第二章 自然风特性
第2章 气候系统组成及基本特性
蕨類植物（孢子）
經由碳14定年的技術，可以透過沈積 孢粉化石 冰芯 樹木年輪 珊瑚化石 歷史文獻 物的有機質中碳14的含量知道這些含有 各類孢粉組合沈積物的年代
孢粉化石 冰芯 樹木年輪 珊瑚化石 歷史文獻
從冰芯樣品中，能測定冰川的年 齡及其形成過程等古氣候資料。
孢粉化石 冰芯 树木年轮 珊瑚化石 历史文献 冬季气温低，雪粒细而紧密。 夏季氣溫高，雪粒粗而疏松。
来制约其全球行为，它们是太阳辐射和重力。
在外强迫中必须把太阳辐射看成是主要因子，它提
供了驱动气候系统的几乎所有能量。一部分太阳辐 射转换成供大气和海洋环流耗散掉的能量。
由于摩擦、扩散及其不可逆过程的发生，气候系统
必须看成是一个高度耗散系统。
2. 各个气候子系统之间显著的热力学和动力学属性差异 1) 热力属性: 空气、水、陆地表面和冰雪面的温度 2) 动力属性：风、洋流及其垂直运动和冰体运动 3) 水分属性：空气湿度、云量、降水量、土壤湿度、 河湖水位、冰雪等。 4) 静力属性：大气和海水的密度、压强、大气的组成、 海水盐度及气候系统的几何边界和物理常数等。
赤道与极地温差、地表和大气高层的温差、海陆的热 力差异、海陆分布引起的南北半球的热力差异等等
大气热机运转
气候系统的物理过程与生命周期为2-3周以内的大尺度 天气系统的物理过程相比，气候系统的外部加热起着举 足轻重的作用。
大尺度天气系统的第一近似可视为绝热系统，而气候系
统则必须考虑非绝热加热。 这些物理、化学过程主要包括：辐射过程、云过程、陆 面过程、海洋过程、冰雪过程、气溶胶过程、碳循环及 生物过程
负反馈：
（中低）云量多——太阳辐射少——稳定度大——云量少 蒸发量大——水面温度低——蒸发量小 赤道、极地温差大——热量输送大——赤道、极地温差小
自然风特性
L =
z w
1
σ
2 w
∫
∞
0
Rw1w2 ( x ) dx
x y 欧美规范：Lu = 2.93z Lv = 0.73z Lzw = 0.38z x y Lu : Lv : Lz = 1 : 0.25 : 0.125 w
x 紊流尺度：Lu = 5 Lu
(Turbulence Scale)
自然风：Lxu = 200m ~ 250m 比例：1:1000~1:500 x 风洞中：Lu = 0.2m ~ 0.5m
nS ( z, n) 3.36 f = 2 u* 1+10 f 5/3
5.3 巴斯金理论
(1)巴斯金谱
风压相关系数: R (τ ) = e−α τ ( cos βτ + µ sin β τ
2 γ0 ω4 + γ 3 巴斯金谱: S (ω) = 4 π ω4 + 2γ1ω2 + γ 2
)
(2) Chuen谱
4.3 积分尺度——Integral Scale(相关区域) 积分尺度矩阵：
L =
x u
x Lu x Lv Lx w y Lu y Lv y Lw z Lu Lz v Lz w
1
σ
2 u
∫
∞
0
Ru1u2 ( x )dx
L =
y v
1
σ
2 v
∫
∞
0
Rv1v2 ( x )dx
Iu = Iv =
σu
U
σv
U
Iw =
ห้องสมุดไป่ตู้σw
U
欧美规范: Iu : Iv : Iw = 1: 0.8: 0.5 中国规范: Iu : Iv : Iw = 1: 0.88: 0.52 σu 1 = 近似公式: Iu =
自然风的1-f紊动特性的研究现状与展望 .doc
自然风的1/f紊动特性的研究现状与展望摘要：自然通风是人们乐于接受的通风方式，便其中的原因还没有得到全面、彻底的解释。
有学者发现1/f紊动特性是自然界普遍存在的信号紊动规律，人类的许多生理信号都具有1/f紊动特性，而且人体视觉、听觉对1/f紊动信号也有很好的认同感。
日本的学者在80年代初就发现室外自然风同样具有1/f紊动特性，并提出这很可能是自然通风带给人舒适性的一个重要原因。
近年来国内外的学者在研究气流紊动特性的描述方法，研制能产生1/f紊动特性气流的机械送风装置等方面进行了尝试。
本文综述了该方面相关课题的国内外的研究进展，并指出还有不少有关气流紊动的基础性机理问题有先进于进一步的研究。
关键词：自然风舒适性能1/f紊动特性 1 引言自然通风是人们乐于接受的通风方式，除了能减少传统空调制冷系统的使用，降低能耗外，其更有利于人的生理和心理健康也是其中一个重要原因。
各国的研究者在调查时均发现，人们对室外的自然风有着更好的接受性。
1992年，Fujii Haruyuki 和Lutzenhiser Loren [1] 在公款空调住宅的居民行为进行调查时发现，尽管许多家庭都配备有完善的空调装置，但大部分人都更喜欢打开窗户，依靠自然通风来保持室内物理环境，只有当自然通风无法保证室内环境时，人们才会使用空调设备，同年，Busch[2]对泰国曼保的两种类型（自然通风和空调）办公房间热舒适进行了实地调查，发现对于自然通风建筑，让人觉得舒适的环境温度明显高于通常的空调设计温度，其它学者在利比亚、中国等地的调研也得到了类似的结论[3][4][5]。
另一方面在实践中人们也发现人体对较高风速的自然风的长时间的耐受程度远远好于相同平均风速的机械风，以上的研究成果均表明在自然通风条件下，人体的热感觉要比温度相同的机械空调通风控制的环境来得舒适。
但是，其中的原因至今还没有得到一个被普遍接受的解释。
人体周围的气流的流动对人体的热感觉有着极为敏感的影响，关于自然风的风速脉动特征，日本的研究者们在80年代就发现其具有所谓1/f紊动特性（1/fluctuation）[6]并试图生产能够产生这种特征气流的空调设备。
同济大学—自然风特性(精)
1 极值Ⅱ型: U T b aexp{ln[ ln(1 )] /( )} T 1 极值Ⅲ型: U T b aexp{ln[ ln(1 )] / } T
重现期T 越大、期望风速UT 越大
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
3.3风速分布
数据抽样: 越界峰值、阶段极值 分布概型: 极值分布、皮尔逊分布、对数正态等 参数估计: 极大似然法、最小二乘法、矩法等 统计检验: 概率曲线相关系数法PPCC
粗糙层(Roughness Layer)：地表层底部10%，厚度10m左右 (地表粗糙元)
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1.2
Wind Speed (mph)
自然风纪录
60
503 ft. 210 ft.
