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戴世强专栏| 流体力学的魅力(第二篇):流体力学家成为侦探,帮人洗刷冤情打赢官司


我们在电视、电影中常看到,发生刑事案件时刑侦人员带法医到现场着手破案;读侦探小说时会发现,协助破案的大多是医学、弹道学、化学专家乃至绘画、笔迹鉴定等方面的专家(现在有时还得有电脑专家)。这里头很少有流体力学家的份儿。1986年10月,我参加中国力学学会主办的第二届全国流动显示学术会议,却听到了流体力学家协助法院定案的一个有趣故事,说给大家一听。




事情发生在北京市安贞桥西里,那里正在建造两栋Y形塔楼,大楼已经封顶,开始内部装修,一个大型塔吊正等待撤离,时逢1985年元旦休假,施工队队长考虑到假日期间的安全问题,下令把塔吊安置在第二个塔楼的背风侧。北京的冬天经常刮西风,塔吊位于楼后的东偏南方向,队长自认为“万无一失”,安心地玩乐去了。谁知道,1月2日,西风劲吹,偏偏把处于“安全地带”的塔吊吹垮了,而且不偏不倚地正好砸中Y形塔楼的南支,把塔楼砸掉好几层,损失惨重,幸好没有造成人员伤亡。


由于发生了重大责任事故,施工队长遭刑事拘留,法院准备起诉,要追究他的玩忽职守罪。队长大喊冤枉,他并未疏于管理,事先预计到会有大风,把塔吊转移到了“安全地带”,怎么还有这“飞来横祸”呢?他百思不得其解,急中生智,想起有个朋友在北大力学系工作。对了,请大教授帮忙去!




施工队长取保候审之后,和他的副手一起到了北大,一找,就找对了人——颜大椿教授,此君1960年毕业于北大,是一位实验流体力学专家,平时就古道热肠,乐于助人。那时他正专心于流动显示研究,一听到此事马上来劲了:“这个忙我帮定了!”随即跟着队长到现场勘察,一看,他就乐了:原来队长是个“流体力学盲”,他把塔吊放错了地方!


颜大椿教授带着学生首先针对实际问题进行理论分析,考察了结构物绕流的风场诱生的旋涡:分离泡、回流涡和分离涡(背风涡)。他们发现,在正西风条件下,安贞桥西里的两栋Y形塔楼之间有很强的狭缝气流,使坐落于西南侧的第二塔楼经受了强烈的回流涡,那里的最大风速超过来流风速的1.4倍!不幸的是:施工队恰好把塔吊安放在背风的东偏南处,处于超过正面风速的强风和强旋涡的恶劣环境中!在回流涡的作用下,塔吊随着气流向南折转,轰然倒下,恰好砸向Y形塔楼的南支。接着,颜大椿他们又在拖曳水槽中做了模型实验,采用氢气泡法清晰地模拟显示了整个绕流过程,模型塔吊果然承受了强风和旋涡的袭击,倒向了它应该倒的地方。(大家也许不知道,流速不高时,用水槽做实验跟风洞实验的效果相近,而且更加看得见,摸得着;我所在单位的循环水槽就在东方明珠电视塔修建前,做过它的流场显示实验)。


至此,北大的流体力学家开具了科学证明,为施工队长洗清了冤枉,这起事故并非源于蓄意破坏或玩忽职守,施工队长的确对大风来袭作了“防范”,但是由于他是十足的“科盲”,对流体力学一窍不通,撞到强风大涡的“枪口”上了。于是,法院方面迅速宣告,施工队队长无罪,他避免了一场无妄之灾,当然,检讨还是要做的。




其实,上述事件中的常识并非人人不懂。比方说,在我老家舟山,台风来袭时,没有哪个傻渔民会把渔船、渔轮停靠在岛屿、礁石的背风面,他们都知道,那里的大风大浪大旋涡可不是好玩的。在发达国家里,1940年代的塔科马大桥事件(见前一博文)之后,也是背风涡捣的蛋:那里的涡演化出了卡门涡街,相关的振动频率恰好与大桥结构的固有频率相近,共振导致灾难。那次灾难的积极后果是:人们认识到,要保证建筑物安全,就必须了解它们的动态负载,这就要求建筑工程师要学一点流体力学(尤其是空气动力学)和风工程的基本知识。有鉴于此,我认为,安贞桥西里塔楼事件中,该做检讨的是负责监工的建筑工程师;广而言之,该打屁股的是当年负责土木工程专业课程设置的主管领导,现在的情况已大为改观,土木工程专业都会开设工程流体力学课程,风工程的研究者更是越来越多。


从这个实例可见,力学无处不在,流体力学随处皆有,力学,真是一个很有魅力、很有价值的学科。

 

参考资料

1. 李晨兴、颜大椿,多柱绕流中旋涡运动的流动显示,第二届全国流动显示学术会议论文集(连其祥等主编),,中国力学学会,1986.10:59~64。

 

写于2009年5月7日晨

http://blog.lehu.shu.edu.cn/sqdai/A74994.html

修改于2010年8月22日

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=330732&do=blog&id=355193




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