氣流的測量精品課件

1、氣流的測量1第1頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四空氣的運動產(chǎn)生氣流。流速是一個三維空間矢量。一般考慮為（xy平面）二維矢量：風速模值風向方向一些特殊情況下，垂直運動也相當顯著如山的背風坡、強的對流云2第2頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四氣流場 = 大尺度的規(guī)則氣流 + 隨時間和空間隨機漲落的（中）小尺度湍流氣流測量包括：瞬時量、平均量 兩部分“平均值”：指在一定時段內(nèi)的平均“瞬時值”：在一個相當短的時段內(nèi)的平均3第3頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四都可以認為是“光滑值”。光滑時段的長短，取決于儀器和實際需要風速的單位：m/s天氣

2、報告中風速：2min的平均風速風向：10為一個單位，用電碼01，02，36表示，以正北為基準，順時針方向旋轉(zhuǎn)。4第4頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四風向是指風的來向。風向的英文縮寫符號紀錄如圖5.1北：North 東：East南：South 西：West當風速低于 0.25 m/s 時稱為靜風。風級也是一種表達風力的常用單位5第5頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四1805年英國人F蒲福根據(jù)風對地面（或海面）物體的影響，提出風力等級表，幾經(jīng)修改后得出蒲福風力等級表。目測風時，根據(jù)風力等級表中各級風的特征，即可估計出相應的風速。地面風指離地平面1012米高

3、的風。 6第6頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四蒲福風力等級表風力名稱相當于開闊平坦地面10米高處風速浪高陸上物理征象米/秒公里/時海里/時（米）0靜風00.211靜，煙直上。1軟風0.31.515130.1煙能表示風向，但風向標尚不能指示風向。2輕風1.63.3611460.2人面感覺有風，樹葉有微響，風向標能隨風轉(zhuǎn)動。3微風3.45.412197100.6樹葉與微枝搖動不息，旌旗展開。4和風5.57.9202811161.0灰塵和碎紙揚起，小樹枝搖動。5勁風8.010.7293817212.0有葉的小樹枝搖動，內(nèi)陸水面有小波浪。6強風10.813.8394922273.

4、0大樹枝搖動，電線呼呼有聲，打傘困難。7疾風13.917.1506128334.0全樹搖動，逆風步行感到困難。8大風17.220.7627434405.5樹枝折斷，逆風行進阻力甚大。9烈風20.824.4758841477.0發(fā)生輕微的建筑破壞。10狂風24.528.48910248559.0內(nèi)陸少見，有些樹木拔起，建筑物破壞較重。11暴風28.532.6103117566311.5極少遇到，伴隨著廣泛的破壞。12颶風32.71186414.07第7頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.1 風向的測量風向標是一種應用最廣泛的測量風向儀器的主要部件，由水平指向桿、尾翼和旋轉(zhuǎn)軸

5、組成。在風的作用下，尾翼產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使風向標轉(zhuǎn)動，并不斷調(diào)整指向桿指示風向。 8第8頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.1.1 風向標外形分四部分：風尾指向桿平衡重錘旋轉(zhuǎn)主軸9第9頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四風向標的設計要求在小風時能反應風向的變動，即有良好的啟動性能；具有良好的動態(tài)特性，即能迅速準確地跟蹤外界的風向變化。10第10頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四傳遞和指示風向風向標感應的風向必須傳遞到地面的指示儀表上，以觸點式最為簡單，風向標帶動觸點，接通代表風向的燈泡或記錄筆電磁鐵，作出風向的指示或記錄，但它的分辨只能做

6、到一個方位22.5。精確的方法有自整角機和光電碼盤。11第11頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.1.2 風向標的動態(tài)特性略12第12頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.1.3 風向平衡重錘對風向標動態(tài)特性的影響風向標的幾個主要動態(tài)特性參數(shù)：P107 三點結論13第13頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.1.4 風向連續(xù)變動環(huán)境中風向標動態(tài)響應略14第14頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.1.5 風向標動態(tài)參數(shù)的選擇統(tǒng)一風向標的特性指標，使各地氣象站上的風向資料具有可比形。世界氣象組織作了指導性的規(guī)定：在

7、風速2.58m/s時，風向標在1s內(nèi)使風向偏差衰減到初始值的 1/e，e = 2.71828。15第15頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.1.5 風向標動態(tài)參數(shù)的選擇（續(xù)） 0.3 1.0風速范圍為 0.5 60 m/s線性度和分辨率為 2 516第16頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.2 旋轉(zhuǎn)式風速計感應部分是一個固定在轉(zhuǎn)軸上的感應風的組件。常見的有三種型式：螺旋槳葉片組平板葉片組半球形的空心杯殼組17第17頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.2.1 風杯風速計的感應原理風杯由三個（或四個）半球形或拋物形空杯，都順一面均勻

