大气探测学 气流的测量.

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1、1 气流的测量 2 本章要求 l掌握气流测量的主要仪器的基本原理、结 构、特点。 3 主要内容 l概述 l风向的测量 l旋转式风速计 l散热式风速计 l声学风速计 l风速检定设备 l激光风速仪 4 概述 l空气的运动产生气流。 l流速是一个三维空间矢量。 l一般考虑为（xy平面）二维矢量： l风速模值 l风向方向 l一些特殊情况下，垂直运动也相当显著 l如山的背风坡、强的对流云 5 l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 l气流测量包括：瞬时量、平均量 两部分 l“平均值”：指在一定时段内的平均 l“瞬时值”：在一个相当短的时段内的平均 6 l瞬时量、平均

2、量都可以认为是“光滑值”，光滑时 段的长短，取决于仪器和实际需要 l风速的单位：m/s l天气报告中 l风速：2min的平均风速 l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。 7 l风向是指风的来向。 l风向的英文缩写符号纪录如图5.1 l北：North 东：East l南：South 西：West l当风速低于 0.25 m/s 时称为静风。 l风级也是一种表达风力的常用单位 8 9 l1805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。 l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

3、风速。 l地面风指离地平面10-12米高的风。 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 00.211 静，烟直上。 1软风 0.31.515130.1 烟能表示风向，但风向标尚不能指示风 向。 2轻风 1.63.3611460.2 人面感觉有风，树叶有微响，风向标能 随风转动。 3微风 3.45.412197100.6 树叶与微枝摇动不息，旌旗展开。 4和风 5.57.9202811161.0 灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动。 5劲风 8.010.7293817212.0 有叶的小树枝摇动，内陆水面有小波浪 。

4、6强风 10.813.8394922273.0 大树枝摇动，电线呼呼有声，打伞困难 。 7疾风 13.917.1506128334.0 全树摇动，逆风步行感到困难。 8大风 17.220.7627434405.5 树枝折断，逆风行进阻力甚大。 9烈风 20.824.4758841477.0 发生轻微的建筑破坏。 10狂风 24.528.48910248559.0 内陆少见，有些树木拔起，建筑物破坏 较重。 11暴风 28.532.6103117566311.5 极少遇到，伴随着广泛的破坏。 12飓风 32.71186414.0 11 5.1 风向的测量 l风向标是一种应用最广泛 的测量风向仪器

5、的主要部 件，由水平指向杆、尾翼 和旋转轴组成。 l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。 12 5.1.1 风向标 l外形分四部分： 风尾 指向杆 平衡重锤 旋转主轴 13 14 15 16 Worlds largest weather vane in Jerez, Spain 17 5.1.2 风向标的设计要求 在小风时能反应风向的变动，即有良好 的启动性能； 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。 18 5.1.3 传递和指示风向 l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

6、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。 l精确的方法有自整角机和光电码盘。 l实际风向角二进制码格雷码 19 l用光电转换方 法把风向角度 转换成二进制 的角度编码 l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 。 20 5.1.4 风向标动态参数的选择 l优良风向标：准确的反应不断变化的风 向 l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。 21 5.1.4 风向标动态参数的选择 l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，

7、（e = 2.71828) 2. 0.3 1.0 (阻尼比) 3.风速范围为 0.5 60 m/s 4.线性度和分辨率为 2 5 22 5.2 旋转式风速计 l感应部分是一个固定在转轴上的感应风的 组件。 l常见的有三种型式： l半球形的空心杯壳组 l螺旋桨叶片组 l平板叶片组 23 5.2.1 风杯风速计的感应原理 l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。 l在风力作用下，风杯绕 转轴旋转，其转速正比 于风速。 l转速可以用电触点、测 速发电机、齿轮或光电 计数器等记录。 24 5.2.1 风杯风速计的感应原理（续） l在稳定的风力作

