自然風的實測研究

周軍莉 尹飛 李善玉 張國強 王海娟

1武漢理工大學土木工程與建筑學院

2湖南大學土木工程學院

3天津新金融投資有限責任公司

自然風的實測研究

周軍莉1尹飛2李善玉1張國強2王海娟3

1武漢理工大學土木工程與建筑學院

2湖南大學土木工程學院

3天津新金融投資有限責任公司

自然風特性包括平均風特性和波動風特性。把自然風看做恒定氣流會造成較大的誤差，有時甚至會得出完全錯誤的結論。波動風隨時間和空間呈現出強烈的非線性的隨機特性，目前主要通過實測和統計分析進行研究。實測是分析自然風特性的重要方法。本文介紹了風速測試中常用儀器的工作原理和適用范圍，包括熱線風速儀、葉輪風速儀、畢托管風速儀、激光多普勒風速儀和超聲波風速儀等設備。本文還歸納了國內外相關自然風的測試研究，從測試綜述可知：研究者們多采用超聲波風速儀和小型氣象站等進行實測，采集到各種時間尺度的風特性數據，進行統計分析得出脈動風的實際特性，從而建立風特性數據庫、風速風向模型，經驗公式等。

自然風波動特性實測

0 引言

自然通風是當今建筑領域利用自然能源改善建筑熱環境、降低空調能耗的一項關鍵技術。對于實際情況下建筑室內外的自然通風的研究，自然風風速和風向的基礎數據和變化特征是至關重要的[1]。

然而，現階段對于建筑自然通風的研究，無論是CFD數值模擬，還是風洞試驗，往往將氣象臺提供的主導風向和平均風速作為恒定的外場邊界條件，這種恒定風的假設，可能會導致研究結果偏離客觀事實[1]，難以客觀評價自然通風的利用效果。因此，作為相關領域的研究者必須首先從理論上充分認識自然風的特性。風通常被認為由湍流成分和平均風速成分組成，其中平均風速表現為一定時間段內的觀測數據；大氣的湍流成分在時間和空間上呈現強烈的非線性隨機脈動特性。實測和統計分析是研究湍流風特性的主要途徑[2]。

1 自然風特性

大氣邊界層風特性包括平均風特性和脈動風特性，其中平均風表現為一定時間段內觀測數據的統計規律，包括：平均風速、風向分布以及風速廓線等；而大氣的脈動湍流成分在時間和空間上呈現強烈的非線性隨機脈動特性，一般采用脈動風速、紊流強度、湍流相關性、陣風因子、積分尺度及脈動風功率譜等物理統計量來表示。此外，目前已有部分研究者用分形混沌理論來研究自然風的湍流特性，并提出了一些自然風的特性參數。

關于自然風平均風和脈動風的特性，文獻[3]中均做了詳細介紹，這里不便重復，下面僅對脈動風的特性做一些補充。

1）脈動風速：脈動風速的分析有兩種方法：矢量法和標量法。矢量法將大氣湍流的水平風速矢量分解為縱向水平分量u(t)、橫向水平分量v(t)和垂直分量w(t)，而標量法則將水平風速用水平絕對風速和水平風向兩個標量表示[4]。

2）功率譜密度函數：湍流功率譜密度函數在頻域上的全積分等于脈動對應方向上的湍流動能，它在頻域上的分布可以描述湍流動能在不同尺度水平上的比例[4]。湍流功率譜密度可以由脈動風速的時間相關函數R(τ)經傅里葉（Fourier）變換后求得，也可以直接由風速儀測出功率譜曲線[5]。

3）陣風系數：陣風系數G是陣風風速與平均風速之比。陣風系數同湍流強度有關，湍流強度越大，則陣風系數越大。另外，它還取決于陣風的持續時間，持續時間越長，則陣風系數越小[4]。

4）分形及混沌特性分析。自然風是一種宏觀上表現為隨機的、無規則的，但是內部結構具有自相似性結構的不同尺度漩渦，反映了湍流現象的混沌特征。分形與混沌是密不可分的，它是指看似混沌雜亂無章但具有精細結構的圖形，這種結構主要表現為一種內在幾何規律性，即比例自相似性，稱為自相似結構[6]。2000年朱穎秋[7]用相空間重構圖的寬長比δ來描述圖形的形狀，將δ作為區別自然風和機械風的一個重要判據，還提出信息熵Si和信息維Di兩個指標，它們描述了系統結構形態的無序程度[8]。2010年陳軍基于相空間重構理論，分析了三組自然風的風速樣本的時間序列，表明自然風的二維重構相空間圖呈紡錘形，自然風具有分形特性[6]。2011年郭浩等運用G-P算法對自然風風速樣本進行計算，得出自然風的分形維數，并發現分形維數與地表的粗糙度或地貌特征相關[9]。