8、分布在一水平支架上，支架與轉(zhuǎn)軸相連。在風力作用下，風杯繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速正比于風速。轉(zhuǎn)速可以用電觸點、測速發(fā)電機、齒輪或光電計數(shù)器等記錄。 18第18頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.2.1 風杯風速計的感應原理（續(xù)）在穩(wěn)定的風力作用下，風杯受到扭力矩作用而開始旋轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速與風速成一定的關系。推導風杯的轉(zhuǎn)速和風速的關系，用Ramachandran的結果。19第19頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.2.1 風杯風速計的感應原理（續(xù)）兩點推論：當風杯處于小風速時，必須考慮兩種摩擦力矩（動摩擦力矩、靜摩擦力矩）的影響。靜摩擦力矩是常數(shù)，動摩擦力矩應與

9、轉(zhuǎn)速成正比。風速越大，摩擦力矩所占的比例越低。20第20頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.2.1 風杯風速計的感應原理（續(xù)）圖5.9 一個典型的風杯風速計的檢定曲線。在接近零風速時，曲線明顯彎曲。n=0時，曲線與縱坐標軸相交于umin處，稱為umin啟動風速。在風速較大時，n與u能保持較好的線性關系。21第21頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.2.2 風杯風速計的慣性風杯達到勻速轉(zhuǎn)動的時間要比風速的變化來得慢（滯后性）。這種現(xiàn)象在風速由小變大時較為嚴重，如當風速較大，很快地變?yōu)?時，因為慣性作用，風杯將繼續(xù)轉(zhuǎn)動，不可能很快停下來。這樣，風速計所記

10、錄的風速要比實際風速為大。22第22頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.2.2 風杯風速計的慣性（續(xù)）風速在020m/s時，利用風杯測定風速比較準確。同時這種滯后性消除了許多風速脈動現(xiàn)象，因而，用風杯作感應器的風速表，測定平均風速比較好，而測瞬時風速則準確度較差。試驗證明：三杯比四杯好，圓錐形比半球形好。23第23頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.2.2 風杯風速計的慣性（續(xù)）風杯風速計的時間常數(shù) Tu，（5.33）式 Tu = Lu / u1 u1 為風速Lu 為尺度常數(shù)。是一個只與風杯本身物理性能有關的參數(shù)，同一類的風杯風速計這一數(shù)值是固定的。

11、24第24頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.2.2 風杯風速計的慣性（續(xù)）過高效應過高效應還會受到其它兩種影響：垂直風速的影響風向脈動的影響25第25頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.2.3 風車風速計和旋槳式風速計槳葉式風速表是由若干片槳葉按一定角度等間隔地裝置在一鉛直面內(nèi)，能逆風繞水平軸轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速正比于風速。槳葉有平板葉片的風車式和螺旋槳式兩種。最常見的是由三葉式四葉螺旋槳，裝在形似飛機機身的流線形風向標前部，風向標使葉片旋轉(zhuǎn)平面始絡對準風的來向。 26第26頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.2.3 風車風速計和旋槳

12、式風速計（續(xù)）三軸風速計：利用三個風車風速計測量風速 x，y 和 z 分量的儀器。27第27頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.3 散熱式風速計熱力式風速表是被電流加熱的細金屬絲或微型球體電阻，放置在氣流中，其散熱率與風速的平方根成線性關系。通常在使加熱電流不變時，測出被加熱物體的溫度，就能推算出風速。熱力式風速表感應速度快，時間常數(shù)只有百分之幾秒，在小風速時靈敏度較高，宜應用于室內(nèi)和野外的大氣湍流實驗，也是農(nóng)業(yè)氣象測量的重要工具。28第28頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.4 聲學風速計利用聲波在大氣中的傳播速度與空氣的溫度和風速關系，測定風速。

13、靜止空氣中的聲速 C = (5.46)式氣溫在20時，干空氣的聲速等于343.5m/s。29第29頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.4 聲學風速計（續(xù)）實現(xiàn)模型 圖5.22把兩個聲波發(fā)射元件 G1 和 G2、兩個接收元件 R1 和 R2 安置成圖5.22的形式。R1 接收 G1 發(fā)射的聲波R2 接收 G2 發(fā)射的聲波同時測出時間 t1 和 t2，通過適當?shù)碾娮泳€路的到t1+t2和t1-t2的數(shù)值。30第30頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.4 聲學風速計（續(xù)）通過（5.49）式計算出靜止空氣的聲速，而后帶入（5.48）式計算風速 V 在 x 方向

