第五章气流的测量.ppt

第五章第五章 气流的测量气流的测量向卫国向卫国1•空气的运动产生气流•流速是一个三维空间矢量•一般考虑为（xy平面）二维矢量：–风速——模值–风向——方向•一些特殊情况下，垂直运动也相当显著–如山的背风坡、强的对流云2•气流场 = 大尺度的规则气流 + 随时间和空间随机涨落的（中）小尺度湍流•气流测量包括：瞬时量、平均量 两部分•“平均值”：指在一定时段内的平均•“瞬时值”：在一个相当短的时段内的平均3•都可以认为是“光滑值”•光滑时段的长短，取决于仪器和实际需要•风速的单位：m/s•天气报告中–风速：2min的平均风速–风向：10°为一个单位，用电码01，02，……，36表示，以正北为基准，顺时针方向旋转4•风向是指风的来向•风向的英文缩写符号纪录如图5.1–北：North 东：East–南：South 西：West•当风速低于 0.25 m/s 时称为静风•风级也是一种表达风力的常用单位5•1805年英国人F·蒲福根据风对地面（或海面）物体的影响，提出风力等级表，几经修改后得出蒲福风力等级表蒲福风力等级表•目测风时，根据风力等级表中各级风的特征，即可估计出相应的风速。

•地面风指离地平面10─12米高的风 6蒲福风力等级表蒲福风力等级表风风力力名称名称相当于开阔平坦地面相当于开阔平坦地面1010米高处风速米高处风速浪高浪高陆上物理征象陆上物理征象米米/ /秒秒公里公里/ /时时海里海里/ /时时（米）（米）0 0静风静风0 0－－0.20.2<1<1<1<1－－静，烟直上静，烟直上1 1软风软风0.30.3－－1.51.51 1－－5 51 1－－3 30.10.1烟能表示风向，但风向标尚不能指示风烟能表示风向，但风向标尚不能指示风向2 2轻风轻风1.61.6－－3.33.36 6－－11114 4－－6 60.20.2人面感觉有风，树叶有微响，风向标能人面感觉有风，树叶有微响，风向标能随风转动随风转动3 3微风微风3.43.4－－5.45.41212－－19197 7－－10100.60.6树叶与微枝摇动不息，旌旗展开树叶与微枝摇动不息，旌旗展开4 4和风和风5.55.5－－7.97.92020－－28281111－－16161.01.0灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动5 5劲风劲风8.08.0－－10.710.72929－－38381717－－21212.02.0有叶的小树枝摇动，内陆水面有小波浪。

有叶的小树枝摇动，内陆水面有小波浪6 6强风强风10.810.8－－13.813.83939－－49492222－－27273.03.0大树枝摇动，电线呼呼有声，打伞困难大树枝摇动，电线呼呼有声，打伞困难7 7疾风疾风13.913.9－－17.117.15050－－61612828－－33334.04.0全树摇动，逆风步行感到困难全树摇动，逆风步行感到困难8 8大风大风17.217.2－－20.720.76262－－74743434－－40405.55.5树枝折断，逆风行进阻力甚大树枝折断，逆风行进阻力甚大9 9烈风烈风20.820.8－－24.424.47575－－88884141－－47477.07.0发生轻微的建筑破坏发生轻微的建筑破坏1010狂风狂风24.524.5－－28.428.48989－－1021024848－－55559.09.0内陆少见，有些树木拔起，建筑物破坏内陆少见，有些树木拔起，建筑物破坏较重1111暴风暴风28.528.5－－32.632.6103103－－1171175656－－636311.511.5极少遇到，伴随着广泛的破坏极少遇到，伴随着广泛的破坏1212飓风飓风32.732.7118118646414.014.0　　75.1 风向的测量•风向标是一种应用最广泛的测量风向仪器的主要部件，由水平指向杆、尾翼和旋转轴组成。

