神奇：引發(fā)虎門大橋異常振動(dòng)的卡門渦街 還能發(fā)電

　　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(zhǎng)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(xiàn)大幅搖晃，瞬間引發(fā)網(wǎng)友們熱議。

　　作為中國(guó)自行設(shè)計(jì)建造的第一座現(xiàn)代化特大型懸索橋，虎門大橋被認(rèn)為是我國(guó)二十世紀(jì)橋梁建設(shè)領(lǐng)域的最高成就，其建成通車不過(guò)二十年，按照我國(guó)橋梁建設(shè)動(dòng)輒一百年的規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，基本可排除存在設(shè)計(jì)缺陷的可能性。

　　其實(shí)，鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋和虎門大橋的擺動(dòng)都與風(fēng)有關(guān)，罪魁禍?zhǔn)渍秋L(fēng)產(chǎn)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(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)河水流速較快時(shí)，水流在遇到橋墩后會(huì)被分成兩股繞行。奇妙的是，兩股水流并不對(duì)稱，而是呈現(xiàn)出兩組交替的小漩渦向下游運(yùn)動(dòng)。

　　類似上面這種流體繞過(guò)物體時(shí)產(chǎn)生兩排交錯(cuò)渦旋的現(xiàn)象，在流體力學(xué)中被稱為卡門渦街，最初由錢學(xué)森的導(dǎo)師馮·卡門發(fā)現(xiàn)并命名。至于為何兩排渦旋不對(duì)稱，至今仍是困擾流體力學(xué)家的一個(gè)迷。

　　日常生活中，當(dāng)風(fēng)吹過(guò)橋面時(shí)大多都會(huì)形成卡門渦街，兩組周期性的、交替變化的渦旋分別對(duì)橋面上下產(chǎn)生作用力，橋面就隨之振動(dòng)起來(lái)。

　　由于橋面通常設(shè)計(jì)成流線型，兩組渦旋緊貼橋面，作用力較小，引起的振動(dòng)幅度很小，平時(shí)很難被察覺到。

　　然而，近期人們?cè)趯?duì)虎門大橋進(jìn)行維護(hù)時(shí)，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(dòng)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(chǎn)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(duì)橋梁造成危害，其中最經(jīng)典的案例莫過(guò)于美國(guó)塔科馬大橋的坍塌。

　　1940年11月，建成僅4個(gè)月的塔科馬大橋在低速風(fēng)中發(fā)生強(qiáng)烈擺動(dòng)，振動(dòng)幅度一度達(dá)到驚人的9米，隨后橋梁轟然垮塌墜入海中。后來(lái)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(dāng)時(shí)的橋梁界，此后橋梁模型風(fēng)洞測(cè)試被納入橋梁試驗(yàn)中，橋梁的風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題也發(fā)展成為一門新興學(xué)科。

　　值得一提的是，卡門渦街似乎對(duì)懸索橋情有獨(dú)鐘，鸚鵡洲長(zhǎng)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(wú)需在橋中心設(shè)置橋墩，可以造得很高，常用于跨水大橋的設(shè)計(jì)中，以便船舶自由通行。

　　但懸索橋卻有個(gè)先天的毛病——固有頻率低、穩(wěn)定性差，因此它對(duì)風(fēng)載荷非常敏感，很容易受到卡門渦街的影響。

　　不過(guò)，自塔科馬大橋之后，現(xiàn)代懸索橋在建設(shè)前都會(huì)考慮抗風(fēng)振設(shè)計(jì)，建成后也會(huì)安裝橋梁變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因而行經(jīng)懸索橋時(shí)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(lái)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(wú)惡不作，它同樣能夠?yàn)槿怂谩?/p>

　　既然卡門渦街可以對(duì)物體施加周期性的作用力，何不用它來(lái)發(fā)電呢？哈爾濱工程大學(xué)的科研人員就設(shè)計(jì)了這樣一種發(fā)電裝置。

　　他們制作的迎風(fēng)桶在風(fēng)的吹拂下可產(chǎn)生卡門渦街，周期性作用于放大板，使其做往復(fù)擺動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，切割磁感線產(chǎn)生電流。

　　此外，人們研究流水中的卡門渦街后進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在障礙物兩側(cè)形成的渦旋交替頻率與被阻塞的流量成正比，因此發(fā)明了渦街流量計(jì)，用以測(cè)量管道內(nèi)的流量。

　　如今，渦街流量計(jì)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。