2 風的測試方法

風的測量包括風向測量和風速測量。風向標是測量風向的最通用的裝置。在風的動壓作用下取得指向風的來向的一個平衡位置，即為風向的指示。風向一般用16個方位表示。

風速測試有平均風速的測試和紊流成分的測試。測試風速的方法有機械法、散熱率法、動壓法、激光多普勒測速及超聲波測量等。

1）散熱率法[10]。該方法基于金屬絲散熱率與空氣流速的關系測得風速。它可分為：①恒溫式：熱線的溫度保持恒定，測量通過熱線的電流，常用儀器為熱線風速儀，低速時靈敏度較高。②恒流式：通過熱線的電流保持恒定，測量熱線溫度變化，常用儀器為熱球風速儀，高速時靈敏度較高。有時為了增加強度，用金屬膜代替金屬絲，稱為熱膜風速儀。熱線風速儀適用于低風速測量，可以測脈動風速；熱球風速儀適用于高風速測量，但只能測量平均風速。它精度高，動態性能好，對流場干擾小，具有溫度補償的優勢，但易損壞。

2）機械法[10]。該方法常用的是風杯式或葉輪式風速儀，其原理是空氣通過風杯或葉輪，推動葉片轉動，其轉速正比于風速，通過測量轉速來測量風速。風杯/葉輪風速儀的量程為0.6～40m/s，測量精度為2%。它結構簡單，攜帶方便，動態特性較差，適于測量中低段平均風速，測瞬時風速準確度較低。

3）動壓法[10]。該方法的原理是伯努利方程。常用儀器是皮托管，測量時，測量斷面必須處于平穩流動區，全壓孔迎向來流方向，靜壓孔垂直流動方向，測得該位置的動壓與靜壓之差，算出風速。它的量程為2.5～80m/s，精度為3%，動態性較差，僅適用于穩定流場，只能測平均值，不能測脈動值，一般用于隧道和管道風速的測量。

4）激光多普勒測速[10]。其基本原理是將激光束穿透流體照射在隨流體一起運動的微粒上，檢測微粒散射光的頻率，根據光學多普勒效應確定微粒即流體的運動速度。激光多普勒測速儀測速范圍從0.05μm/s到106m/s，測量精度為0.1%～1%。它具有非接觸式測量、不干擾流場、動態響應好、測量精度高、量程大、能判別流動方向。在湍流中微粒對流體的跟隨性降低，因此，一般不能測量脈動風速。

5）超音波測試方法[11]。該方式是通過超聲波脈沖順流和逆流傳播時速度之差來反映流體流速。超聲波風速儀的工作原理是聲音在空氣中的傳播速度，會和風向上的氣流速度疊加。若超聲波的傳播方向與風向相同，它的速度會加快；反之，速度會變慢。超聲波風速儀測量范圍廣，測量精度高，能達到1%，對測量環境要求不高，適用范圍廣，因此得到廣泛應用。

以上五種測試技術中，熱線只適合低風速測量，但能測脈動風速；熱球只適合高風速測量，只能測平均風速；機械法適合中低段平均風速的測量，不能測脈動風速；動壓法可測量2.5～80m/s范圍內的平均風速，不能測脈動風速；激光多普勒風速儀測速范圍最大，一般不能測量脈動風速；超聲波測速范圍和適用范圍均很廣，既能測平均風速也能測脈動風速。

3 自然風的測試研究

為了準確描述某一地區的風特性，最有效的方法是在該地區進行大量風的觀測分析，得到合適的經驗模型和統計參數[12]。在上個世紀末，一些風工程研究發達的國家已經建立了本地區的風特性數據庫，例如挪威的Froya數據庫[13]，加拿大和英國的近海風觀測數據庫等，還有類似美國Sparks[14][15]、日本Kato[16]和Ohukuma[17]等在時間或空間上大規模的觀測也得到了比較完整的分析結果。我國的風特性實地觀測研究相對薄弱，但近十年來仍取得了比較大的進展。現將國內外近十年來的自然風實測的案例進行說明。

3.1 強臺風的測量

2000年，林志興等采用安裝在樓頂以上5m、離地高度約為20m的超聲波風速儀對臺風“派比安”和“杰拉華”進行實測，探頭以偏東為主風向，采樣頻率10Hz，采集到近20h的三維強風樣本。數據分析表明：湍流積分長度約在80m左右，水平湍流功率譜密度函數與Sim iu譜基本一致，但垂直湍流功率譜與Panofsky譜相差較大[12]。