•在风的作用下，尾翼产生旋转力矩使风向标转动，并不断调整指向杆指示风向 85.1.1 风向标•外形分四部分：①风尾②指向杆③平衡重锤④旋转主轴9风向标的设计要求①在小风时能反应风向的变动，即有良好的启动性能；②具有良好的动态特性，即能迅速准确地跟踪外界的风向变化10传递和指示风向•风向标感应的风向必须传递到地面的指示仪表上，以触点式最为简单，风向标带动触点，接通代表风向的灯泡或记录笔电磁铁，作出风向的指示或记录，但它的分辨只能做到一个方位22.5°•精确的方法有自整角机和光电码盘115.1.2 风向标的动态特性•略125.1.3 风向平衡重锤对风向标动态特性的影响•风向标的几个主要动态特性参数：•P107 三点结论135.1.4 风向连续变动环境中风向标动态响应•略145.1.5 风向标动态参数的选择•统一风向标的特性指标，使各地气象站上的风向资料具有可比形•世界气象组织作了指导性的规定：1.在风速2.58m/s时，风向标在1s内使风向偏差衰减到初始值的 1/e，e = 2.71828155.1.5 风向标动态参数的选择（续）2. 0.3 < ζ < 1.03.风速范围为 0.5 ~ 60 m/s4.线性度和分辨率为 ±2°~ ±5°165.2 旋转式风速计•感应部分是一个固定在转轴上的感应风的组件。

•常见的有三种型式：–螺旋桨叶片组–平板叶片组–半球形的空心杯壳组175.2.1 风杯风速计的感应原理•风杯由三个（或四个）半球形或抛物形空杯，都顺一面均匀分布在一水平支架上，支架与转轴相连•在风力作用下，风杯绕转轴旋转，其转速正比于风速•转速可以用电触点、测速发电机、齿轮或光电计数器等记录 185.2.1 风杯风速计的感应原理（续）•在稳定的风力作用下，风杯受到扭力矩作用而开始旋转，它的转速与风速成一定的关系•推导风杯的转速和风速的关系，用Ramachandran的结果195.2.1 风杯风速计的感应原理（续）•两点推论：①当风杯处于小风速时，必须考虑两种摩擦力矩（动摩擦力矩、静摩擦力矩）的影响②静摩擦力矩是常数，动摩擦力矩应与转速成正比风速越大，摩擦力矩所占的比例越低205.2.1 风杯风速计的感应原理（续）•图5.9 一个典型的风杯风速计的检定曲线•在接近零风速时，曲线明显弯曲•n=0时，曲线与纵坐标轴相交于umin处，称为umin启动风速•在风速较大时，n与u能保持较好的线性关系215.2.2 风杯风速计的惯性•风杯达到匀速转动的时间要比风速的变化来得慢（滞后性）。

•这种现象在风速由小变大时较为严重，如当风速较大，很快地变为0时，因为惯性作用，风杯将继续转动，不可能很快停下来这样，风速计所记录的风速要比实际风速为大225.2.2 风杯风速计的惯性（续）•风速在0—20m/s时，利用风杯测定风速比较准确•同时这种滞后性消除了许多风速脉动现象，因而，用风杯作感应器的风速表，测定平均风速比较好，而测瞬时风速则准确度较差•试验证明：三杯比四杯好，圆锥形比半球形好235.2.2 风杯风速计的惯性（续）•风杯风速计的时间常数 Tu，（5.33）式 Tu = Lu / u1 –u1 为风速–Lu 为尺度常数是一个只与风杯本身物理性能有关的参数，同一类的风杯风速计这一数值是固定的245.2.2 风杯风速计的惯性（续）•过高效应•过高效应还会受到其它两种影响：–垂直风速的影响–风向脉动的影响255.2.3 风车风速计和旋桨式风速计•桨叶式风速表是由若干片桨叶按一定角度等间隔地装置在一铅直面内，能逆风绕水平轴转动，其转速正比于风速•桨叶有平板叶片的风车式和螺旋桨式两种•最常见的是由三叶式四叶螺旋桨，装在形似飞机机身的流线形风向标前部，风向标使叶片旋转平面始络对准风的来向。

265.2.3 风车风速计和旋桨式风速计（续）•三轴风速计：利用三个风车风速计测量风速 x，y 和 z 分量的仪器275.3 散热式风速计•热力式风速表是被电流加热的细金属丝或微型球体电阻，放置在气流中，其散热率与风速的平方根成线性关系•通常在使加热电流不变时，测出被加热物体的温度，就能推算出风速•热力式风速表感应速度快，时间常数只有百分之几秒，在小风速时灵敏度较高，宜应用于室内和野外的大气湍流实验，也是农业气象测量的重要工具285.4 声学风速计•利用声波在大气中的传播速度与空气的温度和风速关系，测定风速•静止空气中的声速 C = (5.46)式•气温在20℃时，干空气的声速等于343.5m/s295.4 声学风速计（续）•实现模型 图5.22•把两个声波发射元件 G1 和 G2、两个接收元件 R1 和 R2 安置成图5.22的形式•R1 接收 G1 发射的声波•R2 接收 G2 发射的声波•同时测出时间 t1 和 t2，通过适当的电子线路的到t1+t2和t1-t2的数值305.4 声学风速计（续）•通过（5.49）式计算出静止空气的声速，而后带入（5.48）式计算风速 V 在 x 方向的分量。

