渦旋因風起，可以撼高樓

朱會鑫

高樓大廈在風中搖擺，這已是見怪不怪的事情了。可你知道嗎，能夠撼動高樓大廈的風其實并不需要多大。據報道，前不久讓深圳賽格大廈搖晃不已的風就沒有超過5級。也許你會產生疑惑：沒有超過5級的風連行人都吹不動，怎么可能撼動用鋼筋混凝土澆筑的高樓大廈呢？

科研人員在研究中發現，風要晃動高樓并不需要有多強勁，只要形成一種特殊渦旋效應——渦旋脫落，就足以使大樓為之顫抖。

說起渦旋，大家并不陌生，但看到渦旋脫落這一現象的概率就要小得多。渦旋脫落產生的是一連串渦旋，這些渦旋呈周期性規律排列的現象稱為卡門渦街。

形成卡門渦街的原因是什么呢？簡而言之，是由于流體（氣流或水流）遇到障礙物。當流體遇到障礙物時，它們沒法從中間穿過去，就會挨著物體兩側繞開，流線型物體更易于讓流體順滑地“溜”過去，不激起波動。所以，機翼、車頭、船身大多采用流線型外形結構。但更常見的是，障礙物會被看似柔而無骨的流體所擾動。當繞行流體的慣性力與黏滯力比值（雷諾數）恰好滿足一定關系時，就會在物體下游兩側“脫落”出兩列渦旋。兩列渦旋按照一側順時針、另一側逆時針交替出現。這種渦旋交替分列兩道的情形，宛如道路兩側的街燈，加之物理學家西奧多·馮·卡門最先解釋了這一現象，故得名“卡門渦街”。

卡門渦街的名字很好聽，但其美麗的“外表”下常常包藏著“禍心”。當一系列渦旋從障礙物兩側交替經過時，障礙物兩側的瞬時壓力交替改變，流體就會將障礙物往壓力小的一側來回推。這就好比一大群人蜂擁而至，而你還站在原地，只能任由兩側人潮對你推推搡搡，那你便會立足不穩。單單出現卡門渦街現象還不是可怕的事，怕就怕卡門渦街的頻率剛好和障礙物的固有頻率一致，那樣，就會發生渦街共振。當它與物體發生共振時，可以產生相當大的破壞力。

1965年，英國費里布里奇發電站100多米高的冷卻塔接連倒塌，正是因為卡門渦街引發了共振。為此，一些煙囪、冷卻塔頂安裝了螺旋形扇葉，以阻礙卡門渦街形成。當然，不僅僅是卡門渦街威脅著建筑物，還有大風帶來的顫振也是不可忽略的威脅。因為顫振，美國塔科馬吊橋僅通車4個月就借風勢蕩了下“秋千”，然后就從人們的視野中消失了。

為了避免風給高層建筑帶來災難性破壞，建筑設計師和工程師給高層建筑安裝了阻尼器，以吸收、緩沖一部分風，使它們無法有效地形成規律渦旋。還有一些大樓則很有“紳士風度”地給風讓道，在樓體上開洞。這些都不失為防患減災的有效嘗試。

隨著對科學的認知水平的提高，人們對渦旋已不再是避之如洪水猛獸。如今，人們正不斷地避害趨利，在水動力、飛行、聲學、旋轉機械、燃燒等諸多方面，積極地開發應用。

（選自2021年第12期《知識窗》，本刊有刪改）