学文网风向和风速篇1
关键词：现场实测；风压系数；相关性
随着大跨度桥梁结构的迅速发展，风荷载已成为桥梁设计时最重要的参考因素，获取准确的风场和风压特性参数对桥梁抗风设计至关重要。风场特性参数会随着地理环境的变化而显著变，所以风洞试验和数值计算很难模拟出桥梁结构真实的受力状况，而现场实测刚好能弥补这一点。国外学者在这方面的研究比较早， Kanda 等[1]总结了日本20世纪70年代后的高层建筑风场实测的研究成果。Geurts等[2]对试验建筑进行了风场和风压的全方位测量。王浩多次测量了润扬长江大桥的强季风和台风数据，得到了非常有用的实测结果。本文在西部课题的支持下，于 2013年11月23、24日，对洞庭湖大桥桥面进行了风速现场实测，采集了大量的有用数据，并分析获得了一些有用结果，为桥梁抗风设计提供一定参考。
一、风场特性实测
本实验采用RM Young 81000三向超声风速仪进行风速采集，风速仪安装在桥面主跨跨中，离湖面高30m，风速仪N极平行于桥轴线指向岳阳侧，风向以顺时针为正。
二、风场特性参数
三维风速，和是风速仪坐标下，和方向的实数序列，按基本时距分析，则水平风速，风向角，风攻角可表示为：
式中，为向的脉动风均方根，为平均风速，本文阵风持续时间取3s。
三、桥面风场特性分析
洞庭湖桥面的10min平均风速、风向和风攻角时程曲线，可以看出，洞庭湖大桥桥面风速主要集中在5～11m/s；风向角主要集中在210。～240。之间，风向稳定；风攻角变化范围较小，主要集中在0。～4。之间。
风攻角是指由于地形的影响， 近地风与水平面的倾斜角，它与风速无必然联系。随着风速增大，风攻角变小，这主要是风速增大，风场稳定性变强，不易受近地物体的影响。10min平均风攻角与风向角的关系，可以看出，随着风向角增大，风攻角也增大，主要原因是桥面对风场的干扰，不同风向的风场的流线不同，使得风攻角变化较大。
***1是10min平均紊流度和阵风因子时程曲线，从统计结果来看，洞庭湖大桥桥面风场的纵向紊流度和阵风因子均较小，接近《公路桥梁抗风设计规范》中I类场地推荐值0.13和1.38，洞庭湖大桥属于I类地貌。
为横、纵紊流度的相关性，直线拟合结果为，略去尾数0.0042，，比规范的推荐值为要略大；同样，横、纵阵风因子也存在一定的相关性，横、纵阵风因子关系拟合结果为。
四、结论
1、实测得到了洞庭湖大桥桥面风场数据，分析了桥面的风场的紊流度和阵风因子，结果表明，洞庭湖桥面的横向紊流度，略大于规范推荐的，紊流度和阵风因子都较小，属于规范里的I类地貌。
2、随着风速增大，风场稳定性增强，风攻角变小；紊流度越大，阵风因子越大，其关系可以近似用正相关函数拟合。
参考文献：
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风向和风速篇2
关键词：风向； 风速； 数据采集； 数据处理； 浮标
中***分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）03-0238-05
Wind Speed and Wind Direction Data Acquisition and Processing on Buoy Platform Offshore
TANG Yuan-guang， WANG Shao-qi
（Ocean University of China， Qingdao 266000， China）
Abstract： According to the observation field， the wind observation is usually divided into the land observation and the sea observation， in which the sea observation can choose the offshore fixed platform or the offshore floating platform. In this paper， take the buoy as the observation platform， using the propeller type wind sensor， electronic compass， as well as the independently designed hydrological and meteorological data acquisition device， to achieve wind speed data acquisition and processing. Meanwhile data storage and transmission is accomplished through U disk storage and wireless communication machine.
