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寻正
说实在的,把这三个泾渭分明的概念合在一篇文章讨论,无论是从专业角度,还是从大众科普的角度来讲,都是极为怪异的。然而,有了旅美学者挟专业之威的混淆,也就有了此文的写作基础。
羽流(Plume)的英文单词原意是指羽毛。
羽毛在文化上很重要,为什么呢?因为人类穿金戴银是相对很新的现象,在长长的人类历史上,大多数时候人类的装饰来自羽毛,因为在生产力低下的年代,捡起羽毛插头上身上装饰最便宜方便。人类用羽毛装饰自己的历史折射在中国的京剧、川剧、粤剧等古典戏剧中,这些传统剧一出场,满身的旌旗飘、枝柳摇,跟动物园里展示自己羽毛的鸟儿差不多。古典剧人家的身上插的这些花哨就来源于早期人类用羽毛装饰自己,京剧人物跟印地安人酋长没有太大区别,而京剧人物的唱腔与动作,也差不多源自己鸟儿在求偶时炫耀自己的羽毛:边唱边摇腿抖毛撅屁股。
图一、人类的羽毛情结
除了古典剧,人类想做鸟人的欲望还表现在文化的多个侧面,比如中国人成仙,那叫羽化登仙;快马加鞭不叫急,手持羽书不惜力;如果又碰到方舟子抄袭,我就似笑非笑地叹息,咋不爱惜自己的羽毛呢——尽管我明白,方舟子也清楚,他不长羽毛;中国人做图画书,表示皇帝的地位,总要在他后面画上两个侍卫,手持大羽扇——不需要扇风的冬天也不舍弃。
图二、羽毛之王权与超人象征(羽化)
有了羽毛,就有了羽流,这二者是怎么联系的呢?麻庭光这样描述:
“由于重力流非常不稳定,容易受干扰而破碎,成为湍流或紊流。破碎的气体流动在通过光线时发生散射现象,影影绰绰,好像片片羽毛在飞,故也称为羽流。”
这样的描述显得很术语化,却是大谬不然,因为麻庭光显然忽视了用羽毛类比羽流的关键,那就是二维化的羽流跟羽毛形态上的相似性。喷射出来的羽流就象一片羽毛,所以称为羽流,跟“片片羽毛”在飞的形象不相关。在英文中,Plume指的是一片羽毛,而多片羽毛,比如一只鸟儿全身之羽毛分布,或者京剧印地安人的羽人造型,合称为Plumage,合适的中文译法叫“羽批”。
图三、羽毛跟羽流的联系
懂了羽流跟羽毛之间的联系,你就明白了什么是羽流,以及什么不是羽流。一个羽流的标准定义是“一柱流体在另一种流体中移动”(a column of one fluid moving through another,见英文维基)。这个定义包含了羽流,然而也包含不适宜称为羽流的情况,比如我们撒尿,这尿流基本上就不算羽流,羽流的分析模型没有太大用处。
羽流有四个要素,一是含有动量的流体F1,二是不含动量的流体介质F2,三是F1跟F2在密度上差别不能太大,但同时二者还不能同质,以至于无法分清楚二者的边界,四是F1不受F2之外的阻扰——也就是说F1完全是在F2之中流动。
F1是液体,而F2 是空气,那么就有前述的尿流或者水枪射水,不会产生羽流现象,因为F2对F1的作用可以忽略不计,二者相互基本上不发生扩散。在水中吹气,阻力太大,也不会发生羽流现象。
图四、喷射的水柱不一定产生羽流现象
我们呼吸吹气时不发生羽流,因为尽管我们呼出来的气体跟空气有化学成份上的区别,从物理特性上说,没有太多差别,无法分清楚呼出气流跟其介质空气的边界,所以也无法形成羽流。羽流是成形的,尽管最终会消融于介质中,边界越来越模糊直至消失。如果我们吸烟,吐出来的烟气流就与空气不同质了,同介质空气之间就有了边界,就形成了羽流。
羽流在观察期间有一个动力源,也就是说喷射出来的流体柱F1需要有动量,如果这个动量消失了,羽流也就会很快消散解体。羽流的特点就是由于介质分子的阻扰,流体柱在向前流动过程中,会扩大,形成羽毛状或者扫帚状外观。羽流柱体径值的扩展在物理学上有不同的模型解释描述,对于普通读者来说,理解不易,也无必要了解那么深入。
现在我们回到麻庭光的诸多论及羽流的文字上:
“破碎的气体流动……也称为羽流”
“这样两种介质都存在的时候,就会有温度差,从而形成羽流”
“夏季发生的铁轨上方的影影绰绰,就是典型的羽流现象”
“路基和环境的物性不同而在高温下产生羽流”
“大部分污染源的和周围的介质不同密度,或者是因为密度本来不同,或者是因为温度差造成的密度差……密度差造成的流动与温度差造成的流动没有本质区别”
“喷淋头的探头部分不是完全靠近天花板,而是伸出一点,大约3~5厘米,就是为了避开由于天花板对羽流的冷却作用,尽可能早地动作以保护生命和财产”1
