渦旋因風(fēng)起，可以撼高樓

朱會(huì)鑫

高樓大廈在風(fēng)中搖擺，這已是見怪不怪的事情了。可你知道嗎，能夠撼動(dòng)高樓大廈的風(fēng)其實(shí)并不需要多大。據(jù)報(bào)道，前不久讓深圳賽格大廈搖晃不已的風(fēng)就沒有超過5級(jí)。也許你會(huì)產(chǎn)生疑惑：沒有超過5級(jí)的風(fēng)連行人都吹不動(dòng)，怎么可能撼動(dòng)用鋼筋混凝土澆筑的高樓大廈呢？

科研人員在研究中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)要晃動(dòng)高樓并不需要有多強(qiáng)勁，只要形成一種特殊渦旋效應(yīng)——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(xiàn)象的概率就要小得多。渦旋脫落產(chǎn)生的是一連串渦旋，這些渦旋呈周期性規(guī)律排列的現(xiàn)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(dāng)流體遇到障礙物時(shí)，它們沒法從中間穿過去，就會(huì)挨著物體兩側(cè)繞開，流線型物體更易于讓流體順滑地“溜”過去，不激起波動(dòng)。所以，機(jī)翼、車頭、船身大多采用流線型外形結(jié)構(gòu)。但更常見的是，障礙物會(huì)被看似柔而無骨的流體所擾動(dòng)。當(dāng)繞行流體的慣性力與黏滯力比值（雷諾數(shù)）恰好滿足一定關(guān)系時(shí)，就會(huì)在物體下游兩側(cè)“脫落”出兩列渦旋。兩列渦旋按照一側(cè)順時(shí)針、另一側(cè)逆時(shí)針交替出現(xiàn)。這種渦旋交替分列兩道的情形，宛如道路兩側(cè)的街燈，加之物理學(xué)家西奧多·馮·卡門最先解釋了這一現(xiàn)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(dāng)一系列渦旋從障礙物兩側(cè)交替經(jīng)過時(shí)，障礙物兩側(cè)的瞬時(shí)壓力交替改變，流體就會(huì)將障礙物往壓力小的一側(cè)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(cè)人潮對(duì)你推推搡搡，那你便會(huì)立足不穩(wěn)。單單出現(xiàn)卡門渦街現(xiàn)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(huì)發(fā)生渦街共振。當(dāng)它與物體發(fā)生共振時(shí)，可以產(chǎn)生相當(dāng)大的破壞力。

1965年，英國費(fèi)里布里奇發(fā)電站100多米高的冷卻塔接連倒塌，正是因?yàn)榭ㄩT渦街引發(fā)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(dāng)然，不僅僅是卡門渦街威脅著建筑物，還有大風(fēng)帶來的顫振也是不可忽略的威脅。因?yàn)轭澱瘢绹岂R吊橋僅通車4個(gè)月就借風(fēng)勢蕩了下“秋千”，然后就從人們的視野中消失了。

為了避免風(fēng)給高層建筑帶來災(zāi)難性破壞，建筑設(shè)計(jì)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(fēng)，使它們無法有效地形成規(guī)律渦旋。還有一些大樓則很有“紳士風(fēng)度”地給風(fēng)讓道，在樓體上開洞。這些都不失為防患減災(zāi)的有效嘗試。

隨著對(duì)科學(xué)的認(rèn)知水平的提高，人們對(duì)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(dòng)力、飛行、聲學(xué)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、燃燒等諸多方面，積極地開發(fā)應(yīng)用。

（選自2021年第12期《知識(shí)窗》，本刊有刪改）