气流的测量
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21
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：
半球形的空心杯壳组 螺旋桨叶片组 平板叶片组
22
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。
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
4
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
5
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
（米）
－ 0.1 0.2 0.6 1.0 2.0 3.0
陆上物理征象
静，烟直上。 烟能表示风向，但风向标尚不能指示风 向。 人面感觉有风，树叶有微响，风向标能 随风转动。 树叶与微枝摇动不息，旌旗展开。 灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动。 有叶的小树枝摇动，内陆水面有小波浪。 大树枝摇动，电线呼呼有声，打伞困难。
25
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。
26
5.2.2 风杯风速计的惯性（续）
33
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。
34
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
48
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”。
49
补充：声风速仪/温度计（续）
现有的探头款型:
“A” style “Sx” style “K” style
51
5.5 激光风速仪
一、概述：
激光风速仪（Laser Doppler Anemometer LDA; Laser Doppler Velocimeter LDV) 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 （Aerosol particle)的气流速度。
c f
38
a，b，c由仪器定标得到，通常c≈0.5
合并以上三式，消去h，可得
2 2 I RRef [1 a(Tw TRef ) I R c w a bvf ] Aw (Tw T f ) Aw (Tw T f )
进一步 解得
2 I RRef [1 a(Tw TRef )] v f a b Aw (Tw T f )
①
17
5.1.3 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
18
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。
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
27
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。
19
5.1.4 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。
20
5.1.4 风向标动态参数的选择
1.
2. 3. 4.
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 ~ 60 m/s 线性度和分辨率为 ±2°~ ±5°
"A" 型传感器 非正交的设计， 用于多种用途
"Sx" 型传感器适合 环境监测应用 测量水平风速
"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
50
“Vx” style
“V” style
"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）
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。
6
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 南：South
东：East 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
7
8 9 10
疾风
大风 烈风 狂风
13.9－17.1
17.2－20.7 20.8－24.4 24.5－28.4
50－61
62－74 75－88 89－102
28－33
34－40 41－47 48－55
4.0
5.5 7.0 9.0
全树摇动，逆风步行感到困难。
树枝折断，逆风行进阻力甚大。 发生轻微的建筑破坏。 内陆少见，有些树木拔起，建筑物破坏 较重。
11
12
暴风
飓风
28.5－32.6
32.7
103－117
118
56－63
64
11.5
14.0
极少遇到，伴随着广泛的破坏。
10
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。
I Rw h * Aw (Tw Tf )
2
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.
37
电阻随温度的变化
Rw RRef [1 a(Tw TRef )]
热交换系数随温度的变化
h a bv
7
8
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。
9
蒲福风力等级表
风 力 0 1 2 3 4 5 6
相当于开阔平坦地面10米高处风速 名称
1
c
39
恒温式
2 I Rw c a bvf Aw (Tw T f )
f (I ,Tf )
恒流式
a b vc f
I 2 RRef [1 a (Tw TRef )] Aw (Tw T f )
g (Tw , T f )
40
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
气流的测量
1
本章要求
Байду номын сангаас
掌握气流测量的主要仪器的基本原理、结 构、特点。
2
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
3
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
43
Hot wire anemometer probe
44
The head of a combined air velocity and air temperature sensor, type CAFS-220.
