大气探测学气流的测量.

1气流的测量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。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。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89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。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0－0.211－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32.71186414.0115.1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。125.1.1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13141516World'slargestweathervaneinJerez,Spain175.1.2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。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。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。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：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的1/e，（e=2.71828)2.0.3ζ1.0(阻尼比)3.风速范围为0.5~60m/s4.线性度和分辨率为±2°~±5°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。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。2DNNunDnu为风杯的转速为风速和为与仪器本身有关的系数。255.2.1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。265.2.1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。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。275.2.2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。285.2.2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。295.2.2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。305.2.2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315.2.3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。325.2.3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。33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34EN型自动测风仪：定时打印输出瞬时、平均风向风速，并能挑选极值，进行统计。35EY1型电传风向风速仪：观测瞬时的风向风速，由感应部分和指示部分组成。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-WireAnemometer37热线风速仪原理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.38[1()]wRefwRefRRaTTcfhabv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≈0.53922[1()]()()RefwRefcwfwwfwwfIRaTTIRabvATTATT12[1()]()cRefwReffwwfIRaTTvabATT合并以上三式，消去h，可得进一步解得402()(,)cwfwwffIRabvATTfIT2[1()]()(,)RefwRefcfwwfwfIRaTTabvATTgTT恒温式恒流式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。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。44Hotwireanemometerprobe45Theheadofacombinedairvelocityandairtemperaturesensor,typeCAFS-220.465.4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。20.067svpcT4722222()()()xyzxvtyvtzvtct由左图，当逆风发射时，T1发射，R1接收：222221111()(0)(0)xyzdvtvtvtct2222211()()xyzdvtcvvt2211xdvtcvt假设气流速度为v的三个分量为vx、vy、vz，声波从坐标原点到达某一位相面（x,y,z)所需的时间为t时，则有：设y和z等于零，等位相面到达点(d1,0,0)和点(d2,0,0)的时间为t1和t2.482212222()xxdcvvdtcvvcv当顺风发射时，T2发射，R2接收：222222222()(0)(0)xyzdvtvtvtct2222222()()xyzdvtcvvt2222xdvtcvt2222222()xxdcvvdtcvcvv（5.4.1）（5.4.2）49由（5.4.1)和(5.4.2)式可见，当风速为零时，声波到达两个方向相反，距离相等的接收器所需时间相等。即而有风时，v0,vd0,t1t2.于是就利用这一原理，测量相对方向上声波脉冲的传播时间之差，以测得风速，即：12/ttdc（5.4.3）2122222222121xxxxxdvdvtttcVAcctvdVAVc22式中,当c时,A=1502122222222121yyyyydvdvtttcVAcctvdVAVc22式中,当c时,A=1同理,y方向的风速分量vy的计算式为:（5.4.4）yytv计算示意图512122222222121zzzzzdvdvtttcVAcctvdVAVc22式中,当c时,A=1同理,z方向的风速分量vz的计算式为:（5.4.5）2222xyzVvvvzztv计算示意图52由(5.4.3)可得结论:声波沿声程方向顺风传播和逆风传播的时间差与沿声程方向的风速成正比.由此可知,声学风速仪的测速技术就归之于测量声波传播的时间差.用适当的电子线路和装置实现此项时间差的测量,便可测得所需风速及其分量.53545.4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。555.4声学风速