第五章气流的测量课件.ppt

第五章 气流的测量 向卫国 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 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 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。 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 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。 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。 蒲福风力等级表 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。 5.1.1 风向标 外形分四部分： 风尾 指向杆 平衡重锤 旋转主轴 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。 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。 5.1.2 风向标的动态特性 略 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 5.1.4 风向连续变动环境中风向标动态响应 略 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： 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。 5.1.5 风向标动态参数的选择（续） 0.3 ζ 1.0 风速范围为 0.5 ~ 60 m/s 线性度和分辨率为 ±2°~ ±5° 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 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。 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。 5.2.1 风杯风速计的感应原理（续） 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。 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。 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。 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。 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。 5.2.2 风杯风速计的惯性（续） 过高效应 过高