45
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
41
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。
42
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。
c
p 20.067 Tsv
气温在20℃时，干空气的声速等于 343.5m/s。
46
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 轴各装两对发射和接收装置， 测定 V 在 y 和 z方向的分量。
静风 软风 轻风 微风 和风 劲风 强风
浪高
米/ 秒
0－0.2 0.3－1.5 1.6－3.3 3.4－5.4 5.5－7.9 8.0－10.7 10.8－13.8
公里/时
<1 1 －5 6－11 12－19 20－28 29－38 39－49
海里/时
<1 1 －3 4 －6 7－10 11－16 17－21 22－27
28
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
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。
23
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。
24
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 风速越大，摩擦力矩所占的比例越低。
35
5.3 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（Hot wire Anemometer）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。
Typical Hot-Wire Anemometer
36
热线风速仪原理
电接风向风速计 指示器
电接风向风速计 记录器
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。
11
5.1.1 风向标
① ② ③ ④
外形分四部分： 风尾 指向杆 平衡重锤 旋转主轴
12
13
14
15
World's largest weather vane in Jerez, Spain
16
5.1.2 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； 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。
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：
半球形的空心杯壳组 螺旋桨叶片组 平板叶片组
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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。 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。
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
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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
“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
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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
（米）
－ 0.1 0.2 0.6 1.0 2.0 3.0
陆上物理征象
静，烟直上。 烟能表示风向，但风向标尚不能指示风 向。 人面感觉有风，树叶有微响，风向标能 随风转动。 树叶与微枝摇动不息，旌旗展开。 灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动。 有叶的小树枝摇动，内陆水面有小波浪。 大树枝摇动，电线呼呼有声，打伞困难。
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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。
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5.2.2 风杯风速计的惯性（续）
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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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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
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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”。
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补充：声风速仪/温度计（续）
现有的探头款型:
“A” style “Sx” style “K” style
51
5.5 激光风速仪
一、概述：
激光风速仪（Laser Doppler Anemometer LDA; Laser Doppler Velocimeter LDV) 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 （Aerosol particle)的气流速度。
c f
38
a，b，c由仪器定标得到，通常c≈0.5
合并以上三式，消去h，可得
2 2 I RRef [1 a(Tw TRef ) I R c w a bvf ] Aw (Tw T f ) Aw (Tw T f )
进一步 解得
2 I RRef [1 a(Tw TRef )] v f a b Aw (Tw T f )
①
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5.1.3 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
18
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。
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
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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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5.1.4 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。
20
5.1.4 风向标动态参数的选择
1.
2. 3. 4.
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 ~ 60 m/s 线性度和分辨率为 ±2°~ ±5°
"A" 型传感器 非正交的设计， 用于多种用途
"Sx" 型传感器适合 环境监测应用 测量水平风速
"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
50
“Vx” style
“V” style
"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）
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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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 南：South
东：East 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
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8 9 10
疾风
大风 烈风 狂风
13.9－17.1
17.2－20.7 20.8－24.4 24.5－28.4
50－61
62－74 75－88 89－102
28－33
34－40 41－47 48－55
4.0
5.5 7.0 9.0
全树摇动，逆风步行感到困难。
树枝折断，逆风行进阻力甚大。 发生轻微的建筑破坏。 内陆少见，有些树木拔起，建筑物破坏 较重。
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12
暴风
飓风
28.5－32.6
32.7
103－117
118
56－63
64
11.5
14.0
极少遇到，伴随着广泛的破坏。
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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。
I Rw h * Aw (Tw Tf )
2
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.
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电阻随温度的变化
Rw RRef [1 a(Tw TRef )]
热交换系数随温度的变化
h a bv
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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。 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。
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蒲福风力等级表
风 力 0 1 2 3 4 5 6
相当于开阔平坦地面10米高处风速 名称
1
c
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恒温式
2 I Rw c a bvf Aw (Tw T f )
f (I ,Tf )
恒流式
a b vc f
I 2 RRef [1 a (Tw TRef )] Aw (Tw T f )
g (Tw , T f )
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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
气流的测量
1
本章要求
Байду номын сангаас
掌握气流测量的主要仪器的基本原理、结 构、特点。
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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
3
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
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Hot wire anemometer probe
44
The head of a combined air velocity and air temperature sensor, type CAFS-220.
45
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
41
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。
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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。
c
p 20.067 Tsv
气温在20℃时，干空气的声速等于 343.5m/s。
46
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 轴各装两对发射和接收装置， 测定 V 在 y 和 z方向的分量。
静风 软风 轻风 微风 和风 劲风 强风
浪高
米/ 秒
0－0.2 0.3－1.5 1.6－3.3 3.4－5.4 5.5－7.9 8.0－10.7 10.8－13.8
公里/时
<1 1 －5 6－11 12－19 20－28 29－38 39－49
海里/时
<1 1 －3 4 －6 7－10 11－16 17－21 22－27
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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
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。
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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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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 风速越大，摩擦力矩所占的比例越低。
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5.3 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（Hot wire Anemometer）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。
Typical Hot-Wire Anemometer
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热线风速仪原理
电接风向风速计 指示器
电接风向风速计 记录器
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。
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5.1.1 风向标
① ② ③ ④
外形分四部分： 风尾 指向杆 平衡重锤 旋转主轴
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World's largest weather vane in Jerez, Spain
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5.1.2 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； 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。