神奇：引发虎门大桥异常振动的卡门涡街 还能发电

发布时间：2020-05-13    作者：  来源：

　　最近，基建狂魔种花家的气温高了，就连大桥似乎也有些飘了。4月26日，武汉鹦鹉洲长江大桥像波浪一样起伏，吓煞一众路人。一波未平一波又起，5月5日，广东虎门大桥也出现大幅摇晃，瞬间引发网友们热议。

　　作为中国自行设计建造的第一座现代化特大型悬索桥，虎门大桥被认为是我国二十世纪桥梁建设领域的最高成就，其建成通车不过二十年，按照我国桥梁建设动辄一百年的规划标准，基本可排除存在设计缺陷的可能性。

　　其实，鹦鹉洲长江大桥和虎门大桥的摆动都与风有关，罪魁祸首正是风产生的卡门涡街。

　　卡门涡街是什么鬼？

　　如果徜徉在小桥流水间，你一定会发现，当河水流速较快时，水流在遇到桥墩后会被分成两股绕行。奇妙的是，两股水流并不对称，而是呈现出两组交替的小漩涡向下游运动。

　　类似上面这种流体绕过物体时产生两排交错涡旋的现象，在流体力学中被称为卡门涡街，最初由钱学森的导师冯卡门发现并命名。至于为何两排涡旋不对称，至今仍是困扰流体力学家的一个迷。

　　日常生活中，当风吹过桥面时大多都会形成卡门涡街，两组周期性的、交替变化的涡旋分别对桥面上下产生作用力，桥面就随之振动起来。

　　由于桥面通常设计成流线型，两组涡旋紧贴桥面，作用力较小，引起的振动幅度很小，平时很难被察觉到。

　　然而，近期人们在对虎门大桥进行维护时，在桥面上放置了一排隔离挡板。这些一米多高的小家伙瞬间破坏了大桥的气动外形，两组涡旋与桥面脱离，作用力的大小和频率都增大，一旦作用频率与桥梁本身固有频率一致而形成共振，桥面产生显著起伏也就不足为奇了。

　　卡门涡街有何危害？

　　卡门涡街常常对桥梁造成危害，其中最经典的案例莫过于美国塔科马大桥的坍塌。

　　1940年11月，建成仅4个月的塔科马大桥在低速风中发生强烈摆动，振动幅度一度达到惊人的9米，随后桥梁轰然垮塌坠入海中。后来的研究表明，事故元凶正是卡门涡街引起的共振。

　　塔科马大桥的坍塌震惊了当时的桥梁界，此后桥梁模型风洞测试被纳入桥梁试验中，桥梁的风致振动问题也发展成为一门新兴学科。

　　值得一提的是，卡门涡街似乎对悬索桥情有独钟，鹦鹉洲长江大桥、虎门大桥与塔科马大桥均为悬索桥。悬索桥，即俗称的吊桥，由于无需在桥中心设置桥墩，可以造得很高，常用于跨水大桥的设计中，以便船舶自由通行。

　　但悬索桥却有个先天的毛病固有频率低、稳定性差，因此它对风载荷非常敏感，很容易受到卡门涡街的影响。

　　不过，自塔科马大桥之后，现代悬索桥在建设前都会考虑抗风振设计，建成后也会安装桥梁变形实时监测系统，因而行经悬索桥时大可不必恐慌。

　　除了桥梁，卡门涡街还可能给高楼、烟囱等建筑带来安全隐患，在中央广播电视塔、东方明珠电视塔建造前，都曾考虑了卡门涡街的因素。

　　卡门涡街的妙用

　　事物总有两面性，卡门涡街也并非无恶不作，它同样能够为人所用。

　　既然卡门涡街可以对物体施加周期性的作用力，何不用它来发电呢？哈尔滨工程大学的科研人员就设计了这样一种发电装置。

　　他们制作的迎风桶在风的吹拂下可产生卡门涡街，周期性作用于放大板，使其做往复摆动，从而带动发电机转子旋转，切割磁感线产生电流。

　　此外，人们研究流水中的卡门涡街后进一步发现，在障碍物两侧形成的涡旋交替频率与被阻塞的流量成正比，因此发明了涡街流量计，用以测量管道内的流量。

　　如今，涡街流量计已被广泛应用于工业生产中。