人造龍捲風裝置的製作方法

2023-10-17 08:33:14 2

本發明涉及氣象和大氣汙染治理裝置，特別涉及一種人造龍捲風裝置。

背景技術：

霧和霾的成因一直是大眾關注的熱點，氣象條件對於霧-霾的持續性、以及空間的連片現象都有很大影響。

近日，環保部公布的一項報告顯示，京津冀區域所有監測城市PM2.5、PM10年平均濃度均超標，珠三角區域所有監測城市PM2.5年均濃度超標；長三角區域所監測城市只有1個城市PM2.5年均濃度未超標。可見，中國空氣汙染連片現象顯著。

氣象條件與二次氣溶膠佔比大是中國霧-霾區域性分布的重要原因。

導致霧-霾天的主要原因便是氣溶膠汙染。在中國的絕大多數區域，二次氣溶膠佔比超過一半，在中東部地區甚至達到60％到80％。

二次氣溶膠的轉換與形成需要一定的氣象條件。當二次氣溶膠汙染佔主導時，空氣汙染的出現受到氣象條件影響就較大，加上氣象現象往往是連片發生，因此，中國的霧-霾也就呈現連片的特徵。

人工影響天氣消減霧霾的主要方式是人工增雨和人工消霧。目前，人工增雨在我國各地氣象部門已成為一項業務工作，且應用範圍較廣。其對清除霧霾有較好的效果，但前提是必須有降水形成的條件。

所謂人工增雨，是指通過飛機或火箭向雲中播撒乾冰、碘化銀等催化劑，促使雲層降水或者增加降水量。但是人工增雨需要該地區先有形成雨的條件及雲量、風量和相對溼度，才能實施人工增雨技術。而霧霾天氣一般天氣狀況比較平穩，空氣流動性差，人工增雨作業的前提條件出現的可能性不太大，而且大範圍霧霾採取人工方式緩解效果也極其有限。人工增雨是「錦上添花」的人工手段，而不是憑空造出一場降水過程。目前人工增雨技術主要是為了增加水資源或者抗旱，沒有加入專門用來抗霾、改善空氣品質的技術。

針對沒有人工增雨條件的霧和霾的混合體，只能通過物理辦法來消霧，消除冷霧是用如液氮或液態二氧化碳等製冷劑，使霧滴變成冰晶掉落地面。在北京、四川雙流機場等地，我國進行多年的消霧科研試驗表明有一定效果，且消除冷霧的效果比消除暖霧更為明顯。雖然造價並不高，但消霧還未成為氣象部門的常規業務工作，人工消霧只能在局域局地實行。

針對空氣中灰霾遍布卻沒有霧的天氣，由於大氣乾燥、水汽少，目前還沒有有效手段消除空氣中的汙染物，這還需要探索和試驗新的技術方法和手段。

在氣象學上，冬季霧霾的一大禍源是逆溫層。在低層大氣中，氣溫隨高度增加而降低。因此地面暖空氣上升，高空冷空氣下沉，形成了有利於汙染物擴散的對流。但在冬季很容易出現相反的情況即氣溫隨高度的增加而升高，這種現象稱為逆溫，出現逆溫現象的大氣層稱為逆溫層。在逆溫層中，較暖而輕的空氣位於較冷而重的空氣上面，形成穩定的空氣層，就像一個鍋蓋一樣，籠罩在近地層的上空，阻礙著空氣的對流運動，令汙染物無法擴散，由此形成霧霾。

如果能將地面汙染物送出逆溫層，送到「鍋蓋」之上，就可以大大緩解霧霾。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種人造龍捲風裝置，由此可以通過人工幹預的形式在特定的區域內生成一個可控的龍捲風，將地面汙染物送出逆溫層，從而大大緩解霧霾。

