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流体涡旋漫谈

2012-07-09 19:51:03 来源:

涡旋(vortex)是流体团的旋转运动(见参考文献[1]的495页)。近代力学的奠基人之一、德国力学家普朗特(L.Prandtl)的学生、空气动力学家屈西曼(D.Küchemann)曾经说过:“涡旋是流体运动的肌腱。”这句话是流体力学中的至理名言,深刻概括了涡旋在流体运动中的作用。普朗特的另一位学生、北京航空航天大学陆士嘉教授曾更进一步地指明“流体的本质就是涡,因为流体经不住搓,一搓就搓出了涡。”这句话既道出了流体与固体的本质区别,又点明了流体运动中出现涡旋的原因。这里的“搓”,是指作用在流体上的剪切力。只要有物体(如飞行器、船舰、汽车、火车等)在流体中运动,紧贴在物面上的流体由于黏附在物面上,会被物体带着一起运动,而远处的流体却在静止中,这就产生了对流体发生“搓”的剪切力。

在液体力学中,涡旋沿没有明确的定义。但涡量(Vorticity)有严格的数学定义,即定义为速度的旋度:

它是空间坐标经x,y,z和时间坐标t的函数,涡量和速度一样,也是矢量场,称为涡量场。

液体的涡旋运动有明确的严格定义:在流场的某一区域中,如,称在这个区域中流动是有旋的,也称为涡旋运动,否则则称为是无旋的(见参考文献【2】的上册220页)。

涡旋产生的原因很多,也十分复杂。近代流体力学己经证明,只要在流体中有“涡量源”,就会产生涡量。己证明如有下面几种情况,都会有“涡量源”出现:

(1)流体团所受到的力,可以分为体积力(如引力、惯性力、电磁力、柯氏力等)和表面力,表面力又可分解为垂直于流体团表面的法向力(即压力),和与表面相切的切向力(即剪切力)。如果体积力不能表示为一个势函数的梯度,就是一个“涡量源”。

(2)黏性流体加上固体边界,会有“搓”流体的剪切力,也是一个“涡量源”。

(3)如果流体的状态方程中有两个以上独立的热力学变量(在流体力学中称作是斜压流动),又是一个“涡量源”。

因为上述几种“涡量源”普遍存在于流体运动中,所以涡旋运动就成为流体运动中极普遍的运动形态。

我们可以从下面一些例子来了解存在于大自然中形形色色的流体涡旋。

涡 旋 星 系

宇宙空间的涡旋星系,是大自然中尺度最大的涡旋,其尺度是“光年”。美囯科学院院士、中国科学院外藉院士、美国麻省理工学院林家翘教授曾在涡旋星系研究方面,做出过开创性的贡献。

哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)是以天文学家哈勃为名,在环绕著地球的轨道上工作的望远镜,由美国宇航局和欧洲航天局共同管理。其位置在地球的大气层之上:影像不会受到大气湍流的扰动,视相度很高,又没有大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线,所以获得了地基望远镜所没有的好处。

哈勃空间望远镜自1990年发射之后,拍摄到了许多美妙的涡旋星系照片,让我们认识到在宇宙中还存在那么多姿多态的星系,也说明了涡旋状态是星系存在的常态之一。

猎犬座的涡旋星系

哈勃望远镜的3号宽视场照相机2010年12月17日拍摄到的涡旋星系

这些尺度相当大的流体涡旋,我国曾统称为台风,现在按气象部门的定义,当热带气旋中心附近的风力为8~9级时称为热带风暴,10~11级时称为强热带风暴,12级及以上才称为台风。在北半球,热带气旋是反时针方向旋转的强烈的涡旋,其形状如漏斗,下层周围的空气向中心流入并向上升,而上层空气则向四周流出,其半径可达数百公里。由于它对人类的生活、生产有极大的破坏力,所以气象部门已将每年发生的热带气旋编号并命名来进行观测和预报。

全球热带海洋上每年生成约80~100个气旋。其中约36%发生在西北太平洋和南中国海上,这里是全球生成台风最多的海区之一。南大西洋热带海区,因为南极流来的冷洋流降低了水温,而不易发生台风。有人统计了42年资料,西北太平洋上共发生台风(包括热带风暴)1178个,平均每年约28个。

台风具有很强的破坏力,是一种气象灾害;但对于干旱地区而言,台风又可带来降水,以解除伏旱。

有时候,也能在电视台气象预报的卫星云图上,看到同时产生的两个或多个热带气旋。

龙卷风

龙卷风是一种风力极强而范围不太大的涡旋,状如漏斗,风速极快,破坏力很大(见参考文献[5])。其中心的气压可以比周围气压低百分之十。龙卷风的平均直径为200~300 米,直径最小的不过几十米,只有极少数直径大的才达到1000米以上。它的寿命也很短促,往往只有几分钟到几十分钟,最多不超过几小时。其移动速度平均每秒15米,最快的可达70米;移动路径的长度大多在10公里左右,短的只有几十米,长的可达几百公里以上。它造成破坏的地面宽度,一般有l~2公里。

龙卷风上端与雷雨云相接,下端有的悬在半空中,有的直接延伸到地面或水面,一边旋转,一边向前移动。远远看去,它不仅很像吊在空中晃晃悠悠的一条巨蟒,而且很像一个摆动不停的大象鼻子。发生在海上,犹如“龙吸水”的现象,称为“水龙卷”(或称“海龙卷”,waterspout);出现在陆上,卷扬尘土,卷走房屋、树木等的龙卷,称为“陆龙卷”(landspout,美国国家气象局称dust-tubetornado)。世界各地的海洋和湖泊等都可能出现水龙卷。在美國,水龙卷通常发生在美国东南部海岸,尤其在佛罗里达南部和墨西哥湾。水龙卷虽在定义上是龙卷风的一種,其破坏性要比最强大的大草原龙卷风小,但是它们仍然是相当危险的。龙卷风的生存时间一般只有几分钟,最长也不超过数小时。龙卷风经过的地方,常会发生拔起大树、掀翻车辆、摧毁建筑物等现象,有时把人吸走,危害十分严重。

沙尘暴

沙尘暴(sandduststorm)是沙暴(sandstorm)和尘暴(duststorm)两者兼有的总称,是指强风把地面大量沙尘物质吹起卷入空中,使空气特别混浊,水平能见度小于1km的严重风沙天气现象(见参考文献[4])。其中沙暴系指大风把大量沙粒吹入近地层所形成的挟沙风暴;尘暴则是大风把大量尘埃及其它细粒物质卷入高空所形成的风暴。

沙尘暴是我国西北地区和华北北部地区出现的强灾害性天气,可造成房屋倒塌、交通供电受阻或中断、火灾、人蓄伤亡,污染自然环境,破坏作物生长,给经济建设和人民生命财产安全造成严重的损失和极大的危害。

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