麻文的描述足以让有中学物理基础的人感到困惑与反感。密度差与温度差不要说不产生羽流,连流动也未必产生。如果我们在装液体或者气体的容器上方加热,让其从上到下产生足够的温度差,会有流动吗?不会。同样地,在水瓶底部加入液体水银,会有流动吗?不会,尽管密度差极大。我们把液体水银投入水中,的确会流动,但你会看到水银直接下沉,不会有羽毛状的水银柱外观。江湖中水密度远高于空气,但不会向上流动产生羽流。
麻文试图描述的又是什么现象呢?那就是对流(Convection)。什么是对流?当你在流体底部加热时,由于流体热胀冷缩,受热膨胀的底部流体密度变轻,在重力的作用下,变轻的局部流体会向上流动,它被挤压向上后的空间为周围温度更低的流体替代,上升后的流体由于体积增大,温度又逐渐降低,在下层温度又升高超过它的时候,它就会又落下去。有升有降,所以称为对流。近地层空气约17公里称为对流层(Troposphere),因为对流是这一层空气的主要现象,也是我们经历气候天气变化的主要原因。
对流与羽流相比的特殊之处就在于有概念,没形象,同一流体受热流动,我们是看不到对流的。所以中学物理讲对流,老师只能给同学看示意图,而没有照片可见。对流是一个普遍现象,并不局限于炎热的夏天,当你行走在铁路公路上,你感受到的向上“气流”并非对流,大部分作用源于被晒热的地面向外发出热辐射,跟你水平接近高温物体的作用是一样的。
图五、对流只能看到示意图
对流的上升气流流速可以估计:0.65*(重力常数9.81*距离*温差/气温的绝对温度)的方根。我们假定距离为人身高所感受到的范围,设为2米,温差为30度,而气温为40度,那么计算得到的最高对流流速为0.89m/s,也就是说,在蒲福氏风级中算无风(1级),中国俗语说,无风不起浪,这个流速还达不到起浪的程度,所以也称算无风。用几乎极限性气温条件都不能产生风,更不要说产生高速气流形成羽流了2。但是,对流的存在,以及在阳光爆晒下增强则是无疑的。
麻庭光把羽流之所以称为羽流归结于湍流(Turbulent Flow),“片片羽毛在飞”。几乎把湍流本身当着了羽流。羽流、对流、湍流在科学上几乎是风、马、牛的关系。羽流是流体流动的一个特殊现象,对流是流体传递热量的一种特殊方式,而湍流则是流体流动的另一种特殊形态。在所有的流体流动过程中,其分布可能有两种形式,层流(Laminar Flow或者Streamlined Flow)或者湍流。羽流可以是层流,也可以是湍流,或者二者的混合。在羽流的扩张的末端往往湍流增多,层流逐渐全被湍流代替。
图六、香烟燃烧产生的羽流由层流变为湍流
湍流是最复杂的自然现象之一,有的学者干脆称之为最复杂的现象,连上帝都可能搞不懂——著名物理学家海森堡曾言,如果到了天堂,他会问上帝两个问题,一是相对论,二是湍流,他只期望在前者得到满足。湍流的一个形象理解就是河流中的旋涡,平稳的水流遇到障碍物,会在障碍物远端形成回旋。湍流的另外译法就是乱流,没有规则地流。
除开障碍引起湍流外,在物理学模型中,高雷诺系数易于产生湍流,对于普通读者来说,雷诺系数跟流速相关,流速越大,越容易产生湍流。这就跟前面计算的对流流速联系起来了,即使麻庭光描述的“羽流”存在,那也是一种极低速的空气流动,产生层流的可能性远高于产生湍流!
从不可能发生的湍流中看到“影影绰绰,好像片片羽毛在飞”,不是逻辑思考的问题,就是视力的问题。
注:
1喷淋头的探头实际上靠近天花板,起码比喷头更靠近天花板,探头跟天花板没有关系,因为许多的烟雾探测器本身可以深入到天花板以上。喷淋头的探头不探测烟雾,而探测的是温度,有烟雾(羽流)并不见得就需要喷水。喷淋头的探头根据所要保护的环境而有不同的温度设置,麻庭光的这段描述表明他对实际的消防常识几乎一无所知,而他偏偏又爱摆消防专家的谱,在别人指出其错误时又以专家身份拒绝被指正,坚持错误,这是我为什么愿意花时间纠正其错误思想的原因,不能让谬种流传。
2在地球物理学上有对流羽流(Convection Plume)的说法,因为地球内部也同样存在对流,而对流形成了羽流现象,但这只能算作特例。这种羽流在模型上有羽流特征,又称为Mantle Plume,中文译为地幔柱,更少羽流的意味。
图七、地幔柱模型形象有类似羽流的地方
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GMT+8, 2024-9-1 17:17
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