40
40 ft.
20
0
1
2
3
5 Time (minutes)
4
6
7
8
图2 自然风实测纪录 (1)风速是脉动的，不是平稳的 (2)8分钟内的平均风速变化不大 (3)平均风速随高度增大 (4)脉动分量与平均风相比较小
Q S f f ij Si f S j f 2
2
(3)相关函数
互相关函数:
(4)能量与方差
1 Rij Sij exp i df ， i， j u , v, w 2
能量:
K j f1 , f 2
(1)水平脉动风谱 Von Karman谱:
Davenport谱:
nS n 4 f 2 2 5/ 6 u* 1 70.8 f x nLu 2 2 f ， u u* U nS n 4f 2 2 2 4/3 u* 1 f
某移动机库表面风场数值模拟
某移动机库表面风场数值模拟
郑欣豪;周凌;杨朝山;黄晓寒;任俊儒;戴睿熙
【期刊名称】《粉煤灰综合利用》
【年(卷),期】2018(0)6
【摘要】某大跨度机库采用索拱架式结构,整体跨度42 m,长70 m,由8榀标准的索拱架通过刚性系杆和斜向十字支撑连接组成,具有自重轻、刚度小,对风荷载敏感等特点.为了得到其表面风场,本文简要介绍了自然风特性,详细推导了基于AR模型模拟脉动风速的过程,并通过数值模拟计算了某索拱架式机库表面风场,最后自相关性分析和谱分析表明,模拟谱与目标谱(Davenport谱)吻合很好,结果有效.
【总页数】4页(P110-113)
【作者】郑欣豪;周凌;杨朝山;黄晓寒;任俊儒;戴睿熙
【作者单位】陆军勤务学院,重庆,400000;陆军勤务学院,重庆,400000;陆军勤务学院,重庆,400000;陆军勤务学院,重庆,400000;陆军勤务学院,重庆,400000;陆军勤务学院,重庆,400000
【正文语种】中文
【中图分类】TU311.4
【相关文献】
1.重力波波包在水平风场中非线性传播的数值模拟--Ⅱ.水平风场为非均匀风场 [J], 吴少平;刘晓慈
2.重力波波包在水平风场中非线性传播的数值模拟--Ⅰ.水平风场为均匀风场 [J],
吴少平;刘晓慈
3.基于ASCAT微波散射计风场与NCEP再分析风场的全球海洋表面混合风场 [J], 刘宇昕;张毅;王兆徽;叶小敏
4.基于脉动风作用下的大跨度桥梁拉索风场数值模拟 [J], 孙亭亭;杨吉新;黎建华;周兴宇
5.脉动风作用下近距离并列拉索风场数值模拟 [J], 孙亭亭;黄鹤;杨吉新;黎建华;周兴宇
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第6,7讲 风荷载_自然风特性
风速数值： 24.5 ～32.6m/s
土木工程系 黄林
第6，7讲 自然风特性
3.1 自然风特性
1. 风力等级
台风
强台风
超强台风
风速级别： 12 ~13级
风速级别： 14~15级
风速级别： ≥16级
风速数值： 32.7m/s~41.4m/s
风速数值： 41.5m/s~50.9m/s
0.16
0.05
C
树木及低层建筑物等密集地区、中高层建筑物 稀少地区、平缓的丘陵地
0.22
0.3
D 中高层建筑物密集地区、起伏较大的丘陵地
0.30
1.0
土木工程系 黄林
第6，7讲 自然风特性
3.1 自然风特性
2. 平均风速特性
(1). 风速剖面
600
梯度风 450
梯度风
300
梯度风
150
0 城市中心
5.5 13.9~17.1 11 暴风 11.5
16.0 28.5~32.6
8 大风 5.5
7.5 17.2~20.7 12 飓风 14
32.7~36.9
9 烈风 7.0
10.0 20.8~24.4
1989年世界气象组织定义了热带气旋名称和等级划分标准。
热带低压 风速 级别 6~7 级
热带风暴 8~9 级
海拔高 度(m)
506.1 3658.0 3000.0 14.1
风压(kN/m2) R=10 R=50 R=100 0.20 0.30 0.35 0.20 0.30 0.35 0.25 0.35 0.45 0.45 0.75 0.90
第6，7讲 自然风特性
3.1 自然风特性
脉动风紊流度的相关参数分析
脉动风紊流度的相关参数分析董新胜;张军锋;杨洋;管品武【摘要】从自然风的基本特性入手,在系统介绍相关背景参数和假定的基础上,包括平均风速剖面U(z)、粗糙高度z0、表面阻力系数κ、剪切速度u*、湍流幅值σu 以及零平面位移zd和参数β等,选择多国荷载规范对其紊流度I(z)取值进行对比分析.对比发现,尽管我国荷载规范GB 50009-2012在修订中提高了I(z)取值,但相较美国、日本和欧洲规范和我国公路桥梁抗风规范,其取值依然偏低,尤其对于A类和B类地区.另外,详细分析了I(z)与粗糙高度z0和表面阻力系数κ等参数的函数关系,为脉动风数值模拟的参数取值提供了参考.【期刊名称】《结构工程师》【年(卷),期】2019(035)003【总页数】6页(P155-160)【关键词】脉动风;紊流度;粗糙高度;表面阻力系数【作者】董新胜;张军锋;杨洋;管品武【作者单位】国网新疆电力公司电力科学研究院,乌鲁木齐830011;郑州大学土木工程学院,郑州450001;国网新疆电力公司电力科学研究院,乌鲁木齐830011;郑州大学土木工程学院,郑州450001【正文语种】中文0 引言受大气湍流和地表粗糙度的影响,自然风本身存在显著的脉动性,这也是结构顺风向风振的主要原因[1-3]。
准确地描述和确定自然风速的脉动性是结构风振效应试验或计算分析的基础。
