本發(fā)明涉及氣象和大氣污染治理裝置，特別涉及一種人造龍卷風(fēng)裝置。

背景技術(shù)：

霧和霾的成因一直是大眾關(guān)注的熱點，氣象條件對于霧-霾的持續(xù)性、以及空間的連片現(xiàn)象都有很大影響。

近日，環(huán)保部公布的一項報告顯示，京津冀區(qū)域所有監(jiān)測城市PM2.5、PM10年平均濃度均超標(biāo)，珠三角區(qū)域所有監(jiān)測城市PM2.5年均濃度超標(biāo)；長三角區(qū)域所監(jiān)測城市只有1個城市PM2.5年均濃度未超標(biāo)?？梢?，中國空氣污染連片現(xiàn)象顯著。

氣象條件與二次氣溶膠占比大是中國霧-霾區(qū)域性分布的重要原因。

導(dǎo)致霧-霾天的主要原因便是氣溶膠污染。在中國的絕大多數(shù)區(qū)域，二次氣溶膠占比超過一半，在中東部地區(qū)甚至達到60％到80％。

二次氣溶膠的轉(zhuǎn)換與形成需要一定的氣象條件。當(dāng)二次氣溶膠污染占主導(dǎo)時，空氣污染的出現(xiàn)受到氣象條件影響就較大，加上氣象現(xiàn)象往往是連片發(fā)生，因此，中國的霧-霾也就呈現(xiàn)連片的特征。

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(yè)務(wù)工作，且應(yīng)用范圍較廣。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云中播撒干冰、碘化銀等催化劑，促使云層降水或者增加降水量。但是人工增雨需要該地區(qū)先有形成雨的條件及云量、風(fēng)量和相對濕度，才能實施人工增雨技術(shù)。而霧霾天氣一般天氣狀況比較平穩(wěn)，空氣流動性差，人工增雨作業(yè)的前提條件出現(xiàn)的可能性不太大，而且大范圍霧霾采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(shù)主要是為了增加水資源或者抗旱，沒有加入專門用來抗霾、改善空氣質(zhì)量的技術(shù)。

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(tài)二氧化碳等制冷劑，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。雖然造價并不高，但消霧還未成為氣象部門的常規(guī)業(yè)務(wù)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，由于大氣干燥、水汽少，目前還沒有有效手段消除空氣中的污染物，這還需要探索和試驗新的技術(shù)方法和手段。

在氣象學(xué)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，形成了有利于污染物擴散的對流。但在冬季很容易出現(xiàn)相反的情況即氣溫隨高度的增加而升高，這種現(xiàn)象稱為逆溫，出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象的大氣層稱為逆溫層。在逆溫層中，較暖而輕的空氣位于較冷而重的空氣上面，形成穩(wěn)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，令污染物無法擴散，由此形成霧霾。

如果能將地面污染物送出逆溫層，送到“鍋蓋”之上，就可以大大緩解霧霾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種人造龍卷風(fēng)裝置，由此可以通過人工干預(yù)的形式在特定的區(qū)域內(nèi)生成一個可控的龍卷風(fēng)，將地面污染物送出逆溫層，從而大大緩解霧霾。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種人造龍卷風(fēng)裝置，包括一個成風(fēng)區(qū)，成風(fēng)區(qū)呈上大下小的喇叭狀，且成風(fēng)區(qū)底部設(shè)有整流裝置，整流裝置具有可旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片，成風(fēng)區(qū)側(cè)壁設(shè)有多個風(fēng)道，風(fēng)道沿切線方向貫穿成風(fēng)區(qū)的側(cè)壁并與外界連通，整流裝置下方設(shè)有氣體推進器，氣體推進器正對整流裝置，氣體經(jīng)氣體推進器加速形成高速氣流后噴射至整流裝置，經(jīng)過螺旋葉片后形成螺旋氣流，螺旋氣流沿成風(fēng)區(qū)高速螺旋上升，螺旋氣流與成風(fēng)區(qū)側(cè)壁之間形成負壓，促使外界的空氣經(jīng)風(fēng)道沿切線方向進入成風(fēng)區(qū)，進而對螺旋氣流提供旋轉(zhuǎn)加速度，使螺旋氣流的旋轉(zhuǎn)速度越來越大。隨著該人造龍卷風(fēng)裝置工作時間的增加，由風(fēng)道進入成風(fēng)區(qū)的空氣不斷對螺旋氣流進行旋轉(zhuǎn)加速，使螺旋氣流的旋轉(zhuǎn)速度來越快。由于離心力的作用，螺旋氣流中心也形成越來越強的負壓，風(fēng)力也逐漸增強，對周圍空氣的擾動作用也逐漸增強，并開始具有封閉等壓線，最終形成一個人造的龍卷風(fēng)。人造龍卷風(fēng)形成以后，可以依靠負氣壓作用持續(xù)很長一段時間，此時可以離開人造龍卷風(fēng)裝置，在人工調(diào)控下向預(yù)定的方向移動。一般自然風(fēng)或者高空的氣流可以推動人造龍卷風(fēng)緩慢移動，由此可以將該人造龍卷風(fēng)裝置設(shè)置在某個特定區(qū)域的上風(fēng)向。在人造龍卷風(fēng)穩(wěn)定形成以后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干預(yù)其移動軌跡。由于人造龍卷風(fēng)具有渦旋聚束性，能夠捕集周圍低空的空氣，并將其送入高空，由此可以突破逆溫層，將低空的霧霾送到逆溫層，從而利于擴散，消除霧霾。據(jù)推算，一個人造龍卷風(fēng)在其減弱消失之前，可以至少清除十萬平方公里區(qū)域內(nèi)的霧霾。

