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虎門大橋百科:卡門渦街竟然還能發電
發布時間:2020-11-15    信息來源:互聯網    瀏覽次數:

  最近,“基建狂魔”種花家的氣溫高了,就連大橋似乎也有些“飄”了。4月26日,武漢鸚鵡洲長江大橋像波浪一樣起伏,嚇煞一眾路人。一波未平一波又起,5月5日,廣東虎門大橋也出現大幅搖晃,瞬間引發網友們熱議。

  原標題:神奇:引發虎門大橋異常振動的卡門渦街 還能發電 來源:蝌蚪五線譜

  作為中國自行設計建造的第一座現代化特大型懸索橋,虎門大橋被認為是我國二十世紀橋梁建設領域的最高成就,其建成通車不過二十年,按照我國橋梁建設動輒一百年的規劃標準,基本可排除存在設計缺陷的可能性。

  其實,鸚鵡洲長江大橋和虎門大橋的擺動都與風有關,罪魁禍首正是風產生的卡門渦街。

  卡門渦街是什么鬼?

  如果徜徉在小橋流水間,你一定會發現,當河水流速較快時,水流在遇到橋墩后會被分成兩股繞行。奇妙的是,兩股水流并不對稱,而是呈現出兩組交替的小漩渦向下游運動。

  比如這樣:

  類似上面這種流體繞過物體時產生兩排交錯渦旋的現象,在流體力學中被稱為卡門渦街,最初由錢學森的導師馮·卡門發現并命名。至于為何兩排渦旋不對稱,至今仍是困擾流體力學家的一個迷。

  日常生活中,當風吹過橋面時大多都會形成卡門渦街,兩組周期性的、交替變化的渦旋分別對橋面上下產生作用力,橋面就隨之振動起來。

  由于橋面通常設計成流線型,兩組渦旋緊貼橋面,作用力較小,引起的振動幅度很小,平時很難被察覺到。

  然而,近期人們在對虎門大橋進行維護時,在橋面上放置了一排隔離擋板。這些一米多高的小家伙瞬間破壞了大橋的氣動外形,兩組渦旋與橋面脫離,作用力的大小和頻率都增大,一旦作用頻率與橋梁本身固有頻率一致而形成共振,橋面產生顯著起伏也就不足為奇了。

  卡門渦街有何危害?

  卡門渦街常常對橋梁造成危害,其中最經典的案例莫過于美國塔科馬大橋的坍塌。

  1940年11月,建成僅4個月的塔科馬大橋在低速風中發生強烈擺動,振動幅度一度達到驚人的9米,隨后橋梁轟然垮塌墜入海中。后來的研究表明,事故元兇正是卡門渦街引起的共振。

  塔科馬大橋的坍塌震驚了當時的橋梁界,此后橋梁模型風洞測試被納入橋梁試驗中,橋梁的風致振動問題也發展成為一門新興學科。

  值得一提的是,卡門渦街似乎對懸索橋情有獨鐘,鸚鵡洲長江大橋、虎門大橋與塔科馬大橋均為懸索橋。懸索橋,即俗稱的吊橋,由于無需在橋中心設置橋墩,可以造得很高,常用于跨水大橋的設計中,以便船舶自由通行。

  但懸索橋卻有個先天的毛病——固有頻率低、穩定性差,因此它對風載荷非常敏感,很容易受到卡門渦街的影響。

  不過,自塔科馬大橋之后,現代懸索橋在建設前都會考慮抗風振設計,建成后也會安裝橋梁變形實時監測系統,因而行經懸索橋時大可不必恐慌。

  除了橋梁,卡門渦街還可能給高樓、煙囪等建筑帶來安全隱患,在中央廣播電視塔、東方明珠電視塔建造前,都曾考慮了卡門渦街的因素。

  卡門渦街的妙用

  事物總有兩面性,卡門渦街也并非無惡不作,它同樣能夠為人所用。

  既然卡門渦街可以對物體施加周期性的作用力,何不用它來發電呢?哈爾濱工程大學的科研人員就設計了這樣一種發電裝置。

  他們制作的迎風桶在風的吹拂下可產生卡門渦街,周期性作用于放大板,使其做往復擺動,從而帶動發電機轉子旋轉,切割磁感線產生電流。

  此外,人們研究流水中的卡門渦街后進一步發現,在障礙物兩側形成的渦旋交替頻率與被阻塞的流量成正比,因此發明了渦街流量計,用以測量管道內的流量。

  如今,渦街流量計已被廣泛應用于工業生產中。

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