尽管各国规范[4-8]都采用紊流度描述风速的脉动性,但各国规范紊流度的定义方式、具体取值以及基本假定都存在一定的差异。
尤其是紊流度的定义均针对具体的地貌类型,而各国规范对地貌类型的定义并不一致,这就给规范间的参考借鉴带来了诸多障碍。
随着我国工程界逐步走出国门承揽国际项目,有必要深入了解各国规范对紊流度的定义及差别,为国际工程设计咨询提供参考。
同时,对紊流度所涉及的相关背景参数的准确理解也是脉动风模拟的必要基础。
因此,本文从自然风的基本特性入手,在系统介绍相关背景参数的基础上,选择多国荷载规范如中国的GB 50009—2012和GB 50009—2001[4]、美国的ASCE7-10[5]、日本的AIJ-2004[6]、欧洲的EN-2010[7]以及公路桥梁抗风规范JTG D60-1—2004[8]等多部规范,对其紊流度取值进行对比分析。
脉动风时程模拟及应用
黄盼盼. 等 ：脉动风时程模拟及应用
159
完全可以忽略…1。受粗糙元影响的近地层大气层称为 “大 气 边界 层 ”。人 类 的 生 产 、生活主要处于大气边界
层内。大气边界层风场具有很高的湍流特性，大i t 的 实 测 风 速 数 据 表 明 ，大气边界层内的自然风可视作平 均风和脉动风的叠加[12]。 1 . 1 平均风基本特性
超过其 他 自 然 灾 害 （地 震 、水 灾 、火 灾 等 ）之和。特 别是近年来，随着构筑物趋向高、大 、柔方向发展，
风载荷已成为不可忽视的影响因素，很多规范对风载 荷 取 值 做 了 规 定 。考虑到风载荷与风速时程有直 接关系，为实 时 、直观展示风速时程，便于学生掌握 相 关 知 我 们 利 用 M A T L A B 编程模拟生成了脉动风。
ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
实验技术与管理 Experimental Technology and Management
第 38 卷 第 5 期 2021年 5 月 Vol.38 No.5 May 2021
D O I: 10.16791/ki.sjg.2021.05.032
A bstract: Nature wind at a point in space is composed o f average wind and fluctuating wind. The speed o f average wind does not change over time, and the speed o f fluctuating wind changes random ly over time. In this paper, the fluctuating wind is modeled as a stationary Gaussian stochastic process. To generate along-wind direction fluctuating wind, a procedure is programmed with MATLAB based on linear filtering method (AR model). Finally, the influence o f different wind speeds on the wind vibration response o f high-speed railway catenary is shown by using the generated fluctuating wind. The simulation power spectrum makes a good match with the target power spectrum. This method can be used in classroom teaching demonstration and experim ental teaching o f t4Wind engineering” ， which is helpful to improve students’ scientific research and practice ability. Key w ords: fluctuating wind; AR model; random process; contact wire
第二章园林生态园林植物与气象
▪ 1就是园林植物生殖器官得分化和形成所需 要一定日照长度得诱导。
▪ 2就是作物得正常光合 作用必须有适当得光 照强度和日照时间。
▪ 园林植物必须在适宜得光环境下才能良好地生长。在生 产中,只有根据园林植物得生态特性,选择适宜得环境栽 植,才能达到良好得园林绿化效果
(二)光合作用得影响因素 ▪ 光合作用就是一个在多种酶得催化下,绿色
植物吸收太阳得光能,把CO2和H2O合成有 机物,贮藏能量,同时释放氧气得过程。一切 与之相关因素得变 化都会影响光合作 用得效果。
1、 光 照
▪ 光照作用----提供能量,调节酶活性。 光饱和现象:光照增加到一定强度光合速率不再增加得现象。 光饱和点:刚刚达到光饱和现象时得光照强度。 光补偿点:光合作用吸收得CO2量与呼吸作用释放得CO2量相等
时得光照强度。 § 光补偿点以上,光饱和点 § 以下得区间内,光合速率 § 与光强成正比。
2、 二氧化碳
▪ CO2作用----提供原料 CO2饱和点:CO2浓度继续增加光合速率不再增加,此
时CO2得浓度称CO2饱和点。 CO2补偿点:光合作用吸收得CO2量与呼吸作用释放
