龙卷风的动力学？

龙卷风的动力学？

龙卷风结构原理分析


一、龙卷风
龙卷风是一种破坏力极大的灾难性自然现象。

据报道，在1999年5月27日，美国得克萨斯州中部，包括首府奥斯汀在内的 4个县遭受特大龙卷风袭击，造成至少32人死亡，数十人受伤。

龙卷风是从强流积雨云中伸向地面的一中小范围强烈旋风。龙卷风出现时，往往有一个或数个如同“象鼻子”样的漏斗状云柱从云底向下伸展，同时伴随狂风暴雨、雷电或冰雹。龙卷风漏斗状中心由吸起的尘土和凝聚的水气组成可见的“龙嘴”。龙卷风经过水面，能吸水上升，形成水柱，同云相接，俗称“龙取水”。经过陆地，常会卷倒房屋，吹折电杆，甚至把人、畜和杂物吸卷到空中，带往他处。

一般情况下，龙卷风是一种气旋，它是大气中最强烈的一种涡旋现象。龙卷风出现的时间和大气中对流旺盛的时间相一致，主要出现在夏季6-9月，春末夏初也偶发生，尤以下午至傍晚最为多见。影响地面范围从数米到几十上百公里，龙卷风的直径一般在十几米到数百米之间。龙卷风的生存时间一般只有几分钟，最长也不超过数小时。风力特别大，在中心附近的风速可达100-200米/秒。
大多数龙卷风在北半球是逆时针旋转，在南半球是顺时针，也有例外情况。

二、龙卷风与能量

龙卷风中蕴含的能量是巨大的。当龙卷风的漏斗状旋涡直径为200米时，其旋流功率可达3万兆瓦，相当于10座大型水电站的总电量。 （摘自《科技之友》龙卷风）

龙卷风把江河湖海的水吸入后，通过漏斗状旋涡，急剧上升，送到寒冷的大气层，水冻结后自然又会释放能量。

和龙卷风结构相仿的涡流，如旋风分离器、直升机螺旋桨、电扇、轴流式风机叶轮等设备形成的气流，就是利用模仿龙卷风结构和原理来为我们服务的。

三、龙卷风形成的机理

设存在一个二维的气流场，有能压差存在，气流就会运动，假设现在存在一股气流开始运动，我们把这股气流分为头部和尾部，在头部向前运动时，它的尾部后就会出现一个“负”压区，就好象一辆行驶的汽车后面有一个尾随的“负”压区一样，如果这股气流不是一直沿直线向前运动，就会回过头来运动，这时，就会出现“头”、“尾”之间存在的能压差！于是，“头”部就会循着“尾”部的“负”压区追去，使“头”和“尾”衔接在一起(就像蛇咬住了自己的尾巴)，形成一个闭合的有序流动的“能流圈”。

根据机械能衡算的柏努利方程知道，当这股气流运动动能增加时，它的“内部”能压就会降低（机械能守恒），于是奇迹发生了：“能流圈”内外侧的气流因为能压高于“能流圈”的能压，所以，不断有气流挤着涌向“能流圈”，使“能流圈”开始逐渐变“粗大”，有就是说，气流在“能流圈”内的流通面积变大了！

流通面积越大，流动越有序（即形成了滞流），阻力就越小，所以气流的流速也开始逐渐变大！速度越大——负压越大——补充进来的气流量就越多——“能流圈”越变得“粗大”，而且在“能流圈”外部的压力作用下，“能流圈”的密度也增加了。

当“能流圈”内侧的气流涌向“能流圈”时，能压越来越低，使“能流圈”（直径）不断变小，如果这时候“能流圈”的流动没有新的方向突围，就会被外侧气流的能压挤跨而涣散、消失。

现在，我们再回到三维空间和气象中的龙卷风去。因为“能流圈”的密度比较大，所以，它会“坠落”到第三维的方向上。

由于积雨云上下温度相差很大，上面的冷气和下面的热气流形成对流，产生旋转的“能流圈”，逐渐扩大，最后形成近似平行地面的二维“能流圈”，到成长到一定程度时，就会从云中慢慢“坠”到地面，形成了龙卷风。