第五章气流的测量

• 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
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5.1.5 风向标动态参 数的选择（续）
2. 0.3 < ζ < 1.0 3. 风速范围为 0.5 ~ 60 m/s 4. 线性度和分辨率为 ±2°~
±5°
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地变为0时，因为惯性作用，
风杯将继续转动，不可能很快
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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。
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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
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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。
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• 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。
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• 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。
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风的测量目前存在的 问题
1. 资料代表性差 2. 测风仪器不统一。
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补充：轻便风速表
• 构造：
– 风杯感应部分 – 机械指示部分
• 感应部分：四个半球形 风杯
• 刻度盘中心大指针指示
十位数和个位数，右边
小指针指示百位数，左
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补充：轻便风速表（ 续）
5.4 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
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5.4 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
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5.5.1 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。
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5.5.2 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。
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5.2.1 风杯风速计的 感应原理（续）
• 两点推论：
①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。
②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。
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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。
– 风速表在观测前，应读出所有指 针示度记入观测薄中。
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补充：轻便风速表（ 续）
– 到观测时间，拉启动开关，使风 杯与数字盘接通，同时，应开动
秒表，观测者需向仪器背风面后
退数步，以免影响仪器附近的空 气自由流通。
– 到了预定时间时，关闭启动开关 ，记下第二次指针示度。
– 根据两次读数算出其差数，并记
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5.1.2 风向标的动态 特性
•略
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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
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环境中风向标动态响 应
•略
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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。
• 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
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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。
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• 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。 2020/3/19
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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
• 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
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5.2.3 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。
• 仪器的右下方有一启动开关。 将它拉起或按下，就可以使刻 度盘内的齿轮部分与中心轴下 部的螺纹相接或离开。
• 轻便风速表一般用于小气候观
测 或 特殊观测。
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补充：轻便风速表（ 续）
• 使用：
– 仪器安置在四面开阔不阻碍风速 的地方，高度可以根据观测目的 来确定，要注意保持表身垂直且 读数方便。
• 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。
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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
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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。 2020/3/19
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5.2.2 风杯风速计的 惯性（续）
接收装置，测定 V 在 y 和 z方
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5.4 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
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5.2.3 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。
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5.3 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。
5.4 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 。
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5.4 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
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
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5.5 风速检定设备
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5.5.1 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）
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• 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 2020/3/19
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• 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
• 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。
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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。 2020/3/19
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5.1.1 风向标
• 外形分四部分 ：
① 风尾 ② 指向杆 ③ 平衡重锤 ④ 旋转主轴
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风向标的设计要求
① 在小风时能反应风向的变动， 即有良好的启动性能；
② 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 。
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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°。
等于343.5m/s。
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5.4 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 2020/当3/19的电子线路的到t1+t2和t1-t2 30
入观测薄内。
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补充：轻便风速表（ 续）
• 其差值表示：开关从打开到关 闭时间间隔内，风速表指针所 走过的刻度数（米），将此差 数除以指针所走的持续时间（ 秒），则为每秒刻度，准确到 一位小数。
• 计算出的刻度数经过所附检定
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• 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。
2•020/流3/19速可以调整。专门进行风速 39
5.5.3 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
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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
• “平均值”：指在一定时段内
的平均
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• 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。
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• 热力式风速表感应速度快，时间常数只有百 分之几秒，在小风速时灵敏度较高，宜应用 于室内和野外的大气湍流实验，也是农业气 象测量的重要工具。
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5.4 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 C = (5.46)式
• 气温在20℃时，干空气的声速