在一些實施方式中，整流裝置上方還設(shè)有噴水裝置，噴水裝置通過管道與供水裝置相連接。噴水裝置用于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，由于熱脹冷縮，降溫后的氣流內(nèi)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(fā)，也可以帶走大量的熱量。

在一些實施方式中，噴水裝置設(shè)于成風(fēng)區(qū)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(qū)，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(qū)，專業(yè)溫差小，則可以通過地下蓄水池獲取低溫的水。人造臺風(fēng)也會對周圍地區(qū)帶來降水，但降水的先決條件是大氣中水蒸氣的含量，而人造臺風(fēng)因為降溫帶來的水蒸氣并不會明顯的增加周邊地區(qū)的降水量。可以將海鹽等無機鹽溶于水來向旋風(fēng)中噴霧，利用海鹽的強吸濕性來在我們需要的時候?qū)嵤┤斯そ涤辏徑夂登椤?/p>

在一些實施方式中，整流裝置包括定子和轉(zhuǎn)子，螺旋葉片設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子側(cè)壁設(shè)有永磁鐵，定子與永磁鐵相對應(yīng)的位置設(shè)有線圈，高速氣流通過螺旋葉片時，螺旋葉片帶動轉(zhuǎn)子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，永磁鐵隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，磁力線不斷切割線圈，線圈內(nèi)由此產(chǎn)生電流。由此，整流裝置還可以作為一個發(fā)電裝置通過人造龍卷風(fēng)提供電能。

在一些實施方式中，轉(zhuǎn)子套設(shè)于定子內(nèi)部，轉(zhuǎn)子在高速氣流的作用下可在定子內(nèi)部懸浮旋轉(zhuǎn)。該整流裝置類似于轉(zhuǎn)子流量計，將螺旋葉片與轉(zhuǎn)子合并為一，分為垂直和傾斜兩種形式，高速氣流從下方進入推動轉(zhuǎn)子的螺旋葉片，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的同時，也對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生向上的正壓力，當(dāng)風(fēng)速足夠大時，向上的正壓力等于轉(zhuǎn)子的重力，即實現(xiàn)懸浮轉(zhuǎn)動。整流裝置懸浮轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，由于陀螺效應(yīng)，所產(chǎn)生的電流非常穩(wěn)定，變化微小緩慢，有足夠的預(yù)警時間作出調(diào)整，由此可以通過持續(xù)穩(wěn)定的電能。而且還可以通過控制氣流推進器的工作狀態(tài)，使人造龍卷風(fēng)穩(wěn)定地停留在人造龍卷風(fēng)裝置內(nèi)，在風(fēng)力發(fā)電的同時調(diào)節(jié)周圍的氣象狀況。

在一些實施方式中，整流裝置下方設(shè)有進風(fēng)區(qū)，氣體推進器設(shè)于進風(fēng)區(qū)上部，進風(fēng)區(qū)呈呈上小下大的倒喇叭狀。

在一些實施方式中，進風(fēng)區(qū)側(cè)壁具有進風(fēng)口。

在一些實施方式中，成風(fēng)區(qū)高度為150-300米，進風(fēng)區(qū)高度為100-200米，成風(fēng)區(qū)底部直徑為2-5米，成風(fēng)區(qū)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(jié)構(gòu)，高塔內(nèi)部自上而下分別設(shè)置成風(fēng)區(qū)、整流裝置和進風(fēng)區(qū)。