2003年9月11日，Cao等通過安裝在15m高處的9個風向標和7個聲波風速計對古河電氣工業公司的電纜處臺風Maemi進行三維風實測，采樣時間間隔為10m in，采樣頻率為10Hz。測得了風的脈動特性參數以及它們隨風速的變化特征。分析表明：湍流強度隨風速的降低而降低，當風速增大則基本保持恒定。陣風系數和峰值系數的平均值分別為1.6和3.3。相干函數的空間互相關和衰減系數隨風速的增加而略增。脈動風速的概率密度函數為高斯分布，其功率譜可用Karman頻譜的低頻段表示[18]。

2004年龐佳斌等用超聲風速儀以10Hz的采樣頻率對分別受臺風影響的深圳郊區、上海浦東郊區、福州閩江二橋橋面跨中以及常態下的蘇通大橋進行實地觀測，每地分別取所測極值風速附近3h的連續風速樣本。通過對實測數據分析可知標量法計算的平均風速結果較矢量法的大，湍流度和陣風因子則正好相反；兩種方法得到湍流功率譜密度函數曲線差別很小[4]。

2007年武占科在上海環球金融中心436m高度處用超聲風速儀記錄了“羅莎”臺風全過程的風速風向時間序列，采樣頻率為20Hz。統計分析得到臺風的紊流強度、陣風因子和紊流積分長度等高空風參數特性，并根據Kolmogrove理論對水平方向和垂直方向脈動風功率譜密度函數進行了參數擬合[19]。

3.2 室外常態自然風測量

2007年李杰用兩個三軸超聲風速儀監測國內某大橋橋址處得到1月、2月和3月的風速數據，采用頻率為4Hz，采樣總時長為2046h，采樣時段恰好處于該橋址處季風季節。他對實測風速進行了分析，用3月份的數據建立了隨機Fourier譜的函數表達式，并用1、2月份的數據對該隨機Fourier的合理性和通用性進行了驗證[20]。

2008～2010年，譚洪衛等設置了2個小型氣象站和1個超聲波風速儀，采用逐分的頻率分別對同濟大學校內兩棟不同層高不同遮蔽率的教學樓以及上海莘莊郊區進行自然風實測。根據逐分和逐時兩種時間尺度的風向變化數據，得出以下結論：在幾小時到幾十小時的時間跨度內，自然風的逐時主導風向呈現出較穩定的特征；自然風的逐分風向時刻都在變化，呈現顯著的非穩態特征，自然風的逐分風向變化的幅度不大，在圍繞著主導風向兩側±45℃范圍內波動[21]。

2010年陳軍用探頭距地面的高度為160cm的熱線式風速儀和萬向微風速熱線探頭在某大學校園附近的樓群空曠處、湖邊、樓頂及山林公園等四處進行自然風的風速采樣。在同一地點共取3組數據，采樣間隔為10min，采樣頻率為10Hz，采樣容量為4096。通過樣本的功率譜密度分布特點，計算其功率譜指數，判斷自然風的1/f湍動特性[6]。

2009～2010年，季亮等在上海中心城區某高樓的頂部設立小型氣象站，以1m in為樣本的取樣間隔連續計測自然風數據。通過自然風風向的基本變化特征，基于馬爾可夫鏈為上海城區風向變化進行建模[1]。

2010～2011年，J.S.Park在一個風壓驅動置換通風的模型建筑周圍進行了風速與風向的長期測量。用氣象站監測風速與風向，采樣頻率為min；用皮托管和數據記錄儀每隔10s進行開口處靜壓差測量。根據數據分析，得出：在開口處的壓力系數明顯受到的風速和風向波動影響，并且非穩態氣流速度對波動因素也很敏感[22]。

3.3 森林風測量

2003年，朱守林等在鷲峰實驗林場用距地面高度為165cm的熱膜式風速傳感器進行了X與Y兩方向的自然風信號采樣，采集9組，采樣時間間隔為200ms，采樣頻率為5Hz。研究表明：主風向風速的速度均值和方差較大，但平均湍流度卻小于側向風的平均湍流度；自然風的風向變化非常顯著；主風向與側風向的二維風速分布呈正偏態分布；近地表自然風在主風向與側風向的二維風速信號均表現出很高的隨機性；主風向與側風向的二維風速信號間的相關性很低[23]。