得CO2量相等时得CO2浓度。 ▪ CO2 补偿点以上,CO2 饱和点以下得区间内,净光
(2)光谱各成分对植物得生态作用
▪ 在自然条件下,植物进行光合作用必须有太阳辐射作 为能源参与,但并非所有光均能被植物得光合作用所 利用。不同波段得辐射对植物生命有不同作用。
▪ A 波长大于1、00μm得辐射,可被植物转化为热能,不 参与光合作用。
▪ B 波长在1、00～0、72μm得辐射,只对植物起伸长 作用。
空气动力学基础
质量守恒定律是连续性定理的基础。
第二章 2第1 页
●连续性定理
1
A1,v1
2 A2,v2
单位时间内流过截面1的流体体积为 v1 A1
单位时间内流过截面1的流体质量为1 v1 A1 同理，单位时间内流过截面2的流体质量为 2 v2 A2
第二章 4第3 页
●驻点和最低压力点
A点，称为驻点，是正压最大的点，位于机翼前缘附近，该处气流 流速为零。
B点，称为最低压力点，是机翼上表面负压最大的点。
第二章 4第4 页
② 坐标表示法
从右图可以看出，机翼升力的产 生主要是靠机翼上表面吸力的作用， 尤其是上表面的前段，而不是主要靠 下表面正压的作用。
本章主要内容
2.1 低速空气动力学 2.2 升力 2.3 阻力 2.4 增升装置的增升原理
第二章 第1 页
2.1 空气流动的描述
空气动力是空气相对于飞机运动时产生的，要学习 和研究飞机的升力和阻力，首先要研究空气流动的基 本规律。
第二章 第3 页
2.1.1 流体模型化
① 理想流体，不考虑流体粘性的影响。 ② 不可压流体，不考虑流体密度的变化，Ma<0.4。 ③ 绝热流体，不考虑流体温度的变化，Ma<0.4。
③ 与动压、静压相关的仪表
空速表
高度表
第二章 3第2 页
升降速度表
●空速表
第二章 3第3 页
●升降速度表
第二章 3第4 页
●高度表
第二章 3第5 页
本章主要内容
2.1 空气流动的描述 2.2 升力 2.3 阻力 2.4 飞机的低速空气动力特性 2.5 增升装置的增升原理
4_自然风场特性之实场量测与风洞模拟
图3
60 公尺处光 Lidar 与超音波风速计之十分
图4
60 公尺处光 Lidar 与超音波风速计之十分
钟平均风速比对
钟平均风向比对
在 11 月-2 月东北季风与台风季节进行实场量测发现，十分钟平均所得之风速剖面依然过于离散， 不易估算边界层特性， 因此本文以一小时为单位评估实场风速剖面特性。 首先将在各个监测地址每一次 为时约 24-48 小时的季风或台风风场监测定义为一个监测事件，计算各个监测事件之十分钟平均风速。 所有十分钟平均风速以下列三个条件进行初步筛选：(i)监测有效高度 大于 150 米，(ii)60 米以上高度 平均风速大于设定值，(iii)高度 150 米范围内，小于三个连续风速出现逆向梯度。一般而言 Lidar 的输 出风速在 120-180 米之间讯噪比(S/N)较佳，因此通过初步筛选之数据分别针对 U120m、U150m、U180m 进 行无因次化。 计算每一监测事件各个高度风速之标准偏差后， 剔除离散超过 2σ 者。 检视数据显示， Lidar 在 30 米高度的第一个输出风速通常偏低，与风速剖面模式离异较大。究其原因应当是 Lidar 的每个输 出值代表着 30 米高度范围内风速的平均值，30 米高度的输出风速较易受到邻近建物的遮蔽干扰。因此
图1
VAD 示意图
图 2 Lidar 数据验证示意图
速度；R 为 Lidar 距离观测点的直线距离、r 为 Lidar 距观测点的水平距离。 由于 Lidar 利用单一仰角、单一波束之雷射光进行观测，因此每笔数据等同于每笔雷射光波束 的 观测结果。每笔波束依其仪器设定，可按距离远近细分为数十个间距，间距的大小即为距离分辨率，也 就是最小的量测单位。每个量测单位均能获得径向风速度与讯噪比 (SNR, Signal-Noise Ratio) 等。Li3.7.成都
风工程课件--风场
第一章3.1风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形⏹按照大气运动的动力学性质可以将对流层中的大气沿垂直方⏹层流（）雷诺数定义为作用于流体微团的惯性力与粘性力之比，记作长周期部分：其周期一般在10分钟以上，长周期部分远离一般结构物的自振周期，其作用属于静力性质3.2.1⏹空间特征⏹对数律对数律⏹指数律⏹我国规范采用指数律的平均风剖面，并采用高度系数来反映平⏹基本规律指数律和对数律都不能用来描述平均风是大气边界层中自然风按一定时距进行平均所得到的时间特征风速记录表明，阵风的卓越周期为1分钟，若取若干个周期作为平均时距，则可以反映记录数据中较大风速的实际作用。
通常认为取10-60个周期时（对应于10分钟-1小时）平均风速基本上是一个稳定值。
包括我国在内的多数国家采用10分钟平均时距的平均。
平均风速的统计特性主要指⏹重现期⏹重现期⏹极值风速概率模型：极值分别称为位置参数和尺度参数，可由如下两式获得π已知某地区的年最大风速记录，试确定其重现期为⏹我国规范规定以当地比较空旷平坦地面⏹脉动分反映了大气边界层中自然风的湍流特性对风速记录的分析表明，如果忽略初始阶段的严重的非平⏹湍流度（⏹一些国家的规范（如日本、澳大利亚）中给出了不同地貌条⏹湍流积分长度（⏹湍流积分长度从数学上可定义为Simiuu由于实测困难，人们对其它8个湍流积分尺度的认识更少脉动风功率谱（）在中心频率为0.01（1/小时）出现第一个峰值，对应于天气系统整个风工程中通常采用⏹结构风工程中常用的脉动风功率谱可分为纵向风谱、纵向风谱⏹横向脉动风功率谱常采用如下形式的⏹空间相关性（⏹不同高度处两点纵向（脉动风协方差、相关系数是确定各类结构风压的重要参数，⏹两个连续记录的交叉谱度量了两个记录之间的相关程度，它在大气中，正交谱与互谱的比值非常小，因此，在工程应用中风洞试验和实测结果表明，相干函数可以近似采用沿距离远近⏹极值风速（⏹大气边界层。
