自然风的实测研究

周军莉 尹飞 李善玉 张国强 王海娟

1武汉理工大学土木工程与建筑学院

2湖南大学土木工程学院

3天津新金融投资有限责任公司

自然风的实测研究

周军莉1尹飞2李善玉1张国强2王海娟3

1武汉理工大学土木工程与建筑学院

2湖南大学土木工程学院

3天津新金融投资有限责任公司

自然风特性包括平均风特性和波动风特性。把自然风看做恒定气流会造成较大的误差，有时甚至会得出完全错误的结论。波动风随时间和空间呈现出强烈的非线性的随机特性，目前主要通过实测和统计分析进行研究。实测是分析自然风特性的重要方法。本文介绍了风速测试中常用仪器的工作原理和适用范围，包括热线风速仪、叶轮风速仪、毕托管风速仪、激光多普勒风速仪和超声波风速仪等设备。本文还归纳了国内外相关自然风的测试研究，从测试综述可知：研究者们多采用超声波风速仪和小型气象站等进行实测，采集到各种时间尺度的风特性数据，进行统计分析得出脉动风的实际特性，从而建立风特性数据库、风速风向模型，经验公式等。

自然风波动特性实测

0 引言

自然通风是当今建筑领域利用自然能源改善建筑热环境、降低空调能耗的一项关键技术。对于实际情况下建筑室内外的自然通风的研究，自然风风速和风向的基础数据和变化特征是至关重要的[1]。

然而，现阶段对于建筑自然通风的研究，无论是CFD数值模拟，还是风洞试验，往往将气象台提供的主导风向和平均风速作为恒定的外场边界条件，这种恒定风的假设，可能会导致研究结果偏离客观事实[1]，难以客观评价自然通风的利用效果。因此，作为相关领域的研究者必须首先从理论上充分认识自然风的特性。风通常被认为由湍流成分和平均风速成分组成，其中平均风速表现为一定时间段内的观测数据；大气的湍流成分在时间和空间上呈现强烈的非线性随机脉动特性。实测和统计分析是研究湍流风特性的主要途径[2]。

1 自然风特性

大气边界层风特性包括平均风特性和脉动风特性，其中平均风表现为一定时间段内观测数据的统计规律，包括：平均风速、风向分布以及风速廓线等；而大气的脉动湍流成分在时间和空间上呈现强烈的非线性随机脉动特性，一般采用脉动风速、紊流强度、湍流相关性、阵风因子、积分尺度及脉动风功率谱等物理统计量来表示。此外，目前已有部分研究者用分形混沌理论来研究自然风的湍流特性，并提出了一些自然风的特性参数。

关于自然风平均风和脉动风的特性，文献[3]中均做了详细介绍，这里不便重复，下面仅对脉动风的特性做一些补充。

1）脉动风速：脉动风速的分析有两种方法：矢量法和标量法。矢量法将大气湍流的水平风速矢量分解为纵向水平分量u(t)、横向水平分量v(t)和垂直分量w(t)，而标量法则将水平风速用水平绝对风速和水平风向两个标量表示[4]。

2）功率谱密度函数：湍流功率谱密度函数在频域上的全积分等于脉动对应方向上的湍流动能，它在频域上的分布可以描述湍流动能在不同尺度水平上的比例[4]。湍流功率谱密度可以由脉动风速的时间相关函数R(τ)经傅里叶（Fourier）变换后求得，也可以直接由风速仪测出功率谱曲线[5]。

3）阵风系数：阵风系数G是阵风风速与平均风速之比。阵风系数同湍流强度有关，湍流强度越大，则阵风系数越大。另外，它还取决于阵风的持续时间，持续时间越长，则阵风系数越小[4]。