根據本發明的一個方面，提供了一種人造龍捲風裝置，包括一個成風區，成風區呈上大下小的喇叭狀，且成風區底部設有整流裝置，整流裝置具有可旋轉的螺旋葉片，成風區側壁設有多個風道，風道沿切線方向貫穿成風區的側壁並與外界連通，整流裝置下方設有氣體推進器，氣體推進器正對整流裝置，氣體經氣體推進器加速形成高速氣流後噴射至整流裝置，經過螺旋葉片後形成螺旋氣流，螺旋氣流沿成風區高速螺旋上升，螺旋氣流與成風區側壁之間形成負壓，促使外界的空氣經風道沿切線方向進入成風區，進而對螺旋氣流提供旋轉加速度，使螺旋氣流的旋轉速度越來越大。隨著該人造龍捲風裝置工作時間的增加，由風道進入成風區的空氣不斷對螺旋氣流進行旋轉加速，使螺旋氣流的旋轉速度來越快。由於離心力的作用，螺旋氣流中心也形成越來越強的負壓，風力也逐漸增強，對周圍空氣的擾動作用也逐漸增強，並開始具有封閉等壓線，最終形成一個人造的龍捲風。人造龍捲風形成以後，可以依靠負氣壓作用持續很長一段時間，此時可以離開人造龍捲風裝置，在人工調控下向預定的方向移動。一般自然風或者高空的氣流可以推動人造龍捲風緩慢移動，由此可以將該人造龍捲風裝置設置在某個特定區域的上風向。在人造龍捲風穩定形成以後還可通過地面高速氣流噴射裝置或者旋翼直升機等進行人工幹預其移動軌跡。由於人造龍捲風具有渦旋聚束性，能夠捕集周圍低空的空氣，並將其送入高空，由此可以突破逆溫層，將低空的霧霾送到逆溫層，從而利於擴散，消除霧霾。據推算，一個人造龍捲風在其減弱消失之前，可以至少清除十萬平方公裡區域內的霧霾。

在一些實施方式中，整流裝置上方還設有噴水裝置，噴水裝置通過管道與供水裝置相連接。噴水裝置用於對通過整流裝置的螺旋氣流進行噴水，從對螺旋氣流進行降溫，由於熱脹冷縮，降溫後的氣流內部壓力急劇減小，從而加大了螺旋氣流中心部分的負壓。噴水對螺旋氣流進行降溫主要通過兩個作用，一方面是水與氣流之間的熱量交換，熱量由溫度較高的氣流傳遞至溫度較低的水，從而降低氣流的溫度；另一方面水分在高速的氣流中霧化蒸發，也可以帶走大量的熱量。

在一些實施方式中，噴水裝置設於成風區下部，噴水裝置通過管道與蓄水池相連，蓄水池為露天蓄水池或者地下蓄水池，蓄水池中存放的為淡水或者含有無機鹽的水溶液。在一些高海拔的地區，晝夜溫差大，可以利用露天蓄水池或者地下蓄水池儲存大量溫度較低的水供使用，在有些地方晝夜溫差在10℃以上，由此可以方便地獲取低溫的水。在低海拔地區，專業溫差小，則可以通過地下蓄水池獲取低溫的水。人造颱風也會對周圍地區帶來降水，但降水的先決條件是大氣中水蒸氣的含量，而人造颱風因為降溫帶來的水蒸氣並不會明顯的增加周邊地區的降水量。可以將海鹽等無機鹽溶於水來向旋風中噴霧，利用海鹽的強吸溼性來在我們需要的時候實施人工降雨，緩解旱情。

在一些實施方式中，整流裝置包括定子和轉子，螺旋葉片設置在轉子上，轉子側壁設有永磁鐵，定子與永磁鐵相對應的位置設有線圈，高速氣流通過螺旋葉片時，螺旋葉片帶動轉子發生旋轉，永磁鐵隨轉子旋轉時，磁力線不斷切割線圈，線圈內由此產生電流。由此，整流裝置還可以作為一個發電裝置通過人造龍捲風提供電能。

在一些實施方式中，轉子套設於定子內部，轉子在高速氣流的作用下可在定子內部懸浮旋轉。該整流裝置類似於轉子流量計，將螺旋葉片與轉子合併為一，分為垂直和傾斜兩種形式，高速氣流從下方進入推動轉子的螺旋葉片，推動轉子旋轉的同時，也對轉子產生向上的正壓力，當風速足夠大時，向上的正壓力等於轉子的重力，即實現懸浮轉動。整流裝置懸浮轉動，摩擦損失非常小，對軸承的磨損幾乎沒有，可以長周期正常運行，做到免維護。高速旋轉的轉子，由於陀螺效應，所產生的電流非常穩定，變化微小緩慢，有足夠的預警時間作出調整，由此可以通過持續穩定的電能。而且還可以通過控制氣流推進器的工作狀態，使人造龍捲風穩定地停留在人造龍捲風裝置內，在風力發電的同時調節周圍的氣象狀況。

在一些實施方式中，整流裝置下方設有進風區，氣體推進器設於進風區上部，進風區呈呈上小下大的倒喇叭狀。

在一些實施方式中，進風區側壁具有進風口。

在一些實施方式中，成風區高度為150-300米，進風區高度為100-200米，成風區底部直徑為2-5米，成風區頂部直徑為5-15米。

在一些實施方式中，該裝置整體為一個高塔結構，高塔內部自上而下分別設置成風區、整流裝置和進風區。

在一些實施方式中，高塔由多個模塊化構件組裝而成。由此高塔可以拆卸和組裝。拆卸後的構件可以通過重型卡車轉運至預先計算好的地方，並在現場組裝。而且由於各個構件之間能夠方便地組裝，可以根據逆溫層的高度調整高塔的高度，以達到最佳的清除霧霾的效果。