(完整版)第二章风力机的基本理论及工作原理
第二章风力机的基本理论及工作原理2.1风力机基本理论 (1)2.1.1动量理论 (2)2。
1.2叶素理论 (4)2.1。
3动量-叶素理论 (4)2.2风力机空气动力设计 (6)2.2。
1风轮几何参数 (6)2。
2.2风力机空气动力设计参数 (7)2.2。
3风力机翼型的阻力和升力 (7)2。
2。
4风力机气动外形设计 (12)2。
3风力机性能 (12)2。
3。
1 风力机性能参数 (12)2.3。
2 风力机叶片三维效应 (15)2。
4风力机载荷 (15)2.4.1重力载荷 (15)2.4.2惯性载荷 (16)2。
4。
3气动载荷 (16)2。
5垂直轴风力机 (16)2。
5。
1垂直轴风力机的分类 (17)2。
5。
2垂直轴风力机的主要特点 (17)2.5。
3达里厄型垂直轴风力机 (18)2。
5。
4 S型垂直轴风力机 (21)2。
5.5 其他垂直轴风力机 (24)2.5.6 直驱式垂直轴风力发电机 (25)2.6风电场中的空气动力问题 (29)2。
6.1 风电场选址 (29)2。
6。
2 风力机尾流效应 (29)2。
6.3 风力机布置 (30)2.6。
4 风电场设计软件 (30)2。
6.5 风能预测 (30)2。
1风力机基本理论风力机是一种从风中吸取动能的装置.通过动能的转移，风速会下降,但是只有那些通过风轮圆盘的空气才会受到影响。
假设将受影响的空气从哪些没有经过风轮圆盘、没有减速的空气分离出来，那么就可以画出一个包含受到影响的空气团的边界面,该边界面分别向上游和下游延伸，从而形成一个截面为圆形的长的气管流。
如果没有空气横穿界面，那么对于所有的沿气管流流向位置的空气质量流量都相等.但是因为流管内的空气减速，而没有被压缩，所以流管的横截面积就要膨胀以适应减速的空气。
如图2.1所示。
图2.1 风力机吸收能量的流管能量虽然动能是从气流中吸取，但速度突变是不可能的，也是人们不希望发生的，由于巨大的加速度产生强大的作用力,这种速度突变又是需要的.由于压力以突变方式输出能量，所以不论风力机如何设计,都是以此方式运转.风力机的存在导致上游剖面接近风力的空气逐渐减速以至于当空气到达风轮圆盘时,其速度已经低于自由流风速了。
探讨建筑设计中自然风技术的应用 白云雷
探讨建筑设计中自然风技术的应用白云雷摘要：本文首先阐述了自然风的特点，接着分析了自然风的相关理论机理，最后对建筑设计中自然风技术的应用进行了探讨。
希望能够为相关人员提供有益的参考和借鉴。
关键词：建筑设计；自然风技术；应用引言：自然风就是自然界形成的风，也叫天然风。
近年来，越来越多的电子设备依据自然风的特点来设计自然风档。
电子设备的风只是将空气搅拌形成的风，以电风扇为例子，电风扇在作业时吹风带走人体的热量，将热量循环在空气中，室内温度随之升高，而自然风是空气相互流通形成的，所以相比电风扇，室内风扇较清凉。
1自然风的特点1.1 物理降温控制建筑物室内温度最直接的方法就是自然风降温，居住者需要自然风来实现供暖和降温。
当室内温度在25°C左右时，自然风可以实现降温；在温度在35°C以上时，环境温度高于人体皮肤温度，自然风通过将温度较高的空气作用在皮肤上来实现降温。
1.2 提供新鲜空气在自然风作用空气互相流动的时候，会为人类提供新鲜的空气。
住宅建筑、工业建筑都需要新鲜空气，自然风可以提供新鲜的氧气与二氧化碳互换，把二氧化碳带给室外植物进行光合作用，源源不断的形成新的氧气供给人类使用，减少室内的特殊气味，保证建筑物内的空气质量。
1.3 释放建筑物的热能自然风可以帮助建筑物降温，通过风向的流动带动空气的流通，将建筑物内部的热能释放，实现建筑物整体温度降低。
特别是体积较大的建筑物，在白天的时候，建筑物经过阳光的照射和人类的活动储存了过多的热能，会造成建筑物的超负荷，在晚上的时候，需要自然风的流动来释放热能，保护建筑物的内部结构，增加建筑物的使用寿命。
2 自然风的相关理论机理2.1 热压作用下的自然风风压和热压是自然风最基本的动力，一般所说的烟囱效应即是热压通风。
热压通风不考虑室外风压的作用，当室内外存在温差或存在进排气口高差时，空气密度会随着温度的升高而降低，从而实现自然风，可能过在建筑物上部设置排风口等实现热压通风。
《自然通风技术》课件
自然通风技术的应用领域
自然通风技术广泛应用于各类建筑，包括办公楼、住宅、工厂等。其应用领域包括但不限于：
可持续建筑
提供可持续发展的解决方案， 降低能源消耗和环境影响。
农业设施
为农业大棚和温室提供适宜 的环境条件，促进植物生长。
体育场馆
为室内体育场馆提供良好的 空气质量，改善运动员的表 现。
意大利米兰的Bosco Verticale 是一座绿色摩天大楼，拥有大 量树木和自然通风系统。
总结和展望
自然通风技术是一种有效、环保的建筑通风解决方案。随着人们对可持续建 筑和室内空气质量的关注，自然通风技术将有更广泛的应用。
低能耗
不需要额外的电力，使用 自然气流实现通风，节省 能源。
环保
不产生噪音、尾气或其他 污染物，对环境友好。
经济
相对于机械通风系统，自 然通风技术的安装和运行 成本较低。
