气流的测量课程

气流的测量课程第1页/共84页2空气的运动产生气流（风）。流场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、强的对流云应用专业应用：天气、气候分析环境、建筑、风能利用、飞行、航海、运动…第2页/共84页3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第3页/共84页4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(3秒，1min，2min，10min)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。（WMO，度为单位；人工观测为16个方位）第4页/共84页5地面气象观测测量项目：–瞬时风向、风速–正点前十分钟平均风速、平均（最多）风向–极大风速及其风向、出现时间–最大十分钟平均风速及其平均（最多）风向、出现时间专业气象测量项目:–风的脉动、风向标准差、风压第5页/共84页6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第6页/共84页7第7页/共84页8第8页/共84页91805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。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。当风速低于0.25m/s时称为静风“C”。风级也是一种表达风力的常用单位

第9页/共84页10蒲福风力等级表风力名称相当于开阔平坦地面10米高处风速浪高陆上物理征象米/秒公里/时海里/时（米）0静风0－0.2<1<1－静，烟直上。1软风0.3－1.51－51－30.1烟能表示风向，但风向标尚不能指示风向。2轻风1.6－3.36－114－60.2人面感觉有风，树叶有微响，风向标能随风转动。3微风3.4－5.412－197－100.6树叶与微枝摇动不息，旌旗展开。4和风5.5－7.920－2811－161.0灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动。5劲风8.0－10.729－3817－212.0有叶的小树枝摇动，内陆水面有小波浪。6强风10.8－13.839－4922－273.0大树枝摇动，电线呼呼有声，打伞困难。7疾风13.9－17.150－6128－334.0全树摇动，逆风步行感到困难。8大风17.2－20.762－7434－405.5树枝折断，逆风行进阻力甚大。9烈风20.8－24.475－8841－477.0发生轻微的建筑破坏。10狂风24.5－28.489－10248－559.0内陆少见，有些树木拔起，建筑物破坏较重。11暴风28.5－32.6103－11756－6311.5极少遇到，伴随着广泛的破坏。12飓风32.71186414.0

第10页/共84页11平均风和最多风向•瞬时风速u，瞬时风向D•平均风速u，平均风向D，瞬时风速的平均值•脉动风速u’，脉动风向D’，平均风与瞬时风的差•V=V+V’u=u+u’,v=v+v’,w=w+w’•算术平均•矢量平均•滑动平均第11页/共84页12平均风和最多风向•风向过零问题–风向在零度附近变化时，风向平均值失真–例：（350+10+355+5）/4=180–由于北风附近不连续引起。•解决方法–先从每一个测量值Di求出最大风向值Dm，如果Dm-Di>180，则Di=Di+360，然后计算算术平均。–单位矢量算法，把每一个Di作为单位矢量分解成Dx、Dy，最后计算所有Di的矢量合成，得到平均风向。第12页/共84页135.1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、平衡重锤和旋转轴组成。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。第13页/共84页145.1.1风向标外形分四部分：风尾指向杆平衡重锤旋转主轴第14页/共84页15第15页/共84页16第16页/共84页17风向标的设计要求灵敏性：在小风时能反应风向的变动，即有良好的启动性能；动态特性：良好的动态特性，即能迅速准确地跟踪外界的风向变化。增加灵敏度：减少轴摩擦、加大尾翼、加长后杆。第17页/共84页18对风向标的要求

–转轴摩擦力小，起动风速小

–平衡锤与尾翼平衡良好

–具有良好的动态特性第18页/共84页195.1.5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性。世界气象组织作了指导性的规定：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=2.71828。第19页/共84页205.1.5风向标动态参数的选择(续)

0.3<ζ<1.0风速范围为0.5~60m/s线性度和分辨率为±2°~±5°第20页/共84页21风向信号的转换与记录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。实际风向角——二进制码——格雷码第21页/共84页22用光电转换方法把风向角度转换成二进制的角度编码使用格雷码，其最大的优点是每一个角度状态的变化只有一位二进数发生0/1的变化。第22页/共84页235.2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第23页/共84页245.2.1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。第24页/共84页255.2.1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。（在xy平面旋转）推导风杯的转速和风速的关系，用Ramachandran的结果。第25页/共84页265.2.1风杯风速计的感应原理（续）两点注意：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。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。（见公式5.27）

M=2Nu2-Dun=B1n+B0（5.27）

n=(2Nu2-B0)/(B1+Du)(5.28)n≈2Nu/D（5.29）（摩擦力忽略）第26页/共84页275.2.1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。第27页/共84页285.2.2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）。这种现象在风速由大变小时较为严重，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。第28页/共84页295.2.2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。第29页/共84页305.2.2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第30页/共84页315.2.2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。第31页/共84页32旋转风杯风速计的感应原理一般由三个半球型的空心杯壳组成,杯壳固定在互成120度的支架上,杯的凹面顺着一个方向排列,支架固定在垂直的旋转轴上。在稳定的风力作用下,风杯受到扭力矩而开始旋转,它的转速与风速成一定关系。5.2.3风车风速计和旋桨式风速计第32页/共84页33风车（螺旋桨）风速计的感应原理

在风向尾翼的作用下，叶片旋转平面始终对准风的来向。叶片系统受到风压的作用，产生一定的扭力矩，使叶片旋转。转速与外界风速成正比。（yz平面旋转）第33页/共84页345.2.3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。第34页/共84页355.2.3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。第35页/共84页36风速信号的转换方法•电机式——风杯带动测速发电机，输出与转速（风速）成正比的电压讯号•电接式——风杯经变速机构输出代表一定风程的脉冲信号，计量规定间隔时间内脉冲信号的个数，得到该时段的平均风速等于该时段风程数/间隔时间EL电接风向风速计的十分钟平均风速部分，风杯每圈风程2.5，经80：1涡轮涡杆变速，每80圈相当于200米风程输出一个脉冲，相当于十分钟内200米/600秒=.33M/S第36页/共84页37EN型自动测风仪：定时打印输出瞬时、平均风向风速，并能挑选极值，进行统计。

