气流的测量2010资料

气流的测量2010资料第1页/共70页2本章要求掌握气流测量的主要仪器的基本原理、结构、特点。第2页/共70页3主要内容概述风向的测量旋转式风速计散热式风速计声学风速计风速检定设备激光风速仪第3页/共70页4概述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、强的对流云第4页/共70页5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5页/共70页6瞬时量、平均量都可以认为是“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。第6页/共70页7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0.25m/s时称为静风。风级也是一种表达风力的常用单位第7页/共70页8第8页/共70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。第9页/共70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70页115.1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。第11页/共70页125.1.1风向标外形分四部分：风尾指向杆平衡重锤旋转主轴第12页/共70页13第13页/共70页14第14页/共70页15第15页/共70页16World'slargestweathervaneinJerez,Spain第16页/共70页175.1.2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。第17页/共70页185.1.3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。实际风向角——二进制码——格雷码第18页/共70页19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19页/共70页205.1.4风向标动态参数的选择优良风向标：准确的反应不断变化的风向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。第20页/共70页215.1.4风向标动态参数的选择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)

0.3<ζ<1.0(阻尼比)风速范围为0.5~60m/s线性度和分辨率为±2°~±5°第21页/共70页225.2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：半球形的空心杯壳组螺旋桨叶片组平板叶片组第22页/共70页235.2.1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23页/共70页245.2.1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。第24页/共70页255.2.1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。风速越大，摩擦力矩所占的比例越低。第25页/共70页265.2.2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26页/共70页275.2.2风杯风速计的惯性（续）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。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27页/共70页285.2.2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28页/共70页EL型电接风向风速计1.基本组成（1）感应器

a.风速部分的组成及各部分的作用

b.风向部分的组成及各部分的作用（2）指示器

a.瞬时风速指示部分

b.瞬时风向指示部分（3）记录器

a.瞬时风速记录部分

b.瞬时风向记录部分第29页/共70页感应器

风向部分由风向标、风向方位块、导电环、接触簧片等组成；风速部分由风杯、交流发电机、蜗轮等组成。第30页/共70页第31页/共70页电接风向风速计记录器电接风向风速计指示器第32页/共70页335.2.3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33页/共70页345.2.3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34页/共70页35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/间隔时间第35页/共70页365.3散热式风速计基本原理：一个被加热物体的散热速率与周围空气的流速有关。热线风速仪（HotwireAnemometer）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。TypicalHot-WireAnemometer第36页/共70页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.第37页/共70页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c≈0.5第38页/共70页39合并以上三式，消去h，可得进一步解得第39页/共70页40恒温式恒流式第40页/共70页41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41页/共70页42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42页/共70页43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：金属丝过细，易断；对工作环境要求较高，灰尘不易过多。第43页/共70页44Hotwireanemometerprobe第44页/共70页45Theheadofacombinedairvelocityandairtemperaturesensor,typeCAFS-220.第45页/共70页465.4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。静止空气中的声速气温在20℃时，干空气的声速等于343.5m/s。第46页/共70页第47页/共70页485.4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48页/共70页495.4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”。第49页/共70页50补充：声风速仪/温度计（续）

现有的探头款型:“K”style“A”style“Sx”style

"K"型传感器设计主要用于大气边界层研究也适合多种风速风向的研究工作"Sx"型传感器适合环境监测应用测量水平风速"A"型传感器非正交的设计，用于多种用途第50页/共70页51

"Vx"型传感器用于植物与森林冠层的通量研究（风速很低，风向变化很快）

"V"型传感器，专门用于紊流研究（涡相关研究）“Vx”style“V”style第51页/共70页52一、概述：激光风速仪（LaserDopplerAnemometerLDA;LaserDopplerVelocimeterLDV)是建立在激光技术和多普勒频移原理基础上，通过频率测量来测定风速的（FV）。激光通过大气层时，大气层中的气溶胶粒子对入射光有散射效应，而运行的气溶胶粒子将使散射光的频率产生多普勒频移效应。在接收器内比较发射的参考光和散射光的频差，就可确定运载气溶胶粒子（Aerosolparticle)的气流速度。

5.5激光风速仪第52页/共70页53激光风速仪（LDA）优点：

1、可远距离遥测，响应速度快；

2、完全不干扰自然流场。激光风速仪的机构：

1、激光器；2、入射光学单元；3、收集光学单元；4、多普勒信号处理单元、5、数据处理系统。激光测速仪存在的问题：激光风速仪测得的风速并不是真正的大气流动速度，而是悬浮于气流中的散射粒子的运动速度。因为粒子与流体的密度有显著差异，粒子不可能完全跟随流体运动，其速度总会有差异第53页/共70页545.6风速检定设备旋转臂风洞皮托管第54页/共70页555.5.1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55页/共70页565.6.1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56页/共70页575.6.2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57页/共70页58HDF-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58页/共70页595.6.3风速检定的测量标准—皮托管原理：通过测量压力来测量流速皮托管是风洞中的测风标准。构造如图第59页/共70页605.6.3风速检定的测量标准—皮托管（续）压差的测量仪器是微压计。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。压力传感器第60页/共70页61标准风洞风速检定装置第61页/共70页62风的测量目前存在的问题资料代表性差测风仪器不统一。第62页/共70页63补充：DEM6型轻便三杯风向风速表DEM6型轻便三杯风向风速表用于测量风向和一分钟时间内平均风速。该产品是机械式观测仪器，由风向、风速两部分组成。仪表表盘、方向盘指示风速、风向示值。使用方便，既可手持使用，也可安置固定使