4）分形及混沌特性分析。自然风是一种宏观上表现为随机的、无规则的，但是内部结构具有自相似性结构的不同尺度漩涡，反映了湍流现象的混沌特征。分形与混沌是密不可分的，它是指看似混沌杂乱无章但具有精细结构的图形，这种结构主要表现为一种内在几何规律性，即比例自相似性，称为自相似结构[6]。2000年朱颖秋[7]用相空间重构图的宽长比δ来描述图形的形状，将δ作为区别自然风和机械风的一个重要判据，还提出信息熵Si和信息维Di两个指标，它们描述了系统结构形态的无序程度[8]。2010年陈军基于相空间重构理论，分析了三组自然风的风速样本的时间序列，表明自然风的二维重构相空间图呈纺锤形，自然风具有分形特性[6]。2011年郭浩等运用G-P算法对自然风风速样本进行计算，得出自然风的分形维数，并发现分形维数与地表的粗糙度或地貌特征相关[9]。

2 风的测试方法

风的测量包括风向测量和风速测量。风向标是测量风向的最通用的装置。在风的动压作用下取得指向风的来向的一个平衡位置，即为风向的指示。风向一般用16个方位表示。

风速测试有平均风速的测试和紊流成分的测试。测试风速的方法有机械法、散热率法、动压法、激光多普勒测速及超声波测量等。

1）散热率法[10]。该方法基于金属丝散热率与空气流速的关系测得风速。它可分为：①恒温式：热线的温度保持恒定，测量通过热线的电流，常用仪器为热线风速仪，低速时灵敏度较高。②恒流式：通过热线的电流保持恒定，测量热线温度变化，常用仪器为热球风速仪，高速时灵敏度较高。有时为了增加强度，用金属膜代替金属丝，称为热膜风速仪。热线风速仪适用于低风速测量，可以测脉动风速；热球风速仪适用于高风速测量，但只能测量平均风速。它精度高，动态性能好，对流场干扰小，具有温度补偿的优势，但易损坏。

2）机械法[10]。该方法常用的是风杯式或叶轮式风速仪，其原理是空气通过风杯或叶轮，推动叶片转动，其转速正比于风速，通过测量转速来测量风速。风杯/叶轮风速仪的量程为0.6～40m/s，测量精度为2%。它结构简单，携带方便，动态特性较差，适于测量中低段平均风速，测瞬时风速准确度较低。

3）动压法[10]。该方法的原理是伯努利方程。常用仪器是皮托管，测量时，测量断面必须处于平稳流动区，全压孔迎向来流方向，静压孔垂直流动方向，测得该位置的动压与静压之差，算出风速。它的量程为2.5～80m/s，精度为3%，动态性较差，仅适用于稳定流场，只能测平均值，不能测脉动值，一般用于隧道和管道风速的测量。

4）激光多普勒测速[10]。其基本原理是将激光束穿透流体照射在随流体一起运动的微粒上，检测微粒散射光的频率，根据光学多普勒效应确定微粒即流体的运动速度。激光多普勒测速仪测速范围从0.05μm/s到106m/s，测量精度为0.1%～1%。它具有非接触式测量、不干扰流场、动态响应好、测量精度高、量程大、能判别流动方向。在湍流中微粒对流体的跟随性降低，因此，一般不能测量脉动风速。

5）超音波测试方法[11]。该方式是通过超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体流速。超声波风速仪的工作原理是声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，速度会变慢。超声波风速仪测量范围广，测量精度高，能达到1%，对测量环境要求不高，适用范围广，因此得到广泛应用。

以上五种测试技术中，热线只适合低风速测量，但能测脉动风速；热球只适合高风速测量，只能测平均风速；机械法适合中低段平均风速的测量，不能测脉动风速；动压法可测量2.5～80m/s范围内的平均风速，不能测脉动风速；激光多普勒风速仪测速范围最大，一般不能测量脉动风速；超声波测速范围和适用范围均很广，既能测平均风速也能测脉动风速。

3 自然风的测试研究

为了准确描述某一地区的风特性，最有效的方法是在该地区进行大量风的观测分析，得到合适的经验模型和统计参数[12]。在上个世纪末，一些风工程研究发达的国家已经建立了本地区的风特性数据库，例如挪威的Froya数据库[13]，加拿大和英国的近海风观测数据库等，还有类似美国Sparks[14][15]、日本Kato[16]和Ohukuma[17]等在时间或空间上大规模的观测也得到了比较完整的分析结果。我国的风特性实地观测研究相对薄弱，但近十年来仍取得了比较大的进展。现将国内外近十年来的自然风实测的案例进行说明。

