涡旋因风起，可以撼高楼

朱会鑫

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，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。也许你会产生疑惑：没有超过5级的风连行人都吹不动，怎么可能撼动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，但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（气流或水流）遇到障碍物。当流体遇到障碍物时，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，不激起波动。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）恰好满足一定关系时，就会在物体下游两侧“脱落”出两列涡旋。两列涡旋按照一侧顺时针、另一侧逆时针交替出现。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，障碍物两侧的瞬时压力交替改变，流体就会将障碍物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，那你便会立足不稳。单单出现卡门涡街现象还不是可怕的事，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。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了共振。为此，一些烟囱、冷却塔顶安装了螺旋形扇叶，以阻碍卡门涡街形成。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、燃燒等诸多方面，积极地开发应用。

（选自2021年第12期《知识窗》，本刊有删改）