人造龙卷风装置的制作方法

本发明涉及气象和大气污染治理装置，特别涉及一种人造龙卷风装置。

背景技术：

雾和霾的成因一直是大众关注的热点，气象条件对于雾-霾的持续性、以及空间的连片现象都有很大影响。

近日，环保部公布的一项报告显示，京津冀区域所有监测城市PM2.5、PM10年平均浓度均超标，珠三角区域所有监测城市PM2.5年均浓度超标；长三角区域所监测城市只有1个城市PM2.5年均浓度未超标。可见，中国空气污染连片现象显著。

气象条件与二次气溶胶占比大是中国雾-霾区域性分布的重要原因。

导致雾-霾天的主要原因便是气溶胶污染。在中国的绝大多数区域，二次气溶胶占比超过一半，在中东部地区甚至达到60％到80％。

二次气溶胶的转换与形成需要一定的气象条件。当二次气溶胶污染占主导时，空气污染的出现受到气象条件影响就较大，加上气象现象往往是连片发生，因此，中国的雾-霾也就呈现连片的特征。

人工影响天气消减雾霾的主要方式是人工增雨和人工消雾。目前，人工增雨在我国各地气象部门已成为一项业务工作，且应用范围较广。其对清除雾霾有较好的效果，但前提是必须有降水形成的条件。

所谓人工增雨，是指通过飞机或火箭向云中播撒干冰、碘化银等催化剂，促使云层降水或者增加降水量。但是人工增雨需要该地区先有形成雨的条件及云量、风量和相对湿度，才能实施人工增雨技术。而雾霾天气一般天气状况比较平稳，空气流动性差，人工增雨作业的前提条件出现的可能性不太大，而且大范围雾霾采取人工方式缓解效果也极其有限。人工增雨是“锦上添花”的人工手段，而不是凭空造出一场降水过程。目前人工增雨技术主要是为了增加水资源或者抗旱，没有加入专门用来抗霾、改善空气质量的技术。

针对没有人工增雨条件的雾和霾的混合体，只能通过物理办法来消雾，消除冷雾是用如液氮或液态二氧化碳等制冷剂，使雾滴变成冰晶掉落地面。在北京、四川双流机场等地，我国进行多年的消雾科研试验表明有一定效果，且消除冷雾的效果比消除暖雾更为明显。虽然造价并不高，但消雾还未成为气象部门的常规业务工作，人工消雾只能在局域局地实行。

针对空气中灰霾遍布却没有雾的天气，由于大气干燥、水汽少，目前还没有有效手段消除空气中的污染物，这还需要探索和试验新的技术方法和手段。

在气象学上，冬季雾霾的一大祸源是逆温层。在低层大气中，气温随高度增加而降低。因此地面暖空气上升，高空冷空气下沉，形成了有利于污染物扩散的对流。但在冬季很容易出现相反的情况即气温随高度的增加而升高，这种现象称为逆温，出现逆温现象的大气层称为逆温层。在逆温层中，较暖而轻的空气位于较冷而重的空气上面，形成稳定的空气层，就像一个锅盖一样，笼罩在近地层的上空，阻碍着空气的对流运动，令污染物无法扩散，由此形成雾霾。

如果能将地面污染物送出逆温层，送到“锅盖”之上，就可以大大缓解雾霾。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种人造龙卷风装置，由此可以通过人工干预的形式在特定的区域内生成一个可控的龙卷风，将地面污染物送出逆温层，从而大大缓解雾霾。