3.1 强台风的测量

2000年，林志兴等采用安装在楼顶以上5m、离地高度约为20m的超声波风速仪对台风“派比安”和“杰拉华”进行实测，探头以偏东为主风向，采样频率10Hz，采集到近20h的三维强风样本。数据分析表明：湍流积分长度约在80m左右，水平湍流功率谱密度函数与Sim iu谱基本一致，但垂直湍流功率谱与Panofsky谱相差较大[12]。

2003年9月11日，Cao等通过安装在15m高处的9个风向标和7个声波风速计对古河电气工业公司的电缆处台风Maemi进行三维风实测，采样时间间隔为10m in，采样频率为10Hz。测得了风的脉动特性参数以及它们随风速的变化特征。分析表明：湍流强度随风速的降低而降低，当风速增大则基本保持恒定。阵风系数和峰值系数的平均值分别为1.6和3.3。相干函数的空间互相关和衰减系数随风速的增加而略增。脉动风速的概率密度函数为高斯分布，其功率谱可用Karman频谱的低频段表示[18]。

2004年庞佳斌等用超声风速仪以10Hz的采样频率对分别受台风影响的深圳郊区、上海浦东郊区、福州闽江二桥桥面跨中以及常态下的苏通大桥进行实地观测，每地分别取所测极值风速附近3h的连续风速样本。通过对实测数据分析可知标量法计算的平均风速结果较矢量法的大，湍流度和阵风因子则正好相反；两种方法得到湍流功率谱密度函数曲线差别很小[4]。

2007年武占科在上海环球金融中心436m高度处用超声风速仪记录了“罗莎”台风全过程的风速风向时间序列，采样频率为20Hz。统计分析得到台风的紊流强度、阵风因子和紊流积分长度等高空风参数特性，并根据Kolmogrove理论对水平方向和垂直方向脉动风功率谱密度函数进行了参数拟合[19]。

3.2 室外常态自然风测量

2007年李杰用两个三轴超声风速仪监测国内某大桥桥址处得到1月、2月和3月的风速数据，采用频率为4Hz，采样总时长为2046h，采样时段恰好处于该桥址处季风季节。他对实测风速进行了分析，用3月份的数据建立了随机Fourier谱的函数表达式，并用1、2月份的数据对该随机Fourier的合理性和通用性进行了验证[20]。

2008～2010年，谭洪卫等设置了2个小型气象站和1个超声波风速仪，采用逐分的频率分别对同济大学校内两栋不同层高不同遮蔽率的教学楼以及上海莘庄郊区进行自然风实测。根据逐分和逐时两种时间尺度的风向变化数据，得出以下结论：在几小时到几十小时的时间跨度内，自然风的逐时主导风向呈现出较稳定的特征；自然风的逐分风向时刻都在变化，呈现显著的非稳态特征，自然风的逐分风向变化的幅度不大，在围绕着主导风向两侧±45℃范围内波动[21]。

2010年陈军用探头距地面的高度为160cm的热线式风速仪和万向微风速热线探头在某大学校园附近的楼群空旷处、湖边、楼顶及山林公园等四处进行自然风的风速采样。在同一地点共取3组数据，采样间隔为10min，采样频率为10Hz，采样容量为4096。通过样本的功率谱密度分布特点，计算其功率谱指数，判断自然风的1/f湍动特性[6]。

2009～2010年，季亮等在上海中心城区某高楼的顶部设立小型气象站，以1m in为样本的取样间隔连续计测自然风数据。通过自然风风向的基本变化特征，基于马尔可夫链为上海城区风向变化进行建模[1]。

