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龍卷風(fēng)的動(dòng)力學(xué)?

提問(wèn)者:yuanleifeng2013-02-28 00:00

最佳答案

龍卷風(fēng)結(jié)構(gòu)原理分析 一、龍卷風(fēng) 龍卷風(fēng)是一種破壞力極大的災(zāi)難性自然現(xiàn)象。 據(jù)報(bào)道,在1999年5月27日,美國(guó)得克薩斯州中部,包括首府奧斯汀在內(nèi)的 4個(gè)縣遭受特大龍卷風(fēng)襲擊,造成至少32人死亡,數(shù)十人受傷。 龍卷風(fēng)是從強(qiáng)流積雨云中伸向地面的一中小范圍強(qiáng)烈旋風(fēng)。龍卷風(fēng)出現(xiàn)時(shí),往往有一個(gè)或數(shù)個(gè)如同“象鼻子”樣的漏斗狀云柱從云底向下伸展,同時(shí)伴隨狂風(fēng)暴雨、雷電或冰雹。龍卷風(fēng)漏斗狀中心由吸起的塵土和凝聚的水氣組成可見(jiàn)的“龍嘴”。龍卷風(fēng)經(jīng)過(guò)水面,能吸水上升,形成水柱,同云相接,俗稱(chēng)“龍取水”。經(jīng)過(guò)陸地,常會(huì)卷倒房屋,吹折電桿,甚至把人、畜和雜物吸卷到空中,帶往他處。 一般情況下,龍卷風(fēng)是一種氣旋,它是大氣中最強(qiáng)烈的一種渦旋現(xiàn)象。龍卷風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間和大氣中對(duì)流旺盛的時(shí)間相一致,主要出現(xiàn)在夏季6-9月,春末夏初也偶發(fā)生,尤以下午至傍晚最為多見(jiàn)。影響地面范圍從數(shù)米到幾十上百公里,龍卷風(fēng)的直徑一般在十幾米到數(shù)百米之間。龍卷風(fēng)的生存時(shí)間一般只有幾分鐘,最長(zhǎng)也不超過(guò)數(shù)小時(shí)。風(fēng)力特別大,在中心附近的風(fēng)速可達(dá)100-200米/秒。 大多數(shù)龍卷風(fēng)在北半球是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),在南半球是順時(shí)針,也有例外情況。 二、龍卷風(fēng)與能量 龍卷風(fēng)中蘊(yùn)含的能量是巨大的。當(dāng)龍卷風(fēng)的漏斗狀旋渦直徑為200米時(shí),其旋流功率可達(dá)3萬(wàn)兆瓦,相當(dāng)于10座大型水電站的總電量。 (摘自《科技之友》龍卷風(fēng)) 龍卷風(fēng)把江河湖海的水吸入后,通過(guò)漏斗狀旋渦,急劇上升,送到寒冷的大氣層,水凍結(jié)后自然又會(huì)釋放能量。 和龍卷風(fēng)結(jié)構(gòu)相仿的渦流,如旋風(fēng)分離器、直升機(jī)螺旋槳、電扇、軸流式風(fēng)機(jī)葉輪等設(shè)備形成的氣流,就是利用模仿龍卷風(fēng)結(jié)構(gòu)和原理來(lái)為我們服務(wù)的。 三、龍卷風(fēng)形成的機(jī)理 設(shè)存在一個(gè)二維的氣流場(chǎng),有能壓差存在,氣流就會(huì)運(yùn)動(dòng),假設(shè)現(xiàn)在存在一股氣流開(kāi)始運(yùn)動(dòng),我們把這股氣流分為頭部和尾部,在頭部向前運(yùn)動(dòng)時(shí),它的尾部后就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“負(fù)”壓區(qū),就好象一輛行駛的汽車(chē)后面有一個(gè)尾隨的“負(fù)”壓區(qū)一樣,如果這股氣流不是一直沿直線向前運(yùn)動(dòng),就會(huì)回過(guò)頭來(lái)運(yùn)動(dòng),這時(shí),就會(huì)出現(xiàn)“頭”、“尾”之間存在的能壓差!于是,“頭”部就會(huì)循著“尾”部的“負(fù)”壓區(qū)追去,使“頭”和“尾”銜接在一起(就像蛇咬住了自己的尾巴),形成一個(gè)閉合的有序流動(dòng)的“能流圈”。 根據(jù)機(jī)械能衡算的柏努利方程知道,當(dāng)這股氣流運(yùn)動(dòng)動(dòng)能增加時(shí),它的“內(nèi)部”能壓就會(huì)降低(機(jī)械能守恒),于是奇跡發(fā)生了:“能流圈”內(nèi)外側(cè)的氣流因?yàn)槟軌焊哂凇澳芰魅Α钡哪軌,所以,不斷有氣流擠著涌向“能流圈”,使“能流圈”開(kāi)始逐漸變“粗大”,有就是說(shuō),氣流在“能流圈”內(nèi)的流通面積變大了! 流通面積越大,流動(dòng)越有序(即形成了滯流),阻力就越小,所以氣流的流速也開(kāi)始逐漸變大!速度越大——負(fù)壓越大——補(bǔ)充進(jìn)來(lái)的氣流量就越多——“能流圈”越變得“粗大”,而且在“能流圈”外部的壓力作用下,“能流圈”的密度也增加了。 當(dāng)“能流圈”內(nèi)側(cè)的氣流涌向“能流圈”時(shí),能壓越來(lái)越低,使“能流圈”(直徑)不斷變小,如果這時(shí)候“能流圈”的流動(dòng)沒(méi)有新的方向突圍,就會(huì)被外側(cè)氣流的能壓擠跨而渙散、消失。 現(xiàn)在,我們?cè)倩氐饺S空間和氣象中的龍卷風(fēng)去。因?yàn)椤澳芰魅Α钡拿芏缺容^大,所以,它會(huì)“墜落”到第三維的方向上。 由于積雨云上下溫度相差很大,上面的冷氣和下面的熱氣流形成對(duì)流,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的“能流圈”,逐漸擴(kuò)大,最后形成近似平行地面的二維“能流圈”,到成長(zhǎng)到一定程度時(shí),就會(huì)從云中慢慢“墜”到地面,形成了龍卷風(fēng)。

回答者:wawjxw2016-02-28 00:00

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