**。 ([위키백과][1])
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### 3. 典型观察场景
* **大气云图**：
风吹过**岛屿或孤立山峰**时，下风向的云层中会出现像**蝴蝶或波纹一样的云带**，这是卡门涡街在云中的显现。([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
* **江河与海洋**：桥墩、防波堤后面会形成周期性漩涡。
* **日常现象**：
* 大风天**电线“嗡嗡”作响**
* 车载天线在某些车速下发生**剧烈横向振动**
都与卡门涡导致的涡激振动有关。 ([위키백과][1])
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### 4. 工程意义与注意事项
* 左右交替脱落的涡，会对结构产生**交变横向力**。
* 当涡脱落频率与结构的**固有频率**接近时，就会发生**共振**，导致振幅放大，产生疲劳裂纹甚至结构破坏。 ([위키백과][1])
常用的工程对策包括： ([위키백과][1])
* 在烟囱、塔杆上加**螺旋状扰流板（helical strakes）**，打乱规则涡街；
* 把构件截面做成**锥形或非圆形**，避免单一主导频率；
* 安装**调谐质量阻尼器（TMD）**，利用附加质量的反相振动削减结构位移。
同时，卡门涡街也被用作一种**“工具”**：
* 在流量计、实验观察、风洞研究中，通过测量涡脱落频率来反推流速或分析流场特性。 ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
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### 5. 帮助理解的小技巧
* 可以把它想象成：
**水或空气在障碍物后方“左一下、右一下”有节奏地摇摆**，于是就出现了一串有规律的小旋涡。
* 先看几张岛屿背后的**卡门云涡卫星图**，形成直观印象，再看雷诺数和斯特劳哈尔数这些抽象概念，会容易很多。 ([oceancolor.gsfc.nasa.gov][4])
이렇게 정리해 두면, 카르만 소용돌이를 **자연 현상(구름, 물결)**과 **공학 문제(진동·구조물 설계)** 두 측면에서 한 번에 연결해서 이해할 수 있습니다.
[1]: https://en.wikipedia.org/wiki/K%C3%A1rm%C3%A1n_vortex_street?utm_source=chatgpt.com "Kármán vortex street"
[2]: https://faculty.ce.berkeley.edu/sanjay/me180ce133/2019/Lab06.pdf?utm_source=chatgpt.com "1 Overview: von Kármán vortex street"
[3]: https://www.youtube.com/shorts/9Vxz6PhTaIM?utm_source=chatgpt.com "제주도에 또다시 발생한 카르만 소용돌이 현상!"
[4]: https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/outreach/ocsciencefocus/VariousViewsofvonKarmanVortices_o.pdf?utm_source=chatgpt.com "Science Focus: Von Karman Vortices"