14、的分量。31第31頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.4 聲學風速計（續(xù)）現(xiàn)行的超聲風速計的發(fā)射頭和接收頭是共用的，這樣可以簡化整個探頭架的結構，減小對流場的干擾。沿 y 軸 和 z 軸各裝兩對發(fā)射和接收裝置，測定 V 在 y 和 z方向的分量。32第32頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.4 聲學風速計（續(xù)）陰影效應：由于繞流的作用，迎風面的探頭，在其背后會產(chǎn)生一定的尾流區(qū)域，這種現(xiàn)象將導致聲波傳播路徑偏長，而使計算風速值偏低，這種效應稱之為“陰影效應”。陰影效應的大小取決于探頭的外形以及風矢量與超聲探頭軸線之間的夾角。33第33頁，共48頁，20

15、22年，5月20日，8點4分，星期四5.4 聲學風速計（續(xù)）當夾角為90度時，陰影效應為零。Kaimal設計的 STA-211/3K 型超聲風速計（圖5.23），被視為超聲風速計的標準型號。其陰影效應的訂正公式為（5.52）式。34第34頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.4 聲學風速計（續(xù)）花房龍男等人對日本海上電機生產(chǎn)的TR-61 超聲風速計探頭的實驗結果還表明：陰影效應影響的程度還與風速大小有關，風速在5m/s以下陰影效應明顯。陰影效應還有可能受到探頭主支架的干擾，過于粗大、復雜的支架極不可取。35第35頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.5

16、風速檢定設備36第36頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.5.1 旋臂機主要部件是一根水平旋轉(zhuǎn)臂，固定在一根垂直于水平面的旋轉(zhuǎn)主軸上，桿的前端的儀器支架可安裝待檢定的風速計，垂直軸可由馬達帶動旋轉(zhuǎn)，使儀器在XY平面內(nèi)作等速圓周運動（圖5.26）其前端的線速度就相當于儀器不動時氣流的速度。37第37頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.5.1 旋臂機（續(xù)）優(yōu)點：可以標定相當?shù)偷娘L速通過旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速很容易確定風速旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)速可以靠控制電動機或變速箱來改變?nèi)秉c：當旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速加大后，會帶動室內(nèi)空氣，失去相對靜止狀態(tài)，造成檢定誤差。38第38頁，共48頁，2022

17、年，5月20日，8點4分，星期四5.5.2 風洞風洞是一種進行流體力學、航空模型試驗以及環(huán)境問題實驗的大型設備。在這種管道系統(tǒng)里，動力風扇造成空氣流動，并在它的實驗空間造成一個穩(wěn)定、均勻的流場。流速可以調(diào)整。專門進行風速計檢定的風洞，風速范圍在0.560m/s。39第39頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.5.3 風速檢定的測量標準皮托管是風洞中的測風標準。構造如圖5.3240第40頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.5.3 風速檢定的測量標準皮托管（續(xù)）壓差的測量儀器是微壓計。其中一種是斜壓管，如圖5.34皮托管的缺點十分明顯：壓差和風速的非線性關

18、系在低風速時靈敏度低，低于1m/s的風速難以檢定。41第41頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四5.5.3 風速檢定的測量標準皮托管（續(xù)）為了比較精確地測定皮托管的微壓，研制了一種類似達因式風壓計的微壓計，稱作沉鐘式微壓計。它的液體柱高度測量精度可以達到0.01mm。結構如圖5.3542第42頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四風的測量目前存在的問題資料代表性差測風儀器不統(tǒng)一。43第43頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四補充：輕便風速表 構造：風杯感應部分機械指示部分感應部分：四個半球形風杯刻度盤中心大指針指示十位數(shù)和個位數(shù)，右邊小指針指示百位數(shù)，左邊小指針指示千位數(shù)。44第44頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四補充：輕便風速表（續(xù)）儀器的右下方有一啟動開關。將它拉起或按下，就可以使刻度盤內(nèi)的齒輪部分與中心軸下部的螺紋相接或離開。輕便風速表一般用于小氣候觀測 或 特殊觀測。45第45頁，共48頁，2022年，5月20日，8點4分，星期四補充：輕便風速表（續(xù)）使用：儀器安置在四面開闊不阻礙風速的地方，高度可以根據(jù)觀測目的來確定，要注意保持表身垂直且讀數(shù)方便。風速表在觀測前，應讀出所有指針示度記入觀測薄中。46第46頁，共48頁，2022年，5月20日，