在一些實施方式中，高塔由多個模塊化構(gòu)件組裝而成。由此高塔可以拆卸和組裝。拆卸后的構(gòu)件可以通過重型卡車轉(zhuǎn)運至預(yù)先計算好的地方，并在現(xiàn)場組裝。而且由于各個構(gòu)件之間能夠方便地組裝，可以根據(jù)逆溫層的高度調(diào)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(fā)明一種實施方式的人造龍卷風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1所示人造龍卷風(fēng)裝置的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖1所示人造龍卷風(fēng)裝置的橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為圖1所示人造龍卷風(fēng)裝置內(nèi)部氣流狀況示意圖。

圖5為圖2所示整流裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為圖2所示整流裝置的橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明一種實施方式的人造龍卷風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)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(jù)本發(fā)明的一種實施方式的人造龍卷風(fēng)裝置。如圖所示，該裝置整體為一個高塔結(jié)構(gòu)，高塔內(nèi)部自上而下分別設(shè)置成風(fēng)區(qū)1、整流裝置3和進風(fēng)區(qū)2。

其中，成風(fēng)區(qū)1呈上大下小的喇叭狀。

整流裝置3設(shè)于成風(fēng)區(qū)1底部。

整流裝置3包括定子32和轉(zhuǎn)子31。

轉(zhuǎn)子31設(shè)置有可旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片311。

螺旋葉片311可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流，起到攪拌作用，從而強化冷熱空氣對流，加速能量釋放，形成沖擊效應(yīng)。氣流通過螺旋葉片311時，螺旋葉片31在反沖力作用下旋轉(zhuǎn)，氣流噴在出轉(zhuǎn)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(fēng)通過切線向上的風(fēng)道11向成風(fēng)區(qū)1內(nèi)噴射強化此氣旋，形成龍卷風(fēng)。

轉(zhuǎn)子31側(cè)壁設(shè)有永磁鐵312。

定子32與永磁鐵312相對應(yīng)的位置設(shè)有線圈321。

轉(zhuǎn)子31套設(shè)于定子32內(nèi)部，轉(zhuǎn)子31在高速氣流的作用下可在定子32內(nèi)部懸浮旋轉(zhuǎn)。

該整流裝置類似于轉(zhuǎn)子流量計，將螺旋葉片311與轉(zhuǎn)子31合并為一，分為垂直和傾斜兩種形式，高速氣流從下方進入推動轉(zhuǎn)子31的螺旋葉片311，推動轉(zhuǎn)子31旋轉(zhuǎn)的同時，也對轉(zhuǎn)子31產(chǎn)生向上的正壓力，當(dāng)風(fēng)速足夠大時，向上的正壓力等于轉(zhuǎn)子31的重力，即實現(xiàn)懸浮轉(zhuǎn)動。整流裝置3懸浮轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，由于陀螺效應(yīng)，所產(chǎn)生的電流非常穩(wěn)定，變化微小緩慢，有足夠的預(yù)警時間作出調(diào)整，由此可以通過持續(xù)穩(wěn)定的電能。

成風(fēng)區(qū)1側(cè)壁設(shè)有多個風(fēng)道11。

風(fēng)道11沿切線方向貫穿成風(fēng)區(qū)1的側(cè)壁并與外界連通。

整流裝置3下方設(shè)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(shè)有進風(fēng)區(qū)2。氣體推進器4設(shè)于進風(fēng)區(qū)2上部。

進風(fēng)區(qū)2呈呈上小下大的倒喇叭狀，以便于收集氣流。

進風(fēng)區(qū)2側(cè)壁具有進風(fēng)口21。

氣體經(jīng)氣體推進器4加速形成高速氣流后噴射至整流裝置3，經(jīng)過螺旋葉片311后形成螺旋氣流，螺旋氣流沿成風(fēng)區(qū)1高速螺旋上升，螺旋氣流與成風(fēng)區(qū)1側(cè)壁之間形成負壓，促使外界的空氣經(jīng)風(fēng)道11沿切線方向進入成風(fēng)區(qū)，進而對螺旋氣流提供旋轉(zhuǎn)加速度，使螺旋氣流的旋轉(zhuǎn)速度越來越大。隨著該人造龍卷風(fēng)裝置工作時間的增加，由風(fēng)道11進入成風(fēng)區(qū)1的空氣不斷對螺旋氣流進行旋轉(zhuǎn)加速，使螺旋氣流的旋轉(zhuǎn)速度來越快。由于離心力的作用，螺旋氣流中心也形成越來越強的負壓，風(fēng)力也逐漸增強，對周圍空氣的擾動作用也逐漸增強，并開始具有封閉等壓線，最終形成一個人造的龍卷風(fēng)。人造龍卷風(fēng)形成以后，可以依靠負氣壓作用持續(xù)很長一段時間，此時可以離開人造龍卷風(fēng)裝置，在人工調(diào)控下向預(yù)定的方向移動。一般自然風(fēng)或者高空的氣流可以推動人造龍卷風(fēng)緩慢移動，由此可以將該人造龍卷風(fēng)裝置設(shè)置在某個特定區(qū)域的上風(fēng)向。在人造龍卷風(fēng)穩(wěn)定形成以后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干預(yù)其移動軌跡。由于人造龍卷風(fēng)具有渦旋聚束性，能夠捕集周圍低空的空氣，并將其送入高空，由此可以突破逆溫層，將低空的霧霾送到逆溫層，從而利于擴散，消除霧霾。據(jù)推算，一個人造龍卷風(fēng)在其減弱消失之前，可以至少清除十萬平方公里區(qū)域內(nèi)的霧霾。

