防不胜防的“狭管效应”

1982年1月冬日的一天，大厦林立的纽约市曼哈顿区，车水马龙，人流如织。刚刚下班走出高层大厦的罗约·斯派尔乌吉尔小姐，向一辆小汽车走去。突然，身后冲来一股猛烈的风暴，把她卷进附近的水泥花坛中——碰得头破血流，双臂折断，几乎不省人事。

“这是啥事呢！”——现在不是风暴肆虐的夏天，何况周围还有高楼大厦当“挡风墙”。罗约直呼倒霉。不过，知识渊博的罗约立刻敏锐地意识到：这不怪天气，而是“穿街风”导演的“恶作剧”。

纽约洛克菲勒中心楼

群一带的“窄巷”于是，经抢救免于一死的罗约到法院起诉，控告设计这座大厦的建筑设计师和纽约市政当局。结果，罗约获得了650万(一说60万)美元的赔偿费。如果在10年以前，罗约的控告会被驳回。但现在她怎么能打赢这场官司，得到巨额赔偿呢？这是因为，在建筑学家和气动工程学家、物理学家的协助下，法官们弄清了这类风暴的起因。

原来，科学家们发现，这是由于高层建筑设计不当，挡住高处的气流，迫使其折向地面，在街道上形成小型风暴——穿街风。

人类进入20世纪以来，建造摩天大楼成为时髦。例如，于1931年在纽约落成的102层帝国大厦，高381米；1976年在纽约建成的110层世界贸易中心(已毁于2001年的“9·11”事件)，高412米；1974年在芝加哥市崛起的西尔斯大厦地面以上110层，高度达443米。这些鳞次栉比的超级摩天大楼引起的穿街风，已经给大城市带来了不少麻烦。更不用说最近一二十年，建造的吉隆坡“双子星”(高452米)和台北的“101大楼”(高508米)了。

纽约繁华区摩天大楼

形成的“窄巷”科学家的研究结果表明，穿街风是由空气动力效应造成的。我们知道，太阳照射引起大气温差，使空气运动就成了风。气流运动愈强，风力则愈大。建筑物等地面障碍使风速减弱，风向改变，但往往在近地面处产生紊乱交错的“湍流”。在林立的高密度摩天大楼，这种湍流又会“扶摇直上”到五六百米之高，然后向下运动进入“窄巷”，再降到建筑物底部，沿着建筑物的“空隙”——马路和巷道冲袭。这就是“狭管效应”。

狭管效应可以用伯努利原理来解释。在拐弯处，这种因为狭管效应引起的风暴，会迅速旋转而变得更加强劲——宛若小龙卷风肆虐横行。如果遇到凹角，就会变成风速虽小但压力极大的地面风暴。这就是穿街风。

狭管效应不但在“城市森林”中形成风暴而危害生命财产，而且在有条件的野外也会“泛滥成灾”。

打开中国地图，你会看到东起乌鞘岭，西到古玉门关，被“北山”(马鬃山、合黎山、龙首山)“南山”(祁连山、阿尔金山)所夹的一片狭长平地。这片西北一东南走向的平地，长约900千米、宽到几百几千米不等。由于它位于黄河之西的甘肃境内，所以称为河西走廊或甘肃走廊。这里是甘肃的一个重要农业区，和周围地区相比也不算多么贫瘠，但是风大沙多，成了中国沙尘暴的主要“发源地”和重灾区，是这段“丝绸之路”永远的“痛”。

沙尘暴袭击北京没有领教过沙尘暴的厉害吗？那就看一看从2006年4月16日开始的沙尘暴吧！它的浮尘掩盖了中国北方161万平方千米，影响了2亿人；免费的30多万吨沙尘让北京“满城尽带黄金甲”，造成五级严重空气污染……

那么，河西走廊为什么是中国沙尘暴的主要“发源地”和重灾区之一呢？这有它的外因和内因。西伯利亚的寒潮经新疆进入河西走廊，形成“动力外因”；走廊的“巷道”地形，成了“地形外因”。而内因则是当地的沙土松散，容易随风飘舞。

我们前面提到的湍流(又叫“紊流”)，是怎么回事呢？

在静室里面点燃一炷香，你就能看到升起的一缕轻烟起初是笔直的，升到一定高处，就变成了不规则的形态。这就是一种湍流现象。1959年，科学家J　欣策说，湍流是流体的不规则运动，各种量都随时间和空间坐标发生紊乱的变化。

空气中的湍流是由大气快速而不规则的流动引起的。例如，飞机在飞行中，如果遇上湍流，就会急剧颠簸。虽然通常的湍流不会使飞机大幅偏离预定飞行路线，但强湍流就有可能使飞行高度和姿态出现突变，严重的时候还会短暂失控，此时如果处理不当就会机毁人亡。

两种湍流

湍流现象普遍存在于行星和地球大气、海洋、江河、火箭尾流、锅炉燃烧室、血液流动等自然现象和工程技术中。一方面它会使流体中的质量、动量和能量的输运速度大大加快，从而引起各种机械的阻力骤增，效率下降，能耗加大，噪音增强，结构震颤加剧乃至破坏——导致输油管阻塞和上面提到的飞机坠落。另一方面，它又可能加速喷气发动机内油料的混合和充分燃烧，提高燃烧效率和热交换效率，加快化学反应的速度和混合过程。所以，揭开湍流的所有奥秘，不但对生活、生产、科研的进步有重要意义，也是物理学领域中尚未取得重大突破的基础研究课题之一。因此，各方面长期以来一直重视研究湍流。

1883年，英国物理学家雷诺(1842～1912)得到“雷诺数”大于2300，就会在圆管水流中形成湍流的结果。法国流体动力学家库埃特(1858～1943)用“双圆筒装置实验”，来研究湍流。1923年，英国应用数学家泰勒(1886～1975)用库埃特的实验，得到了麻花涡旋、辫子涡旋和湍流状涡旋。1971年，法国物理学家茹勒(Ru—elle，David)和荷兰数学家泰肯斯(Takens，Floris)的《论湍流的本质》一文，对湍流的研究产生了很大的影响。1983年，早年生活在法国的美国数学家伯努瓦·曼德尔·布罗特(1924～#)指出，湍流中大大小小不同尺度的涡旋高度集中的区域，是一种间歇状的分形结构，具有局部的自相似性。因此，分形理论在湍流的研究中也有重要应用。

不过，虽然有专门的“湍流理论”，但由于湍流的运动太复杂，有多种因素参与而牵涉海量数据，使得人们很难对其进行全方位的研究，至今仍是流体力学中的难题。