“卡门涡街”再现:蘸云为墨 以气作画
来源:中国气象报   发布时间:2019-01-25
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  中国气象报通讯员 杨冰韵 记者 卢健

  在一些海岛、高山附近,神秘的自然之手会在特定的时刻,“创作”出独特而赋有艺术性的连串交替分布漩涡状美丽云绘。多年来,经由遥感卫星的“镜头”及宇航员手中的相机,这种大自然的鬼斧神工得以让世人一睹风采。

  1月21日,在韩国济州岛以南海域,这一“艺术云绘”经由风云四号卫星镜头,再一次呈现,引得一片赞叹。

  到底是一双什么样的“手”,恰到好处地饱蘸云彩,绘制出这些神秘作品的呢?

  天时地利

  1月21日,在我国风云四号气象卫星的高清“镜头”下,韩国济州岛以南海域和日本九州岛南部海域一连串鬼斧神工的景观引起人们的注意:海域附近,流动的冷流云在经过济州岛后,似是受到了岛屿地形的影响,在冷流云流动方向的下游形成了一连串交替分布的美丽漩涡。研究人员立即兴奋起来:“卡门涡街”现象又一次被抓拍到了!

  在流体(水、空气)中,如果出现了一个阻流体,挡住了流体前进,那么在流体的下游,会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡。108年前,20世纪最伟大的航天工程学家冯·卡门通过实验研究,最先从理论上对这种现象进行阐明。此后,这种现象得名“卡门涡街”。

  大气层中的空气,也是流体的一种。当风吹过海岛或山峰,其背风面常常会形成尾流(一般把处在相对于气流运动实体背后的湍流区叫做尾流)。在一定的海洋和大气条件下,背风坡一侧可诱导大气扰动,在障碍物两侧周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡,它们会一个接一个地向下游传播。这种在尾流中发生的涡旋列也被称作“冯·卡门大气涡街”(简称大气涡街)。

  可以说,大气涡街现象并不罕见,那为什么卫星拍到大气涡街还会让人如此兴奋呢?

  大气涡街是气流与地形(山脉、岛屿等)相互作用的产物,在一般情况下,气流是无形的,即便大气涡街发生了,如果没有特定云彩这一“颜料”,云绘美景依然无法在卫星图片上显现出来。这种大自然的鬼斧神工,需要特定的条件才可以一见。

  1月21日,东北亚的冷源已经被正在奔向北太平洋的北极涡旋吸走,一部分冷空气则泄到朝鲜半岛和日本。1月21日上午,稳定的冷空气掠过我国东海的时候,在比较暖的海水和水汽的作用下,这些冷空气转变为絮状的冷流云,为云绘创作提供了“颜料”。与此同时,层结稳定的大气中低层,则为随后低层气泡状云的形成提供了保障。

  当然,不只是在济州岛附近,在广袤的地球上,只要集齐天时地利,就有可能出现卡门涡街。就风云卫星家族来说,就曾在墨西哥西海岸瓜达卢普岛上空、非洲西北部的佛得角群岛等地多次捕捉到卡门涡街。

  有意思的是,虽然云经常充当卡门涡街的“颜料”,但也并不是唯一的“颜料”。2015年2月18日,夏威夷基拉韦厄火山喷发,在火山下风数百公里处形成了一系列交替漩涡,被国际空间站上的宇航员用数码相机捕捉到了。这一次,雾霾也充当了一把“颜料”。

  风洞测试

  当卡门涡街美景现身于蓝色海洋中的一叶小岛附近时,它带给人们的是惊艳与美好。然而,当现代社会中的桥梁、高层建筑遇上卡门涡街时,则有可能是一种灾难。

  1940年,美国花费640万美元,在华盛顿州塔科马海峡上建造了一座主跨度853.4米的悬索桥,建成4个月后,于同年11月7日遇到了一场风速为19米/秒的风。虽然风不算大,但桥却发生了剧烈的扭曲振动,且振幅越来越大(接近9米),直到桥面倾斜到45度左右时,吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁。当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片,记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程。

  在塔科马大桥倒塌后的第二天,华盛顿州州长宣布该桥设计牢靠,计划重建该桥。冯·卡门觉得此事不妥,便找到该桥模型带回家中,放在书桌上,开动电扇,模型开始振动起来,当振动频率达到模型的固有频率时,发生共振,模型振动剧烈。塔科马海峡大桥倒塌的原因水落石出——卡门涡街引起桥梁共振。

  随后冯·卡门令助手在加州理工学院风洞内,进一步测试塔科马大桥模型,取得翔实数据,然后给华盛顿州州长发了一份电报:“如果按旧设计重建一座新桥,那座新桥会一样倒塌。”

  此后,州长成立一个塔科马海峡大桥倒塌事件调查小组,冯·卡门是成员之一。经过一番争论,冯·卡门终于说服当时不懂空气动力学知识的桥梁设计师,在建新桥之前,先将桥梁模型进行风洞测试。此后大桥采用了新的设计,避免了卡门涡街可能对桥梁引起的损害。

  事实上,除了桥梁以外,烟囱、高层建筑等高耸结构物,都有可能因卡门涡街引起共振而倒塌。1965年11月,英国西约克郡费里布里奇发电站两座一百多米高的冷却塔,就在大风中因卡门涡街引起共振倒塌。

  如今,进行高层建筑物设计时都要进行计算和风洞模型测试,以保证不会因卡门涡街导致建筑物被破坏。北京、天津的电视发射塔,上海的东方明珠电视塔,舟山连岛工程、港珠澳大桥、沪通公铁两用长江大桥在建造前,都曾在风洞中做过模型测试。

  而冯·卡门在卡门涡街理论以及后世建筑应用中的贡献,则被永远铭记下来。

  

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  卡门涡街是如何被发现的?

  冯·卡门(1881—1963)是美籍匈牙利裔力学家,近代力学的奠基人之一,是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀,以及美籍华人科学家林家翘在美国加州理工学院时的导师。

  1911年,冯·卡门在德国哥廷根大学空气动力学家路德维希·普朗特手下任助教。当时普朗特正研究边界层现象,他命一位攻读博士学位的研究生卡尔·希门茨设计一个流水槽,以便观察流水经过一个圆柱体时的边界层,并测量圆柱体表面上不同点的压力。希门茨发现圆柱体表面的压力并非如预期一样平稳,而是会剧烈振动。他将这个情况向普朗特汇报。普朗特说:“你的圆柱体显然不圆。”希门茨细心将圆柱体磨了又磨,测了又测,不见改进。

  冯·卡门经过实验室时不在意地问道:“卡尔,怎么样了?”卡尔答道:“还是振动。”过几天又问:“卡尔,怎么样了?”“还是振动得厉害。”这引起冯·卡门的注意,他想,也许振动不是偶然的,而是由内在原因决定的,于是便从理论上进行思考。

  起初冯·卡门设想圆柱体后的水流形成两道对称排列但反方向的漩涡,但发现这种状态不能维持,很快就不稳定了。于是他假设两道漩涡交错排列,计算结果表明这种状态能够维持。

  冯·卡门将计算结果向导师普朗特报告。普朗特命冯·卡门写出论文发表。这是冯·卡门的第一篇论文,也是他的成名之作。冯·卡门关于卡门涡街的理论被后来的实验证实。“卡门涡街”的名称,沿用至今。

(来源:《中国气象报》2019年1月25日四版 责任编辑:王玫珏) 

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