高速氣流通過螺旋葉片311時，螺旋葉片311帶動轉(zhuǎn)子31發(fā)生旋轉(zhuǎn)，永磁鐵312隨轉(zhuǎn)子31旋轉(zhuǎn)時，磁力線不斷切割線圈321，線圈321內(nèi)由此產(chǎn)生電流。由此，整流裝置3還可以作為一個發(fā)電裝置通過人造龍卷風(fēng)提供電能。

通過控制氣流推進器的工作狀態(tài)，使人造龍卷風(fēng)穩(wěn)定地停留在人造龍卷風(fēng)裝置內(nèi)，可以在風(fēng)力發(fā)電的同時調(diào)節(jié)周圍的氣象狀況。

在本實施例中，整流裝置3上方還設(shè)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用于對通過整流裝置3的螺旋氣流進行噴水，從對螺旋氣流進行降溫，由于熱脹冷縮，降溫后的氣流內(nèi)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(fā)，也可以帶走大量的熱量。

噴水裝置5設(shè)于成風(fēng)區(qū)1下部，并通過管道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(qū)，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(qū)，專業(yè)溫差小，則可以通過地下蓄水池獲取低溫的水。人造臺風(fēng)也會對周圍地區(qū)帶來降水，但降水的先決條件是大氣中水蒸氣的含量，而人造臺風(fēng)因為降溫帶來的水蒸氣并不會明顯的增加周邊地區(qū)的降水量?？梢詫⒑｛}等無機鹽溶于水來向旋風(fēng)中噴霧，利用海鹽的強吸濕性來在我們需要的時候?qū)嵤┤斯そ涤?，緩解旱情?/p>

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

采用以上技術(shù)方案的人造龍卷風(fēng)裝置，使用了以下手段在螺旋氣流中心形成一個穩(wěn)定的低壓區(qū)：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(zhuǎn)氣流在離心力的作用下，漩渦中心形成低壓；3、高空自然風(fēng)形成的氣流通過切線向上的風(fēng)道向旋風(fēng)塔內(nèi)噴射，在風(fēng)口的后下方形成低壓。三種方式形成的低壓像凸透鏡聚焦一樣匯集到臺風(fēng)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(jīng)常性的自然風(fēng)將源源不斷的被吸入臺風(fēng)機，形成高速螺旋上升的氣旋——人造龍卷風(fēng)。

人造龍卷風(fēng)將地面空氣的熱能帶向高空，向太空輻射，降低地面氣溫。將粉塵和濕熱污濁的氣體帶上高空，凈化城市空氣。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。

人造龍卷風(fēng)風(fēng)力屬于實時能量，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，所以人造龍卷風(fēng)只需要控制輸入能量即可控制風(fēng)速。由此可以達到可控的目的。

而且人造龍卷風(fēng)只能吸收一個固定區(qū)域的空氣熱能，一個固定區(qū)域的能量是有限的，不像自然界龍卷風(fēng)那樣會移動，可以吸收更廣闊地域的能量，所以從能量守恒的角度，人造龍卷風(fēng)無法積聚到造成破壞的能量。

人造龍卷風(fēng)的能量基礎(chǔ)是消耗空氣中的熱能，所以人造臺風(fēng)能給環(huán)境降溫，抑制全球氣候變暖，減少溫室氣體的排放。降低環(huán)境溫度同樣能減少極端天氣情況的出現(xiàn)，可以調(diào)節(jié)氣候，干預(yù)氣候。

實施例2

圖7示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式的人造龍卷風(fēng)裝置。如圖所示，高塔由多個模塊化構(gòu)件組裝而成。由此高塔可以拆卸和組裝。拆卸后的構(gòu)件可以通過重型卡車轉(zhuǎn)運至預(yù)先計算好的地方，并在現(xiàn)場組裝。而且由于各個構(gòu)件之間能夠方便地組裝，可以根據(jù)逆溫層的高度調(diào)整高塔的高度，以達到最佳的清除霧霾的效果。