第37页/共84页38EY1型电传风向风速仪：观测瞬时的风向风速，由感应部分和指示部分组成。

第38页/共84页395.3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。热线长度一般在0.5～2毫米范围，直径在1～10微米范围，材料为铂、钨或铂铑合金等。

第39页/共84页40优点：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，探头体积小，对流场干扰小，响应快，能测量非定常流速；宜应用于室内和野外的大气湍流实验。缺点：金属色过细，易断；对工作环境要求较高，灰尘不易过多。第40页/共84页415.3散热式风速计一、热线风速计其中：Rt为加热后金属丝阻值；t为金属丝温度；

Rθ为金属丝在环境温度下阻值；θ：环境温度。

被加热的金属丝在气流中散热，它的散热率与风速的大小有密切的关系，利用这一特性可制成测量风速的仪器。电流提供的热功率为：第41页/共84页42在风速v的气流中，一根垂直于气流的金属丝的散热率为：其中：A：分子散热作用，Bv1/2：气流作用，t-θ：热线与气温的差。当v较大时，可忽略分子散热作用项A，且热交换达到平衡时，则：第42页/共84页43•当热量平衡时dQ1=dQ2•恒温式：固定(t-θ)，v由i确定•恒流式：固定i，v由(t-θ)确定•直热式热线风速仪

–恒温式、恒流式•旁热式热线风速仪第43页/共84页44热线测量的主要误差气温变化造成的误差测风热线方向与气流方向不垂直造成的误差（要求夹角10度）空气密度的改变造成的误差第44页/共84页455.4声学风速计利用声波在大气中的传播速度与空气的温度、湿度、气压和风速关系，测定风速。静止空气中的声速C=20.067（Tvs）1/2Tvs=T（1+0.32e/p）气温在20℃时，干空气的声速等于343.5m/s。第45页/共84页46超声风速计声波在大气中的传播速度为该温、压、湿条件下声波传播速度与气流速度的代数和。测定顺风传播和逆风传播的时间差，可以确定气流的速度。第46页/共84页47第47页/共84页485.4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。第48页/共84页495.4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。第49页/共84页505.4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。第50页/共84页515.4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。第51页/共84页525.4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。第52页/共84页535.4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。第53页/共84页54补充：声风速仪/温度计（德国）

声波风速仪/温度计是一基于微机，能以可靠的精度进行一到三维风速测量的风传感器。仪器设计成通过沿着在固定而又互相垂直方向发射与接受声波讯号来测量风速的分量，微机随后处理这些信息进行三维声速计算。因无移动部件介入气流的动力平衡，声波风速仪/温度计能快速响应风速的起伏，它线性响应声速，而且不受其它速度分量及压力、温度和相对湿度的干扰。传感器的标定由设计参量确立，因此可用作绝对测量仪器。第54页/共84页55补充：声风速仪/温度计（续）探头阵列的设计最大限度减小了由支架导致的气流扭变，达到了垂直分量的无障碍广范围覆盖。阵列可任意指向，但理想情况垂直轴应装在两水平轴的上风处。压电晶体制的换能器完全密封，适用于苛刻的室外使用条件。第55页/共84页56补充：声风速仪/温度计（续）电子器件全部装在探头杆架中。这样仪器就可安装在塔顶运行，经得起十分恶劣的环境条件考验。换能器的运行，声波函数及所有数据的计算和传输，均由微机控制。第56页/共84页57补充：声风速仪/温度计（续）声波风速仪/温度计的数据是数字型的。输出是RS232兼容的UART非同步格式。数据是ASCII十进制，可直接连接计算机，传输到任何的数据记录装置，或者也可是终端直读的格式。温度信息是测风的声波温度，由所测垂向声波的计算而得。第57页/共84页58补充：声风速仪/温度计（续）

现有的探头款型:第58页/共84页59补充：声风速仪/温度计（续）

特点：单分量风速快速响应温度极端精确微机控制固态数字运算无活动部件无人监管运行易安装抗糙建构低功耗直流电源第59页/共84页60补充：声风速仪/温度计（续）

功能:

可由串行口遥控内标定保持精度用户程选数据采样率，平均范围：1分钟至200Hz选择数据平均或中位过滤数种输出格式可选数种波特率可选同步声波运算至外部触发可输出触发脉冲给其它仪器选择“声速”和/或“温”度输出输入RH值以获更精确的温度输出用户调整温度计算改变风速﹑风向的水平速度矢量而保持垂直分量及温度选择数据质量计算方法去除尖峰用户调整数据质量的计算可在输出格式中提供数据质量状态气流扭变校准可“开”或“关”用户调整气流扭变校准的计算第60页/共84页615.5风速检定设备第61页/共84页625.5.1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。第62页/共84页635.5.1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。第63页/共84页645.5.2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/s。第64页/共84页65HDF-500型回路低速风洞用于检定各种型号的高、中、低速风速度，也可用于交通、环保、科研等部门进行空气动力学方面的研究。该机采用最新的高密度集成电路的超低噪音变频调速，调速范围、测量精度等方面达到了国际先进水平。

第65页/共84页665.5.3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5.32第66页/共84页675.5.3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。第67页/共84页685.5.3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5.35第68页/共84页69风的测量目前存在的问题资料代表性差测风