自然通风系统的组成
自然通风系统由以下几个关键组成部分构成：
1 通风口
用于引入新鲜空气和排出污浊空气。
2 风道
将外部新鲜空气引导到室内，并将污浊空气排出建筑。
自然通风技术的案例展示
以下是一些成功应用自然通风技术的建筑案例：
The Edge Building
位于荷兰的The Edge Building 被誉为全球最智能、最环保的 办公楼之一。
Adelaide Oval Stadium Bosco Verticale
澳大利亚阿德莱德橄榄球场采 用自然通风技术，为观众提供 舒适的观赛环境。
《自然通风技术》PPT课 件
自然通风技术是一种能够有效利用自然气流实现建筑内通风的技术。它不依 赖于机械设备，通过巧妙地设计建筑结构和使用特定的通风口，利用自然气 流从建筑外部引入新鲜空气，排出污浊空气。
自然风的分形特性
自然 风 的 分 形 特 性
郭浩 付海 明 吴 爱 臣 李艳艳 陈军
东华 大学环 境科学与工程学院
摘 要 ： 为研究非线性及 随机变化 的 自然风 内部规律 ， 以便模拟 自然风提高室 内送风 的舒适性 。通过对 自然 风进
行采样分析 ， 到样本 的功 率谱密度分布 ， 得 计算其功率谱密度指数 ， 判断 自然风 的 １ 特性 。 ｆ ／ 基于相空间重构理论 ，
ＧＵＯ ｏ ＦＵ ａ— ｉ ， Ｕ — ｈ ｎ， ｎ ｙ ｎ ＣＨＥ ｕ Ｈａ ， Ｈ ｉｍ ｎｇ Ｗ Ａｉｃ ｅ ＬＩＹａ — ａ ， Ｎ Ｊｎ Ｃｏ ｌｇ ｆ ｖｒ ｎ ｅ ｔＳ ｉｎｃ ｎｄＥｎ ｉ ｅ ｎ Ｄ ｏ ｈ ａＵｎｉｅ ｓｔ ｌ ｅｏ ｉｏ ｍ ｎ ｃｅ ｅａ ｇｎｅ ｒ ｇ， ｎｇ ｕ ｅ Ｅｎ ｉ ｖ ｒｉ ｙ
Ｓ ｅｉ ｌ ｎｉ ）ｃｌ ｌ ｅ ｅ ｖ ｌ ｆｈ Ｓ ｄ ｅｉ ／ｃａａｔｒ ｔ ． ａｅ ｎ ｈ ｓ ａｅｒｃｎｔ ｃ ｏ ｐｃ ａ Ｄｅｓ ， ａ ｕａ ｄｔ ａ ｅｏ ｅ Ｄ ｔｊ ｇ ｓ１ ｒｃｅ ｓｃ Ｂ ｓｄｏ ａｅｓ ｃ ｏ ｓ ｕｔ ｎ ｙ ｔ ｃ ｔ ｈ ｕ ｔ Ｐ ｏｕ ｔ ｆｈ ｉｉ ｐ ｐ ｅ ｒ ｉ
ｉ ｒｖｎ ｄ ｏ ｎｉｔ ｎ ｏ ｏｔＢ ｍ ｌ ｇａｄ ｎｌｚ ｇ ｎ ａ ｒｌ ｉｄ ｇ ｔｈ ｉｒ ｕ ｏ ｆｈ Ｓ Ｐ ｗ ｒ ｍｐｏ ｉｇ ｎ ｏ ｒ ｅ ｔａ ｏ ｍｆｒ ｙｔ ｎｏ ｅ Ｄ（ｏ ｅ ｉ ｖ ｌｉ ｃ ． ａ ｎ ｎａ ｙｎｏｎ ｕ ｄｔ ｉ ｉ ｔ Ｐ
运用 Ｇ Ｐ算法对其进行计算 ， ． 采用 最小二 乘法进 行线性 回归分析 ， 出 自然风 的分形 维数 。研究表 明 自然风具有 得 分形 特 ｌ 自然风的功率谱 密度指数和分形维数 与地表 的粗糙 度或地 貌特征相关。 生， 关键 词 ： 自然 风 相空间重构 功率 谱密度 分形 维数 Ｆｒ ａｃｔ ａｒ ａｌＣｈ ａｃｔ ｉ ｉ ｏｆＮａｔ ａＩ ｉ ｅｒｓｔｃ ｕｒ ｎｄ Ｗ
自然风紊动特性初探
建筑环境学大作业自然风紊动特性初探建环零000117 钱科2002年6月摘要：通过对草坪中央、平台等开阔位置和建筑周边位置的风速的测量，利用时序图、概率分析法、频谱分析法及二维相空间重构等分析方法研究自然风的紊动特性及其与人体热舒适性的关系。
关键词：自然风，湍流，紊动特性，功率谱密度函数，相空间法一、实验背景及有关研究综述自然风是指室外风或未经处理直接由门窗进入室内的风，与之相对的机械风是经过空调设备处理后向房间送出的气流。
在稳态空调中，由于室温较低，送风往往会引起吹风感而造成不适，为了满足人们的舒适性的要求，空调送风的速度变得越来越低，设计标准通常要求在0.2m/s以下。
而自然风的风速远远高于机械风，一般都在0.2m/s以上，人们在自然风的吹拂下却感觉很舒适。
自然风与机械风有什么区别而产生人体的不同热舒适反应呢？研究表明，自然风之所以能产生舒适感，与它的湍流特性有密切的关系。
湍流是流体在宏观的时间和空间尺度上所表现的极不规则的运动形式。
大气边界层内运动的主要特点就是其湍流性，大气边界层的雷诺数是相当大的，流体几乎总是处于湍流状态。
研究自然风紊动特性及其与人体热舒适性的关系，可以为模拟自然送风控制提供理论依据，实现在低能耗的情况下满足人体热舒适的要求，对优化空调送风系统具有重要意义。
对自然风紊动特性的研究主要通过对风速的研究来实现。
风速变化对人体热舒适的影响研究历程总体上可以划分为三个阶段：第一阶段：多集中在平均风速，并根据研究成果建立了热舒适的标准；第二阶段：考虑空气流动的湍流度及脉动频率，并建立相应的热舒适性模型；第三阶段：开始研究风速概率分布及能量谱密度等其它湍流特征参数，目前还处于起步阶段。
1996年，中国的巨永平博士对房间气流紊动特性进行了研究，其中房间工作区内的气流被视为平稳随机关系，运用随机分析的方法，如概率分析、相关分析和谱分析对气体紊流特征进行研究，并结合紊流统计理论，提出表征房间气流特性的特征参数。
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另一种是短周期部分，常只有几秒左右。
根据上述两种成分，我们将本质上是随机的自然风，分
解成以平均速度表示的平均风和均值为零的脉动风，分别加
以研究，即
→ →→
V =U+ v
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授课人：张玥