2010～2011年，J.S.Park在一个风压驱动置换通风的模型建筑周围进行了风速与风向的长期测量。用气象站监测风速与风向，采样频率为min；用皮托管和数据记录仪每隔10s进行开口处静压差测量。根据数据分析，得出：在开口处的压力系数明显受到的风速和风向波动影响，并且非稳态气流速度对波动因素也很敏感[22]。

3.3 森林风测量

2003年，朱守林等在鹫峰实验林场用距地面高度为165cm的热膜式风速传感器进行了X与Y两方向的自然风信号采样，采集9组，采样时间间隔为200ms，采样频率为5Hz。研究表明：主风向风速的速度均值和方差较大，但平均湍流度却小于侧向风的平均湍流度；自然风的风向变化非常显著；主风向与侧风向的二维风速分布呈正偏态分布；近地表自然风在主风向与侧风向的二维风速信号均表现出很高的随机性；主风向与侧风向的二维风速信号间的相关性很低[23]。

3.4 室内自然风测量

2004年欧阳沁等在建筑屋顶平台、建筑周边、远离建筑的草坪空旷地带、海边以及自然通风建筑室内进行了自然风的采样实验。室外测点均布置在距离地面或屋面1.6m高的位置。每个工况重复多次测量，测量时环境温度在15～30℃。通过测出的功率谱指数β和湍流度平均值可知，建筑环境中各个工况下的自然风谱特征具有相似特征，但在不同环境下β值有所不同，建筑环境以及平均风速对自然风的谱特征均有一定影响[24]。

2012年，谷宇新采用数字风速仪对深圳市某办公建筑距地面46m的十楼室内的自然脉动风进行连续测试，分三次测试，每次测试时长15m in。通过对脉动周期和脉动强度的统计值进行分析，得到脉动风速的变化规律，并讨论了城市风的脉动特性对建筑通风效果的影响，提出城市风的波动性对建筑自然通风设计必要性[25]。

3.5 小结

综上所述，自然风的实测者主要从事结构、桥梁风工程、建筑等领域的研究，他们主要应用超声波风速仪、热线式风速仪、小型气象站等进行测试。基于自然风的脉动特性参数，通过实测获取自然风的脉动特性，建立风特性数据库，根据实测结果和理论公式拟合提出一些经验公式。此外，从综述可知，目前建筑自然通风室内风动态特性及相关换气机理研究较少，因此该领域的研究者还需在这方面进行大量探索与深入。

4 结论

1）自然风的特性包括平均风特性和脉动风特性，其中平均风表现为一定时间段内观测数据的统计规律，包括：平均风速、风向分布以及风速廓线等；而大气的脉动湍流成分在时间和空间上呈现强烈的非线性随机脉动特性，其特征参数包括：紊流强度、阵风因子、积分尺度、脉动风功率谱、相空间重构图的宽长比等。

2）风向标是测量风向的最通用的装置。测量风速的常用仪器有：热线/热球风速仪、风杯/叶轮风速仪、皮托管、激光多普勒风速仪、超声波风速风向仪。热线只适合低风速测量，但能测脉动风速；热球只适合高风速测量，只能测平均风速；机械法适合中低段平均风速的测量，不能测脉动风速；动压法可测量2.5～80m/s范围内的平均风速，不能测脉动风速；激光多普勒风速仪测速范围最大，一般不能测量脉动风速；超声波测速范围和适用范围均很广，既能测平均风速也能测脉动风速。

3）国内外自然风实测主要应用了超声波风速风向仪、热线式风速仪及小型气象站等。目前的实测主要是为了获取自然风的脉动特性，建立风特性数据库，提出经验公式。在建筑自然通风领域，自然通风引起的室内自然风的脉动特性以及波动换气特性，尚需要进一步深入研究。

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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

周军莉（1977～），女，博士，副教授；湖北省武汉市武汉理工大学土木工程与建筑学院（430070）；E-mail:zjlwhut@126.com

国家自然科学基金项目（51108165）；中央高校基本科研业务费专项资金（2013-IV-104）；武汉理工大学自主创新研究基金项目（136806001）