人造龙卷风形成机理.doc

 人造龙卷风形成机理3 张 景 松 ( 中国矿业大学) 摘要 在自然龙卷风的启发下, 提出了人造龙卷风控制抽吸的设想, 分析了人造龙卷风的 生成机理, 进行了大量的定性观察和定量测量, 结果表明, 生成龙卷风的必要条件是: ①有诱 导旋流; ②在流场中能形成一个称为旋涡生成区的流动区域 1 龙卷风的生成与射抽流量比有关, 最佳流量比范围为 Q?= 013～ 0165, 当 Q? 013 和 Q? 115 时均不能生成龙卷风 1 关键词 人造龙卷风 机理 控制抽吸 旋涡 中图分类号 P 445 X 51 为净化工作环境和生活环境, 在很多场合要求对有害物 (粉尘或有害气体) 进行处理 1 到目前为止, 生产实际中普遍采用的方法仍是用风机将有害物抽吸, 然后再集中处理 1 就对有害物 (如粉尘) 的处理 而言, 当前的技术已相当成熟, 净化设备的效率可达 99% 以上 1 但是, 因在对有害物控制捕捉的理论和 方法上没有取得突破性进展, 工程中不得不沿用传统的抽吸方法 1 普通吸口 ( 甚至是加装抽吸罩的吸 口) 对有害物的抽吸捕捉能力很弱, 有效抽吸距离也很小 (仅为吸口直径的 2 倍左右) , 从而使得相当比 例的有害物不能及时被吸口抽吸而在空气中自由扩散, 导致整个净化系统的综合效率并不高 1 自然界中的龙卷风具有十分强劲的抽吸能力 1 若能通过人工方法产生一个类似于龙卷风的抽吸流 场, 无疑会大大提高吸口的抽吸能力和抽吸距离, 同时也能防止有害物的扩散 1 本文在文献 1 的基础 上, 分析了旋转射流屏蔽控制抽吸机理, 并进行了更加深入的试验研究, 从理论和实践上初步探清了龙 卷风的形成和旋转机理及其主要的影响因素, 并成功地诱导出可控的人造龙卷风 1 龙卷风形成机理 1 从现象上看, 龙卷风能将地面上的尘埃乃至相当大的物体吸至中心, 然后又抛向空中数米甚至数百米 1 随着旋风强度的增大, 它可将树木连根拔起或将房屋掀翻2 1 虽然地面龙卷风的形成特别是它的旋转机 理还有待进一步探索, 但人们已认识到上升气流和水平剪切力是龙卷风形成的两个必要条件, 特别是需要 强劲的上升气流3 1 当龙卷风开始消失时, 它便由双单元涡变成纵长涡 1 也即, 强度稍弱的龙卷风是纵长 涡结构 1 从流场特性上看, 纵长涡接近于三维点涡 1 在三维点涡的底部, 流动接近于二维点涡 1 在理想情况下, 二维自由涡的速度分布为 u Η= # /2Πr, 其中, # 为速度环量 1 当半径 r→0 时, 旋转速度 u Η→∞, 即旋涡中心为速度奇点 1 在实际流动中, 流场中任何一点的速度不可能趋于无穷大 1 所以实际的 点涡是由两部分组成的: 当 r r0 ( r0 为固体涡与自由涡的分界半径) 时为自由涡; 当 r≤r0 时为固体涡 1 固 体涡中流体的旋转速度为 u Η= # r/2Πr2 1 在理想情况下, 二维点涡的速度分布如图 1 所示 1 0 进一步分析推导, 可得自由涡内和固体涡内的压力分布分别为 p = p ∞ - Θu 2 /2, 自由涡内 (1) Η 收稿日期: 1996201220 3 煤炭科学基金资助项目 ? 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. p = p ∞ + Θu 2 /2 - Θu 2 , 固体涡内 (2) Η Η0 式中, p ∞ 为 r→∞时的压力; u Η0 为 r= r0 时的旋转速度; Θ为空气的密度 1 将 r= 0, u Η= 0 代入式 (2) , 可得点涡中心的压力 p c 为 p c = p ∞ - Θu 2 1 (3) Η0 由式 (2) 和式 (3) 可知, 点涡中心的压力比外部压力低 Θu 2 1 随半径 r 的增加, 压力单调升高 1 观测表 Η0 明, 龙卷风内的压力分布也类似于这种规律4 1 试验表明, 旋转射流屏蔽作用下的抽吸流场也具有中部压 3 1 力较低和提高抽吸能力的作用1 , 111 诱旋机理 根据汤姆森定理: 无旋的理想流体在流动过程中永远不会产生旋转 1 这是因为理想流体中不存在切 向应力, 不能传递旋转运动 1 但实际流体是有粘性的, 因而, 可以通过粘性切应力或湍流切应力来传递旋 转运动 1 为了产生一种特定的旋转运动, 必须有一个可控的诱导旋流 1 这是人造旋风得以生成的先决条 件 1 112 自由涡生成机理 从物理角度分析, 龙卷风中部的上升气流在自下而上的流动过程