根据本发明的一个方面，提供了一种人造龙卷风装置，包括一个成风区，成风区呈上大下小的喇叭状，且成风区底部设有整流装置，整流装置具有可旋转的螺旋叶片，成风区侧壁设有多个风道，风道沿切线方向贯穿成风区的侧壁并与外界连通，整流装置下方设有气体推进器，气体推进器正对整流装置，气体经气体推进器加速形成高速气流后喷射至整流装置，经过螺旋叶片后形成螺旋气流，螺旋气流沿成风区高速螺旋上升，螺旋气流与成风区侧壁之间形成负压，促使外界的空气经风道沿切线方向进入成风区，进而对螺旋气流提供旋转加速度，使螺旋气流的旋转速度越来越大。随着该人造龙卷风装置工作时间的增加，由风道进入成风区的空气不断对螺旋气流进行旋转加速，使螺旋气流的旋转速度来越快。由于离心力的作用，螺旋气流中心也形成越来越强的负压，风力也逐渐增强，对周围空气的扰动作用也逐渐增强，并开始具有封闭等压线，最终形成一个人造的龙卷风。人造龙卷风形成以后，可以依靠负气压作用持续很长一段时间，此时可以离开人造龙卷风装置，在人工调控下向预定的方向移动。一般自然风或者高空的气流可以推动人造龙卷风缓慢移动，由此可以将该人造龙卷风装置设置在某个特定区域的上风向。在人造龙卷风稳定形成以后还可通过地面高速气流喷射装置或者旋翼直升机等进行人工干预其移动轨迹。由于人造龙卷风具有涡旋聚束性，能够捕集周围低空的空气，并将其送入高空，由此可以突破逆温层，将低空的雾霾送到逆温层，从而利于扩散，消除雾霾。据推算，一个人造龙卷风在其减弱消失之前，可以至少清除十万平方公里区域内的雾霾。

在一些实施方式中，整流装置上方还设有喷水装置，喷水装置通过管道与供水装置相连接。喷水装置用于对通过整流装置的螺旋气流进行喷水，从对螺旋气流进行降温，由于热胀冷缩，降温后的气流内部压力急剧减小，从而加大了螺旋气流中心部分的负压。喷水对螺旋气流进行降温主要通过两个作用，一方面是水与气流之间的热量交换，热量由温度较高的气流传递至温度较低的水，从而降低气流的温度；另一方面水分在高速的气流中雾化蒸发，也可以带走大量的热量。

在一些实施方式中，喷水装置设于成风区下部，喷水装置通过管道与蓄水池相连，蓄水池为露天蓄水池或者地下蓄水池，蓄水池中存放的为淡水或者含有无机盐的水溶液。在一些高海拔的地区，昼夜温差大，可以利用露天蓄水池或者地下蓄水池储存大量温度较低的水供使用，在有些地方昼夜温差在10℃以上，由此可以方便地获取低温的水。在低海拔地区，专业温差小，则可以通过地下蓄水池获取低温的水。人造台风也会对周围地区带来降水，但降水的先决条件是大气中水蒸气的含量，而人造台风因为降温带来的水蒸气并不会明显的增加周边地区的降水量。可以将海盐等无机盐溶于水来向旋风中喷雾，利用海盐的强吸湿性来在我们需要的时候实施人工降雨，缓解旱情。

在一些实施方式中，整流装置包括定子和转子，螺旋叶片设置在转子上，转子侧壁设有永磁铁，定子与永磁铁相对应的位置设有线圈，高速气流通过螺旋叶片时，螺旋叶片带动转子发生旋转，永磁铁随转子旋转时，磁力线不断切割线圈，线圈内由此产生电流。由此，整流装置还可以作为一个发电装置通过人造龙卷风提供电能。

在一些实施方式中，转子套设于定子内部，转子在高速气流的作用下可在定子内部悬浮旋转。该整流装置类似于转子流量计，将螺旋叶片与转子合并为一，分为垂直和倾斜两种形式，高速气流从下方进入推动转子的螺旋叶片，推动转子旋转的同时，也对转子产生向上的正压力，当风速足够大时，向上的正压力等于转子的重力，即实现悬浮转动。整流装置悬浮转动，摩擦损失非常小，对轴承的磨损几乎没有，可以长周期正常运行，做到免维护。高速旋转的转子，由于陀螺效应，所产生的电流非常稳定，变化微小缓慢，有足够的预警时间作出调整，由此可以通过持续稳定的电能。而且还可以通过控制气流推进器的工作状态，使人造龙卷风稳定地停留在人造龙卷风装置内，在风力发电的同时调节周围的气象状况。

