空气流动和强气流\龙卷风是怎样形成的?

空气流动和强气流\龙卷风是怎样形成的?
空气流动和强气流\龙卷风是怎样形成的?

空气流动和强气流\龙卷风是怎样形成的?
龙卷风结构原理分析
一、龙卷风
龙卷风是一种破坏力极大的灾难性自然现象.
据报道,在1999年5月27日,美国得克萨斯州中部,包括首府奥斯汀在内的 4个县遭受特大龙卷风袭击,造成至少32人死亡,数十人受伤.
龙卷风是从强流积雨云中伸向地面的一中小范围强烈旋风.龙卷风出现时,往往有一个或数个如同“象鼻子”样的漏斗状云柱从云底向下伸展,同时伴随狂风暴雨、雷电或冰雹.龙卷风漏斗状中心由吸起的尘土和凝聚的水气组成可见的“龙嘴”.龙卷风经过水面,能吸水上升,形成水柱,同云相接,俗称“龙取水”.经过陆地,常会卷倒房屋,吹折电杆,甚至把人、畜和杂物吸卷到空中,带往他处.
一般情况下,龙卷风是一种气旋,它是大气中最强烈的一种涡旋现象.龙卷风出现的时间和大气中对流旺盛的时间相一致,主要出现在夏季6-9月,春末夏初也偶发生,尤以下午至傍晚最为多见.影响地面范围从数米到几十上百公里,龙卷风的直径一般在十几米到数百米之间.龙卷风的生存时间一般只有几分钟,最长也不超过数小时.风力特别大,在中心附近的风速可达100-200米/秒.
大多数龙卷风在北半球是逆时针旋转,在南半球是顺时针,也有例外情况.
二、龙卷风与能量
龙卷风中蕴含的能量是巨大的.当龙卷风的漏斗状旋涡直径为200米时,其旋流功率可达3万兆瓦,相当于10座大型水电站的总电量.（摘自《科技之友》龙卷风）
龙卷风把江河湖海的水吸入后,通过漏斗状旋涡,急剧上升,送到寒冷的大气层,水冻结后自然又会释放能量.
和龙卷风结构相仿的涡流,如旋风分离器、直升机螺旋桨、电扇、轴流式风机叶轮等设备形成的气流,就是利用模仿龙卷风结构和原理来为我们服务的.
三、龙卷风形成的机理
设存在一个二维的气流场,有能压差存在,气流就会运动,假设现在存在一股气流开始运动,我们把这股气流分为头部和尾部,在头部向前运动时,它的尾部后就会出现一个“负”压区,就好象一辆行驶的汽车后面有一个尾随的“负”压区一样,如果这股气流不是一直沿直线向前运动,就会回过头来运动,这时,就会出现“头”、“尾”之间存在的能压差!于是,“头”部就会循着“尾”部的“负”压区追去,使“头”和“尾”衔接在一起(就像蛇咬住了自己的尾巴),形成一个闭合的有序流动的“能流圈”.
根据机械能衡算的柏努利方程知道,当这股气流运动动能增加时,它的“内部”能压就会降低（机械能守恒）,于是奇迹发生了：“能流圈”内外侧的气流因为能压高于“能流圈”的能压,所以,不断有气流挤着涌向“能流圈”,使“能流圈”开始逐渐变“粗大”,有就是说,气流在“能流圈”内的流通面积变大了!
流通面积越大,流动越有序（即形成了滞流）,阻力就越小,所以气流的流速也开始逐渐变大!速度越大——负压越大——补充进来的气流量就越多——“能流圈”越变得“粗大”,而且在“能流圈”外部的压力作用下,“能流圈”的密度也增加了.
当“能流圈”内侧的气流涌向“能流圈”时,能压越来越低,使“能流圈”（直径）不断变小,如果这时候“能流圈”的流动没有新的方向突围,就会被外侧气流的能压挤跨而涣散、消失.
现在,我们再回到三维空间和气象中的龙卷风去.因为“能流圈”的密度比较大,所以,它会“坠落”到第三维的方向上.
由于积雨云上下温度相差很大,上面的冷气和下面的热气流形成对流,产生旋转的“能流圈”,逐渐扩大,最后形成近似平行地面的二维“能流圈”,到成长到一定程度时,就会从云中慢慢“坠”到地面,形成了龙卷风.