315.4 声学风速计（续）•现行的超声风速计的发射头和接收头是共用的，这样可以简化整个探头架的结构，减小对流场的干扰•沿 y 轴 和 z 轴各装两对发射和接收装置，测定 V 在 y 和 z方向的分量325.4 声学风速计（续）•阴影效应：由于绕流的作用，迎风面的探头，在其背后会产生一定的尾流区域，这种现象将导致声波传播路径偏长，而使计算风速值偏低，这种效应称之为“阴影效应”•阴影效应的大小取决于探头的外形以及风矢量与超声探头轴线之间的夹角335.4 声学风速计（续）•当夹角为90度时，阴影效应为零•Kaimal设计的 STA-211/3K 型超声风速计（图5.23），被视为超声风速计的标准型号其阴影效应的订正公式为（5.52）式345.4 声学风速计（续）•花房龙男等人对日本海上电机生产的TR-61 超声风速计探头的实验结果还表明：阴影效应影响的程度还与风速大小有关，风速在5m/s以下阴影效应明显•阴影效应还有可能受到探头主支架的干扰，过于粗大、复杂的支架极不可取355.5 风速检定设备365.5.1 旋臂机•主要部件是一根水平旋转臂，固定在一根垂直于水平面的旋转主轴上，杆的前端的仪器支架可安装待检定的风速计，垂直轴可由马达带动旋转，使仪器在XY平面内作等速圆周运动（图5.26）•其前端的线速度就相当于仪器不动时气流的速度。

375.5.1 旋臂机（续）•优点：–可以标定相当低的风速–通过旋转臂转速很容易确定风速–旋转臂的转速可以靠控制电动机或变速箱来改变•缺点：–当旋转臂转速加大后，会带动室内空气，失去相对静止状态，造成检定误差385.5.2 风洞•风洞是一种进行流体力学、航空模型试验以及环境问题实验的大型设备•在这种管道系统里，动力风扇造成空气流动，并在它的实验空间造成一个稳定、均匀的流场•流速可以调整专门进行风速计检定的风洞，风速范围在0.5~60m/s395.5.3 风速检定的测量标准—皮托管•是风洞中的测风标准•构造如图5.32405.5.3 风速检定的测量标准—皮托管（续）•压差的测量仪器是微压计•其中一种是斜压管，如图5.34•皮托管的缺点十分明显：–压差和风速的非线性关系–在低风速时灵敏度低，低于1m/s的风速难以检定415.5.3 风速检定的测量标准—皮托管（续）•为了比较精确地测定皮托管的微压，研制了一种类似达因式风压计的微压计，称作沉钟式微压计它的液体柱高度测量精度可以达到0.01mm•结构如图5.3542风的测量目前存在的问题1.资料代表性差2.测风仪器不统一43补充：轻便风速表 •构造：–风杯感应部分–机械指示部分•感应部分：四个半球形风杯•刻度盘中心大指针指示十位数和个位数，右边小指针指示百位数，左边小指针指示千位数。

44补充：轻便风速表（续）•仪器的右下方有一启动开关将它拉起或按下，就可以使刻度盘内的齿轮部分与中心轴下部的螺纹相接或离开•轻便风速表一般用于小气候观测 或 特殊观测45补充：轻便风速表（续）•使用：–仪器安置在四面开阔不阻碍风速的地方，高度可以根据观测目的来确定，要注意保持表身垂直且读数方便–风速表在观测前，应读出所有指针示度记入观测薄中46补充：轻便风速表（续）–到观测时间，拉启动开关，使风杯与数字盘接通，同时，应开动秒表，观测者需向仪器背风面后退数步，以免影响仪器附近的空气自由流通–到了预定时间时，关闭启动开关，记下第二次指针示度–根据两次读数算出其差数，并记入观测薄内47补充：轻便风速表（续）•其差值表示：开关从打开到关闭时间间隔内，风速表指针所走过的刻度数（米），将此差数除以指针所走的持续时间（秒），则为每秒刻度，准确到一位小数•计算出的刻度数经过所附检定表订正后，就得到所测的风速。