在一些实施方式中，整流装置下方设有进风区，气体推进器设于进风区上部，进风区呈呈上小下大的倒喇叭状。

在一些实施方式中，进风区侧壁具有进风口。

在一些实施方式中，成风区高度为150-300米，进风区高度为100-200米，成风区底部直径为2-5米，成风区顶部直径为5-15米。

在一些实施方式中，该装置整体为一个高塔结构，高塔内部自上而下分别设置成风区、整流装置和进风区。

在一些实施方式中，高塔由多个模块化构件组装而成。由此高塔可以拆卸和组装。拆卸后的构件可以通过重型卡车转运至预先计算好的地方，并在现场组装。而且由于各个构件之间能够方便地组装，可以根据逆温层的高度调整高塔的高度，以达到最佳的清除雾霾的效果。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的人造龙卷风装置的结构示意图。

图2为图1所示人造龙卷风装置的纵剖面结构示意图。

图3为图1所示人造龙卷风装置的横剖面结构示意图。

图4为图1所示人造龙卷风装置内部气流状况示意图。

图5为图2所示整流装置的结构示意图。

图6为图2所示整流装置的横剖面结构示意图。

图7为本发明一种实施方式的人造龙卷风装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

图1至图6示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的人造龙卷风装置。如图所示，该装置整体为一个高塔结构，高塔内部自上而下分别设置成风区1、整流装置3和进风区2。

其中，成风区1呈上大下小的喇叭状。

整流装置3设于成风区1底部。

整流装置3包括定子32和转子31。

转子31设置有可旋转的螺旋叶片311。

螺旋叶片311可以产生旋转气流，起到搅拌作用，从而强化冷热空气对流，加速能量释放，形成冲击效应。气流通过螺旋叶片311时，螺旋叶片31在反冲力作用下旋转，气流喷在出转子时形成一个与螺旋叶片311旋向相反的气旋。

高空的自然风通过切线向上的风道11向成风区1内喷射强化此气旋，形成龙卷风。

转子31侧壁设有永磁铁312。

定子32与永磁铁312相对应的位置设有线圈321。

转子31套设于定子32内部，转子31在高速气流的作用下可在定子32内部悬浮旋转。

该整流装置类似于转子流量计，将螺旋叶片311与转子31合并为一，分为垂直和倾斜两种形式，高速气流从下方进入推动转子31的螺旋叶片311，推动转子31旋转的同时，也对转子31产生向上的正压力，当风速足够大时，向上的正压力等于转子31的重力，即实现悬浮转动。整流装置3悬浮转动，摩擦损失非常小，对轴承的磨损几乎没有，可以长周期正常运行，做到免维护。高速旋转的转子，由于陀螺效应，所产生的电流非常稳定，变化微小缓慢，有足够的预警时间作出调整，由此可以通过持续稳定的电能。

成风区1侧壁设有多个风道11。

风道11沿切线方向贯穿成风区1的侧壁并与外界连通。

整流装置3下方设有气体推进器4，气体推进器4正对整流装置3。

整流装置3下方设有进风区2。气体推进器4设于进风区2上部。

进风区2呈呈上小下大的倒喇叭状，以便于收集气流。

进风区2侧壁具有进风口21。

气体经气体推进器4加速形成高速气流后喷射至整流装置3，经过螺旋叶片311后形成螺旋气流，螺旋气流沿成风区1高速螺旋上升，螺旋气流与成风区1侧壁之间形成负压，促使外界的空气经风道11沿切线方向进入成风区，进而对螺旋气流提供旋转加速度，使螺旋气流的旋转速度越来越大。随着该人造龙卷风装置工作时间的增加，由风道11进入成风区1的空气不断对螺旋气流进行旋转加速，使螺旋气流的旋转速度来越快。由于离心力的作用，螺旋气流中心也形成越来越强的负压，风力也逐渐增强，对周围空气的扰动作用也逐渐增强，并开始具有封闭等压线，最终形成一个人造的龙卷风。人造龙卷风形成以后，可以依靠负气压作用持续很长一段时间，此时可以离开人造龙卷风装置，在人工调控下向预定的方向移动。一般自然风或者高空的气流可以推动人造龙卷风缓慢移动，由此可以将该人造龙卷风装置设置在某个特定区域的上风向。在人造龙卷风稳定形成以后还可通过地面高速气流喷射装置或者旋翼直升机等进行人工干预其移动轨迹。由于人造龙卷风具有涡旋聚束性，能够捕集周围低空的空气，并将其送入高空，由此可以突破逆温层，将低空的雾霾送到逆温层，从而利于扩散，消除雾霾。据推算，一个人造龙卷风在其减弱消失之前，可以至少清除十万平方公里区域内的雾霾。