3.4 室內自然風測量

2004年歐陽沁等在建筑屋頂平臺、建筑周邊、遠離建筑的草坪空曠地帶、海邊以及自然通風建筑室內進行了自然風的采樣實驗。室外測點均布置在距離地面或屋面1.6m高的位置。每個工況重復多次測量，測量時環境溫度在15～30℃。通過測出的功率譜指數β和湍流度平均值可知，建筑環境中各個工況下的自然風譜特征具有相似特征，但在不同環境下β值有所不同，建筑環境以及平均風速對自然風的譜特征均有一定影響[24]。

2012年，谷宇新采用數字風速儀對深圳市某辦公建筑距地面46m的十樓室內的自然脈動風進行連續測試，分三次測試，每次測試時長15m in。通過對脈動周期和脈動強度的統計值進行分析，得到脈動風速的變化規律，并討論了城市風的脈動特性對建筑通風效果的影響，提出城市風的波動性對建筑自然通風設計必要性[25]。

3.5 小結

綜上所述，自然風的實測者主要從事結構、橋梁風工程、建筑等領域的研究，他們主要應用超聲波風速儀、熱線式風速儀、小型氣象站等進行測試。基于自然風的脈動特性參數，通過實測獲取自然風的脈動特性，建立風特性數據庫，根據實測結果和理論公式擬合提出一些經驗公式。此外，從綜述可知，目前建筑自然通風室內風動態特性及相關換氣機理研究較少，因此該領域的研究者還需在這方面進行大量探索與深入。

4 結論

1）自然風的特性包括平均風特性和脈動風特性，其中平均風表現為一定時間段內觀測數據的統計規律，包括：平均風速、風向分布以及風速廓線等；而大氣的脈動湍流成分在時間和空間上呈現強烈的非線性隨機脈動特性，其特征參數包括：紊流強度、陣風因子、積分尺度、脈動風功率譜、相空間重構圖的寬長比等。

2）風向標是測量風向的最通用的裝置。測量風速的常用儀器有：熱線/熱球風速儀、風杯/葉輪風速儀、皮托管、激光多普勒風速儀、超聲波風速風向儀。熱線只適合低風速測量，但能測脈動風速；熱球只適合高風速測量，只能測平均風速；機械法適合中低段平均風速的測量，不能測脈動風速；動壓法可測量2.5～80m/s范圍內的平均風速，不能測脈動風速；激光多普勒風速儀測速范圍最大，一般不能測量脈動風速；超聲波測速范圍和適用范圍均很廣，既能測平均風速也能測脈動風速。

3）國內外自然風實測主要應用了超聲波風速風向儀、熱線式風速儀及小型氣象站等。目前的實測主要是為了獲取自然風的脈動特性，建立風特性數據庫，提出經驗公式。在建筑自然通風領域，自然通風引起的室內自然風的脈動特性以及波動換氣特性，尚需要進一步深入研究。

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Stu d y on Fie ld M easu rem en t o f Na tu ra lW ind

ZHOU Jun-li1,YIN Fei2,LIShan-yu1,ZHANGGuo-qiang2,WANGHai-juan3
1SchoolofCivilEngineering and Architecture,Wuhan University of Technology
2CollegeofCivilEngineering,Hunan University
3 Tianjin Innovative Finance InvestmentCo.,Ltd.

Naturew ind characteristics consistof averaged and fluctuating w ind characteristics.Taking naturalw ind as constant flow may cause a larger error or even utterly w rong conclusions.With the change of time and space,natural w ind mainly studied by field measurement and statistical analysis appeared to have a strong nonlinear random feature. Since fieldmeasurement is one of the importantways to analyze naturalw ind characteristics,theworking principle and application scope of general instruments for measuring w ind velocity,such as hot-w ire anemometer,impeller anemometer,Pitot tube anemometer,laser Doppler anemometer,ultrasonic anemometer,were introduced in this paper. Also,research onw indmeasurementand analysisathomeand abroad issummarized,and the follow ing conclusionsare obtained:Ultrasonic anemometer and small weather station are w idely used for collecting data of nature w ind characteristics.Database of w ind characteristics,w ind speed and direction model,empirical formula are obtained according to theactualcharacteristicsof turbulentw ind based on statisticalanalysis.

naturalwind,fluctuating characteristics,fieldmeasurements

1003-0344（2014）03-030-5

2013-5-28

周軍莉（1977～），女，博士，副教授；湖北省武漢市武漢理工大學土木工程與建筑學院（430070）；E-mail:zjlwhut@126.com

國家自然科學基金項目（51108165）；中央高校基本科研業務費專項資金（2013-IV-104）；武漢理工大學自主創新研究基金項目（136806001）