脉动风速总是三维的，因此可用三个相互正交的分量u(t)、v(t)、w(t) 来表示： u(t)－风速脉动沿平均风方向（顺风向）的分量，简称为顺风向脉动 风速，可与U 进行代数叠加； v(t)和w(t)－分别被定义为风速脉动沿与平均风方向垂直的水平方向 和竖向分量，简称水平横风向脉动风速和竖向脉动风速；脉动风速 的均值都为零。紊动的自然风以复杂的和随机的方式随空间和时间 变化，因此必须以统计的方法来处理。
2.1.3蒲福（BeaufortBeaufort））风力等级
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2.1.4 地球大气层
我们居住的地球被一层厚达1000km 的大气所环绕着，这 一环绕地球的大气层可分为对流层、平流层、中间层和 热层。
对流层：0～10km 靠近地表的那一层大气，其厚度在 赤道上空介于16‾18km，在中纬度 和高纬度上空约为8～12km。对流 层在这个大气层中所占的厚度不 大，但由于它处于大气的最低层， 压力和密度最大，所包含的空气质 量几乎占了这个大气层质量的3/4。
E ( x) = μ + 0.5772 σ
σx =
πσ 6
E ( x)和σ x分别为风速样本的数学 期望和根方差
由极值 I型的公式，得：
xI = x = μ − σ ln( − ln FI )
FI
=1− 1 T
, T 为重现期；
于是有：
xI = x +ψσ x ψ 为保证系数
ψ
=−
6 π
[0.5772
+
l建n(−筑ln与FI土) 木工程学院
授课人：张玥
例题某地区1989-1998年10年的风速记录见下表
年份
年最大 风速 (m/s)
1989 15.0
1990 22.7
1991 1992 15.3 14.0
1993 12.3
1994 17.0
1995 18.3
1996 16.3
1997 19.0
1998 14.0
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授课人：张玥
2.1风的成因和类型
2.1.1风的成因
¾风就是指空气相对于地表的流动
¾太阳对地表加热的时空不均匀性
z太阳辐射在地球表面分布的不均匀性
z地球表面水陆分布、高低分布的不均均性
z地球自转
z对流层热传递的复杂性
¾造成大气的热力和动力现象以及压力场的时空不均匀性
¾造成空气的竖向对流和水平流动－风
划分原则
它是按照陆上地物征象、海面和渔船征象以及10m 高度处 的风速、海面波浪高等进行划分，详细情况见下表。
¾ 1805年：13个级别→1946年：风力等级又 作了扩充为18个级别。
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2.1.3蒲福（BeaufortBeaufort））风力等级
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授课人：张玥
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平均风
脉动风
在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速 度、方向以及其他物理量都看成不随时间而改变的量， 考虑到风的长周期大大的大于一般结构的自振周期，因 而这部分风虽然其本质是动力的，但其作用与静力作用 相近，因此可认为其作用性质相当于静力。
由于风的不规则性引起的，它的强度是随时间按随机规 律变化的。由于它周期较短，因而应按动力来分析，其作 用性质完全是动力的。
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9远离低、高压区的气象系统 •近似直线等压线 •定常风由气压梯度力、地转偏向力平衡条件确定
当所关心的区域远离气象系统中的低压或高压区时，等压 线的半径很大，曲率很小，可近似为直线，此时可忽略作 用在空气微团的离心力，与高度无关的定常风速由气压梯 度力和地转偏向力的平衡条件确定，成为地转风速。
我国气象部门
标准高度是10m
《公路桥涵设计 通用规范》 （JTJ021－89）
《公路桥梁抗风 设计规范》
基准高度是20m
当桥梁所在地区的气象站具有足够的 连续风观测数据时，可采用当地气象 台站年最大风速的概率分布类型，由 10min平均年最大风速推算100年重现 期的数学期望值作为基本风速。
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热层：>85km
9太阳短波辐射使气温随高度急剧增加，最高可达2000°C 9空气极其稀薄、静止
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对流层结构
自由大气层
9地面阻滞影响可忽略 9风速与高度无关 9风向与等压线一致 9在低、高压区
•曲线等压线 •无加速的空气相对于地表的水平运动可以通过定常风由气 压梯度力、地转偏向力和离心力的平衡条件确定 把气压梯度力、地转偏向力和离心力到达平衡的、与 高度无关的定常风速称为梯度风速，常用UG 表示。
¾地方性风
z下山风（钦诺克风、焚风、布拉风） z急流效应风 z雷暴风：下沉冷气流直线风、下击暴风 z龙卷风
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1
2.1.3蒲福（BeaufortBeaufort））风力等级
风力等级（简称风级）是风强度(风力)的一种表示方 法，国际通用风力等级通常按英国人蒲福（Beaufort） 于1805 年拟定的等级划分.