高速气流通过螺旋叶片311时，螺旋叶片311带动转子31发生旋转，永磁铁312随转子31旋转时，磁力线不断切割线圈321，线圈321内由此产生电流。由此，整流装置3还可以作为一个发电装置通过人造龙卷风提供电能。

通过控制气流推进器的工作状态，使人造龙卷风稳定地停留在人造龙卷风装置内，可以在风力发电的同时调节周围的气象状况。

在本实施例中，整流装置3上方还设有喷水装置5。

喷水装置5通过管道61与供水装置6相连接。

喷水装置5用于对通过整流装置3的螺旋气流进行喷水，从对螺旋气流进行降温，由于热胀冷缩，降温后的气流内部压力急剧减小，从而加大了螺旋气流中心部分的负压。喷水对螺旋气流进行降温主要通过两个作用，一方面是水与气流之间的热量交换，热量由温度较高的气流传递至温度较低的水，从而降低气流的温度；另一方面水分在高速的气流中雾化蒸发，也可以带走大量的热量。

喷水装置5设于成风区1下部，并通过管道6与蓄水池相连，蓄水池为露天蓄水池或者地下蓄水池，蓄水池中存放的为淡水或者含有无机盐的水溶液。在一些高海拔的地区，昼夜温差大，可以利用露天蓄水池或者地下蓄水池储存大量温度较低的水供使用，在有些地方昼夜温差在10℃以上，由此可以方便地获取低温的水。在低海拔地区，专业温差小，则可以通过地下蓄水池获取低温的水。人造台风也会对周围地区带来降水，但降水的先决条件是大气中水蒸气的含量，而人造台风因为降温带来的水蒸气并不会明显的增加周边地区的降水量。可以将海盐等无机盐溶于水来向旋风中喷雾，利用海盐的强吸湿性来在我们需要的时候实施人工降雨，缓解旱情。

在一些实施方式中，成风区1高度H1为150-300米，进风区2高度H2为100-200米，成风区1底部直径L2为2-5米，顶部直径L1为5-15米。

采用以上技术方案的人造龙卷风装置，使用了以下手段在螺旋气流中心形成一个稳定的低压区：1、热空气与冷水的水雾混合，气温迅速降低，体积急剧缩小，形成低压；2、旋转气流在离心力的作用下，漩涡中心形成低压；3、高空自然风形成的气流通过切线向上的风道向旋风塔内喷射，在风口的后下方形成低压。三种方式形成的低压像凸透镜聚焦一样汇集到台风机的底部，形成超低压。

在强大的负压作用下，低海拔的热空气和高海拔经常性的自然风将源源不断的被吸入台风机，形成高速螺旋上升的气旋——人造龙卷风。

人造龙卷风将地面空气的热能带向高空，向太空辐射，降低地面气温。将粉尘和湿热污浊的气体带上高空，净化城市空气。城市空气中的雾霾随气流进入高空，寒冷稀薄的空气与强紫外线会杀灭病菌。

人造龙卷风风力属于实时能量，即吸收多少就释放多少，能量的累积量非常小，不像核电、水电那样本身具备大量的能量待释放，所以人造龙卷风只需要控制输入能量即可控制风速。由此可以达到可控的目的。

而且人造龙卷风只能吸收一个固定区域的空气热能，一个固定区域的能量是有限的，不像自然界龙卷风那样会移动，可以吸收更广阔地域的能量，所以从能量守恒的角度，人造龙卷风无法积聚到造成破坏的能量。

人造龙卷风的能量基础是消耗空气中的热能，所以人造台风能给环境降温，抑制全球气候变暖，减少温室气体的排放。降低环境温度同样能减少极端天气情况的出现，可以调节气候，干预气候。

实施例2

图7示意性地显示了根据本发明的另一种实施方式的人造龙卷风装置。如图所示，高塔由多个模块化构件组装而成。由此高塔可以拆卸和组装。拆卸后的构件可以通过重型卡车转运至预先计算好的地方，并在现场组装。而且由于各个构件之间能够方便地组装，可以根据逆温层的高度调整高塔的高度，以达到最佳的清除雾霾的效果。