附圖說明

圖1為本發明一種實施方式的人造龍捲風裝置的結構示意圖。

圖2為圖1所示人造龍捲風裝置的縱剖面結構示意圖。

圖3為圖1所示人造龍捲風裝置的橫剖面結構示意圖。

圖4為圖1所示人造龍捲風裝置內部氣流狀況示意圖。

圖5為圖2所示整流裝置的結構示意圖。

圖6為圖2所示整流裝置的橫剖面結構示意圖。

圖7為本發明一種實施方式的人造龍捲風裝置的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。

實施例1

圖1至圖6示意性地顯示了根據本發明的一種實施方式的人造龍捲風裝置。如圖所示，該裝置整體為一個高塔結構，高塔內部自上而下分別設置成風區1、整流裝置3和進風區2。

其中，成風區1呈上大下小的喇叭狀。

整流裝置3設於成風區1底部。

整流裝置3包括定子32和轉子31。

轉子31設置有可旋轉的螺旋葉片311。

螺旋葉片311可以產生旋轉氣流，起到攪拌作用，從而強化冷熱空氣對流，加速能量釋放，形成衝擊效應。氣流通過螺旋葉片311時，螺旋葉片31在反衝力作用下旋轉，氣流噴在出轉子時形成一個與螺旋葉片311旋向相反的氣旋。

高空的自然風通過切線向上的風道11向成風區1內噴射強化此氣旋，形成龍捲風。

轉子31側壁設有永磁鐵312。

定子32與永磁鐵312相對應的位置設有線圈321。

轉子31套設於定子32內部，轉子31在高速氣流的作用下可在定子32內部懸浮旋轉。

該整流裝置類似於轉子流量計，將螺旋葉片311與轉子31合併為一，分為垂直和傾斜兩種形式，高速氣流從下方進入推動轉子31的螺旋葉片311，推動轉子31旋轉的同時，也對轉子31產生向上的正壓力，當風速足夠大時，向上的正壓力等於轉子31的重力，即實現懸浮轉動。整流裝置3懸浮轉動，摩擦損失非常小，對軸承的磨損幾乎沒有，可以長周期正常運行，做到免維護。高速旋轉的轉子，由於陀螺效應，所產生的電流非常穩定，變化微小緩慢，有足夠的預警時間作出調整，由此可以通過持續穩定的電能。

成風區1側壁設有多個風道11。

風道11沿切線方向貫穿成風區1的側壁並與外界連通。

整流裝置3下方設有氣體推進器4，氣體推進器4正對整流裝置3。

整流裝置3下方設有進風區2。氣體推進器4設於進風區2上部。

進風區2呈呈上小下大的倒喇叭狀，以便於收集氣流。

進風區2側壁具有進風口21。

氣體經氣體推進器4加速形成高速氣流後噴射至整流裝置3，經過螺旋葉片311後形成螺旋氣流，螺旋氣流沿成風區1高速螺旋上升，螺旋氣流與成風區1側壁之間形成負壓，促使外界的空氣經風道11沿切線方向進入成風區，進而對螺旋氣流提供旋轉加速度，使螺旋氣流的旋轉速度越來越大。隨著該人造龍捲風裝置工作時間的增加，由風道11進入成風區1的空氣不斷對螺旋氣流進行旋轉加速，使螺旋氣流的旋轉速度來越快。由於離心力的作用，螺旋氣流中心也形成越來越強的負壓，風力也逐漸增強，對周圍空氣的擾動作用也逐漸增強，並開始具有封閉等壓線，最終形成一個人造的龍捲風。人造龍捲風形成以後，可以依靠負氣壓作用持續很長一段時間，此時可以離開人造龍捲風裝置，在人工調控下向預定的方向移動。一般自然風或者高空的氣流可以推動人造龍捲風緩慢移動，由此可以將該人造龍捲風裝置設置在某個特定區域的上風向。在人造龍捲風穩定形成以後還可通過地面高速氣流噴射裝置或者旋翼直升機等進行人工幹預其移動軌跡。由於人造龍捲風具有渦旋聚束性，能夠捕集周圍低空的空氣，並將其送入高空，由此可以突破逆溫層，將低空的霧霾送到逆溫層，從而利於擴散，消除霧霾。據推算，一個人造龍捲風在其減弱消失之前，可以至少清除十萬平方公裡區域內的霧霾。

