高楼大厦在风中摇摆,这已是见怪不怪的事情了,可你知道吗?那能够撼动高楼大厦的风其实并不需要多大。据报道,前不久让深圳赛格大厦摇晃不已的风就没有超过5级。也许你会疑问:没有超过5级的风连行人都吹不动,怎么可能撼动那用钢筋混凝土浇筑的高楼大厦呢?
科研人员在研究中发现,风要晃动高楼并不需要有多强劲,只要形成一种特殊涡旋效应——涡旋脱落,就足以使大楼为之颤抖。
说起涡旋,大家并不陌生,而看到涡旋脱落这一现象的概率就要小得多。涡旋脱落产生的是一连串涡旋,这些涡旋呈周期性规律排列的现象被称为卡门涡街。
形成卡门涡街的原因是什么呢?简而言之,是由于流体遇到障碍物。在生活中,流体遇到障碍物是每时每刻都在发生的事情,如果你仔细观察,就会发现溪流中有棱角的石头,有时在水流过去后会有些轻微的抖动,而表面呈流线型的滑石则不会抖动。空气遇到障碍物也是如此。当流体(气流或水流)遇到障碍物时,它们没法从中间穿过去,就会挨着物体两侧绕开,流线型物体更易于让流体顺滑地“溜”过去,不激起波澜。所以,机翼、车头、船身大多采用流线型外形结构。但更常见的是,障碍物会被看似柔而无骨的流体所扰动。当绕行流体的惯性力与黏滞力比值(雷诺数)恰好满足一定关系(通常大于90)时,就会在物体下游两侧“脱落”出两列涡旋,而且是一侧顺时针、另一侧逆时针地交替出现。这种涡旋交替分列两道的情形,宛如道路两侧的街灯,加之物理学家西奥多·冯·卡门最先解释了这一现象,故得名“卡门涡街”。
卡门涡街的名字很好听,但其美丽的“外表”下常常包藏着“祸心”。当一系列涡旋从障碍物两侧交替经过时,其两侧的瞬时压力交替改变,流体就会将物体往压力小的一侧来回推。这就好比一大群人蜂拥而至,而你还站在原地,只能任由两侧人潮对你推推搡搡,那便会立足不稳。单单出现卡门涡街现象还不是怎样可怕的事,怕就怕卡门涡街的频率刚好和障碍物的固有频率一致,那样,就会发生涡街共振。卡门涡街引发的振动在烟囱、冷却塔、塔楼、管道等高挑的圆柱形物体附近更明显,当它与物体发生共振时可以产生相当大的破坏力。
1965年,英国费里布里奇发电站100多米高的冷却塔接连倒塌,正是因为卡门涡街引发共振。为此,一些烟囱、冷却塔顶安装上了螺旋形扇叶,阻碍卡门涡街形成。当然,不仅仅是卡门涡街威胁着建筑物,还有大风带来的颤振也是不可忽略的威胁。因为颤振,美国塔科马吊桥仅通车4个月就借风势荡了下“秋千”,然后就从人们的视野中消失了。
为了避免风给高层建筑带来灾难性破坏,建筑设计师和工程师给高层建筑安装了阻尼器,以吸收、缓冲一部分风,使它们无法有效地形成规律涡旋。还有一些大楼则很有“绅士风度”地给风让道,在楼体上开洞。这些都不失为防患减灾的有效尝试。
随着人们对科学的认知水平的提高,人们对涡旋已不再是避之如洪水猛兽。如今,人们正不断地避害趋利,在水动力、飞行、声学、旋转机械、燃烧等诸多方面,积极地开发利用,越来越多地造福人类。