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不同时距换算系数
重现期换算系数
T(年) 5
10 20 30 50 100
K
0.697 0.771 0.814 0.882 0.932 1.0
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用极值Ⅰ型分布求基本风速
FI ( x) = exp{ − exp[ −（x − μ ) / σ ]} 其中 μ和σ分别为位置参数和尺度 参数，用下式求得：
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2.2.1平均风特性 平均风特性
场地基本风速
风速沿高度分布 平均风速的攻角
的规律
、 风向
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5
（1）场地基本风速的确定
基本风速是反映结构物所在地的气候特点的一个参数。 基本风速的确定涉及地面粗糙度标准、高度标准、重现 期与时距标准4个因素的选取，因此各种规范定义的基本 风速标准可能不相同：
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2
2.1.4 地球大气层
对流层：0～10km
9增热主要是依靠吸收地面长波辐射 9温度随高度以约0.65°C/100m递减 9在一定条件下，局部会出现 “逆温”现象 9存在强烈对流（竖向运动）
平流层为对流层顶（对流层和平流层之间的过渡薄层）至离地表 约50km 范围内的大气，平流层的大气质量占了这个大气质量的比例 接近1/4。
《桥梁抗风抗震》
西安科技大学 桥隧1107-1108
二零一四年
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第二章 自然风特性
本章重点：风的成因、分类；边界层自然风、平均风时间 特性、脉动风空间特性、脉动风时间特性。
本章难点：风特性统计分析。 对难点的解决从原理入手。
教学目标：通过本章学习使学生对自然风特性有所认识和 了解。
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对流层的结构
大气边界层又可以分为近地面层
和上部摩擦层。近地面层是指地
面以上约100m 范围的气层，在
该气层中，大气与地面之间存在
着非常强烈的相互作用，地面的
地形地貌条件和摩擦的变化会较
直接地影响该层大气的运动特
性。在近地面层之上的摩擦层
中，大气运动受地面的地形地貌
条件和摩擦的影响减弱。此外，
年最大风 速重现期
时距要有一定的长度，以保证风速的非平稳性以充分 衰减以及结构能出现稳定响应；时距不能太长，以保 证平均的结果能反映阵风性质。Davenport建议10～ 15分钟为最合适的时距。目前，多数国家采用10分钟 为平均风速的时距，这是大多数国家包括我国的规 定。有些国家取1h为平均时距，如加拿大，但也有 3～5s时距的阵风风速。显然，对同一条风速记录， 平均时距越短，所得的最大平均风速就越大。
z土木工程结构需要面对的大多数抗风问题都与强风 有关
9机械效应对风特性的影响要远远大于热传导效应 9温度对强风特性的影响可以忽略 9假设大气边界层是中性的
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2.2近地风特性
(1)风速是脉动的，不是平稳的 (2)8分钟内的平均风速变化不大 (3)平均风速随高度增大 (4)脉动分量与平均风相比较小
疏的乡镇和城市郊区。基本风速的测定应是在空旷
平坦地区，即一类粗糙度地区，场地粗糙度对平均
风速的影响后面再介绍。
风速测量 标准高度
在同一地点，越靠近地面，近地风遇到障碍物越 多，风能量损失越大．但离地越高，地面障碍物 对风的影响越小，相应风速随着高度的增加而变 大，我国规范规定离地10m高为标准高度。如果记 录换的成建风标筑速准与不高土在度木这的工一风程高速学度。院，则应作相应的转授换课，人转：张玥授课Biblioteka ：张玥（1）场地基本风速的确定
当桥梁所在地区缺乏风速观测资料时，可利用《公路 桥规》JTGD60－2004中的全国基本风压分布图，将桥位 所在地区的基本风压换算为基本风速。
基本风速的确定要注意以下几个问题：
场地
我国规范规定标准地面粗糙度类别为比较空旷平坦 地面，意指田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀
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3
在大气边界层中，由于粗糙地表产 生的摩擦力的影响，风向与等压线成 一定的夹角。随着高度的增加，地面 摩擦效应的影响逐渐降低，这种夹角 也越来越小，在梯度风高度处，夹角 降为零，风向与等压线一致。大气边 界层内风速风向随高度的这种变化规 律可用如左图所示的螺线来描绘，从 地面至边界层高度顶，风向角的变化 约为20°。由于土木工程结构均建在 大气边界层中，因此大气边界层内的 风特性是土木工程结构设计者最为关 心的。