高速氣流通過螺旋葉片311時，螺旋葉片311帶動轉子31發生旋轉，永磁鐵312隨轉子31旋轉時，磁力線不斷切割線圈321，線圈321內由此產生電流。由此，整流裝置3還可以作為一個發電裝置通過人造龍捲風提供電能。

通過控制氣流推進器的工作狀態，使人造龍捲風穩定地停留在人造龍捲風裝置內，可以在風力發電的同時調節周圍的氣象狀況。

在本實施例中，整流裝置3上方還設有噴水裝置5。

噴水裝置5通過管道61與供水裝置6相連接。

噴水裝置5用於對通過整流裝置3的螺旋氣流進行噴水，從對螺旋氣流進行降溫，由於熱脹冷縮，降溫後的氣流內部壓力急劇減小，從而加大了螺旋氣流中心部分的負壓。噴水對螺旋氣流進行降溫主要通過兩個作用，一方面是水與氣流之間的熱量交換，熱量由溫度較高的氣流傳遞至溫度較低的水，從而降低氣流的溫度；另一方面水分在高速的氣流中霧化蒸發，也可以帶走大量的熱量。

噴水裝置5設於成風區1下部，並通過管道6與蓄水池相連，蓄水池為露天蓄水池或者地下蓄水池，蓄水池中存放的為淡水或者含有無機鹽的水溶液。在一些高海拔的地區，晝夜溫差大，可以利用露天蓄水池或者地下蓄水池儲存大量溫度較低的水供使用，在有些地方晝夜溫差在10℃以上，由此可以方便地獲取低溫的水。在低海拔地區，專業溫差小，則可以通過地下蓄水池獲取低溫的水。人造颱風也會對周圍地區帶來降水，但降水的先決條件是大氣中水蒸氣的含量，而人造颱風因為降溫帶來的水蒸氣並不會明顯的增加周邊地區的降水量。可以將海鹽等無機鹽溶於水來向旋風中噴霧，利用海鹽的強吸溼性來在我們需要的時候實施人工降雨，緩解旱情。

在一些實施方式中，成風區1高度H1為150-300米，進風區2高度H2為100-200米，成風區1底部直徑L2為2-5米，頂部直徑L1為5-15米。

採用以上技術方案的人造龍捲風裝置，使用了以下手段在螺旋氣流中心形成一個穩定的低壓區：1、熱空氣與冷水的水霧混合，氣溫迅速降低，體積急劇縮小，形成低壓；2、旋轉氣流在離心力的作用下，漩渦中心形成低壓；3、高空自然風形成的氣流通過切線向上的風道向旋風塔內噴射，在風口的後下方形成低壓。三種方式形成的低壓像凸透鏡聚焦一樣匯集到颱風機的底部，形成超低壓。

在強大的負壓作用下，低海拔的熱空氣和高海拔經常性的自然風將源源不斷的被吸入颱風機，形成高速螺旋上升的氣旋——人造龍捲風。

人造龍捲風將地面空氣的熱能帶向高空，向太空輻射，降低地面氣溫。將粉塵和溼熱汙濁的氣體帶上高空，淨化城市空氣。城市空氣中的霧霾隨氣流進入高空，寒冷稀薄的空氣與強紫外線會殺滅病菌。

人造龍捲風風力屬於實時能量，即吸收多少就釋放多少，能量的累積量非常小，不像核電、水電那樣本身具備大量的能量待釋放，所以人造龍捲風只需要控制輸入能量即可控制風速。由此可以達到可控的目的。

而且人造龍捲風只能吸收一個固定區域的空氣熱能，一個固定區域的能量是有限的，不像自然界龍捲風那樣會移動，可以吸收更廣闊地域的能量，所以從能量守恆的角度，人造龍捲風無法積聚到造成破壞的能量。

人造龍捲風的能量基礎是消耗空氣中的熱能，所以人造颱風能給環境降溫，抑制全球氣候變暖，減少溫室氣體的排放。降低環境溫度同樣能減少極端天氣情況的出現，可以調節氣候，幹預氣候。

實施例2

圖7示意性地顯示了根據本發明的另一種實施方式的人造龍捲風裝置。如圖所示，高塔由多個模塊化構件組裝而成。由此高塔可以拆卸和組裝。拆卸後的構件可以通過重型卡車轉運至預先計算好的地方，並在現場組裝。而且由於各個構件之間能夠方便地組裝，可以根據逆溫層的高度調整高塔的高度，以達到最佳的清除霧霾的效果。