8、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。 l推导风杯的转速和风速的关系，用 Ramachandran的结果。 25 5.2.1 风杯风速计的感应原理（续） l两点推论： 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。 26 5.2.1 风杯风速计的感应原理（续） l图5.9 一个典型的风杯风速计的检定曲线 。 l在接近零风速时，曲线明显弯曲。 ln=0时，曲线与纵坐标轴相交于umin处， 称为umin启动风速。 l在风速较大时，n与u能保持较好的线性关

9、 系。 27 5.2.2 风杯风速计的惯性 l风杯达到匀速转动的时间要比风速的变化 来得慢（滞后性）。 l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。 28 5.2.2 风杯风速计的惯性（续） l风杯风速计的时间常数 Tu，（5.33）式 Tu = Lu / u1 lu1 为风速 lLu 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。 29 5.2.2 风杯风速计的惯性（续） l风速在020m/s时，利用风杯测定风速比较准 确。 l同

10、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。 l试验证明：三杯比四杯好，圆锥形比半球形好 。 30 5.2.2 风杯风速计的惯性（续） l过高效应：风杯风速计指示的平均风速将 高于实际平均风速。 l过高效应还会受到其它两种影响： l垂直风速的影响 l风向脉动的影响 31 5.2.3 风车风速计和旋桨式风速计 l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。 l桨叶有平板叶片的风车式 和螺旋桨式两种。 l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

11、向标前部， 风向标使叶片旋转平面始 络对准风的来向。 32 5.2.3 风车风速计和旋桨式风速计（续） l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。 33 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 34 EN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 。 35 EY1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。 36 5.3 散热式风速计 l

12、基本原理：一个被加热 物体的散热速率与周围 空气的流速有关。 l热线风速仪（Hot wire Anemometer）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。 Typical Hot-Wire Anemometer 37 热线风速仪原理 电阻发热 对流热交换 I 输入电流, Rw 热线电阻, Tw 和Tf 分别为热线和气流温度, Aw 热线表面积, h 热线的热交换系数. 38 电阻随温度的变化 热交换系数随温度的变化 a，b，c由仪器定标得到，通常c0.5 39 合并以上三式，消去h，可得 进一步 解得 40 恒温式 恒流式 41 热线测量

13、的主要误差 l气温变化造成的误差 l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） l空气密度的改变造成的误差 42 l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。 l热线长度一般在0.5 2毫米范围，直径 在110微米范围， 材料为铂、钨或铂 铑合金等。 43 l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。 l缺点：金属丝过细，易断；对工作环境 要求较高，灰尘不易过多。 44 Hot wire anemometer probe 45 The h

14、ead of a combined air velocity and air temperature sensor, type CAFS-220. 46 5.4 声学风速计 l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。 l静止空气中的声速 l气温在20时，干空气的声速等于 343.5m/s。 47 由左图，当逆风发射时，T1发射，R1接收： 假设气流速度为v的三个分量为vx、vy、vz，声波从坐标原点到达某 一位相面（x,y,z)所需的时间为t时，则有： 设y和z等于零，等位相面到达点(d1,0,0)和 点(d2,0,0)的时间为t1和t2. 48 当顺风发射时，T2发射，

15、R2接收： （5.4.1） （5.4.2 ） 49 由（5.4.1)和(5.4.2)式可见，当风速为零时，声波到达两个方向相反 ，距离相等的接收器所需时间相等。即 而有风时 ，v0,vd0,t1t2.于是就利用这一原理，测量相对方向上声波脉冲的 传播时间之差，以测得风速，即： （5.4.3） 50 同理,y方向的风速分量vy的计算式为: （5.4.4） 51 同理,z方向的风速分量vz的计算式为: （5.4.5） 52 l由(5.4.3)可得结论: 声波沿声程方向顺风 传播和逆风传播的时 间差与沿声程方向的 风速成正比.由此可 知,声学风速仪的测 速技术就归之于测量 声波传播的时间差. l用适当的电子线路和 装置实现此项时间差 的测量,便可测得所 需风速及其分量. 53 54 5.4 声学风速计（续） l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。 l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。 55 5.4 声学风速计（续） l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”。 l阴影效应的大小取决于探头的