Key words： wind direction； wind speed； data acquisition； data processing； buoy
L作为重要的海洋气象要素，对研究海洋气候的变化以及波浪的产生都有至关重要的意义。
一套浮标系统通常包括海上的测量浮标，固定锚系以及陆上的岸站数据接收处理系统，如***1所示。其中海上测量浮标主要用于搭载传感器、数据采集器、通讯机、存储器以及配电装置等设备。测量参数主要包含有波浪、海流、温盐、风、气压、温湿等水文气象要素，根据不同的功能，相应的这些气象水文传感器可以放置在浮标体上部的气象平台上，或是浮标体内部的仪器舱中，或是底部的水下仪器井中。而数据采集器、存储器、通讯机放置在仪器舱中，负责对传感器获取的电信号进行采集、处理、存储和发送。配电装置包括安装在气象平台支架上的太阳能电池板、电源转接箱和安装在仪器舱中的电池构成，用于满足各种设备的供电需求。采集处理后的数据一方面会存储到存储器中，另一方面，会通过无线通讯机发送给陆地上的接收机，并通过计算机将数据显示出来。
本文以此为出发点，设计一款基于浮标的海上风速风向采集处理系统。
1 传感器的选择
风作为一个二维矢量，包括风速、风向两个参量，因而需要风速传感器和风向传感器同时测量。而浮标属于非固定式的平台，单纯使用风传感器只能测得以浮标为参考的相对风向而无法获取真实的风向，因而还需要通过电子罗盘测量浮标自身的方位角。
1.1 风速风向传感器
常见的风速风向传感器根据工作原理的不同，可以分为机械式的旋转型风速计和声学原理为主的超声波风速计。
从海上的使用效果来看，旋转型风速计的可靠性比超声波风速计更好一些，所以这里选用了螺旋桨式风速风向计，如***2所示。该传感器主要由螺旋桨、主壳体、旋转轴、尾翼、接线盒、定位环和固定环等部件组成。主壳体、螺旋桨和其他内部结构都是通过轻盈而坚固的塑料材质压模而成，同时螺旋桨和旋转轴使用不锈钢精密滚珠轴承，减小了传感器自身的惯性，提高了风速和风向的追踪性。轴承上使用一层薄薄的聚四氟乙烯材料进行密封，并填充了具有大范围温度特性的润滑脂，防止海水对仪器内部造成腐蚀。
风向信号的产生：在主壳体内的旋转轴上安装有10KΩ的精密导电塑料电位计。给电位计施加一个恒定的励磁电压电源后，当风传感器尾部在风的带动下使主壳体停留在某一个方向时，电位计的的滑动抽头会输出一个电压值，该电压值与电位计的滑动阻值成正比（电路原理如***3所示），而滑动抽头的位置与风向角一一对应，所以输出的电压值与风向角也成正比关系。根据这个电压值即可换算成相应的风向角度。
风速信号的产生：在螺旋桨轴上安装有六极永磁铁，当有外部风力作用时，螺旋桨旋转，同时带动六极永磁铁连轴转动，其原理类似于小型发电机，根据不同的旋转速度产生相应幅值和频率的正弦波（电路原理如***3所示）。其中，正弦波频率与风速成正比，螺旋桨旋转一次产生三个完整的正弦波周期。根据正弦波频率值即可获取相应的风速信息。
1.2 电子罗盘
电子罗盘集成了三轴磁场传感器和三轴倾斜传感器，能够输出方位角、倾斜角和磁场强度。本设计主要是利用电子罗盘（***4）输出的方位角来获取浮标的方位信息。这里采用的电子罗盘通过RS232串口进行数据通信，而且支持查询模式和自动输出模式，为了便于相对风向和方位的采集同步，这里采用查询模式。
1.3 采集参数规格
[参数名称＼&量程＼&准确度＼&风速＼&0～100m/s＼&±0.3m/s＼&风向＼&0～360°＼&±3°＼&]
2 数据采集采集器的设计
本文设计了一款通用的水文气象采集器，它包括14路串行口，可连接RS232电平或TTL电平串口传感器；8路高分辨率模拟量输入端口，使用24位AD转换器进行模数转换；4路低分辨率模拟量输入端口，使用12位AD转换器进行模数转换。自身带有冗余设计，除了可采集处理水文气象参数外，还可同时采集水质生态类参数。
这里主要介绍风速L向的采集电路，如***5所示，主要包括信号调理电路，AD转换电路，MCU控制电路，电源电路，数据存储电路，数据发送电路，RTC电路和其他接口电路。
信号调理电路包括风向信号调理和风速信号调理，目的是将风传感器输出的风向、风速原始信号调理成后续的采集电路能够完整识别的近似理想的信号。AD转换电路负责将调理后的风向模拟量转换为数字量。MCU控制电路负责整个电路的控制和数据的处理。电源电路为整个电路提供额定工作电压以及参考电位。数据存储电路将MCU处理后的数据转以文件的形式进行存储。数据发送电路负责数据的远程发送。RTC电路为整个电路提供时间和工作节拍。
由于篇幅的限制，这里只介绍调理电路，AD转换电路，MCU控制电路。
2.1 信号调理电路
风向信号调理电路：
如***6所示，电源电路为风向传感器提供一个参考电位REF作为励磁电压电源，为了减小负载效应，在送入风向传感器之前增加了一个缓冲器，将缓冲后得到的WIND_REF作为励磁电压电源WD_EXC。此时输出电压WD_SIG经过缓冲器后输送到ADC转换电路的通道0（ADC_CHANNEL0）转换为数字量送入MCU中进行计算。风向输出电压WD_SIG范围控制在0～WIND_REF，而风向范围在0°～360°。根据风向角和电位计输出电压成正比的关系，算出WD_SIG与风向的关系公式为：
风速信号调理电路：
如***7所示，正弦波信号WS_SIG从风速传感器输出后进入风速调理电路。
由于正弦波的幅值会随风速的增大而增大，为了保护后续电路不被过高电压冲击，必须要设计保护电路。这里使用两个反向连接的二极管D1、D2（导通压降在1mA时约为0.7V），作用主要是将输入的正弦波信号的幅值限制在±0.7V以内，也就是当正弦波信号幅值超过±0.7V的范围时，超出的信号将会被削平。由于这里最终采集的是频率量，所以被削平的信号不会造成影响。
之后信号需要转换成MCU计数器能够识别的方波信号，所以需要在调理电路中增加滞回比较电路。该电路由U2B，R6，R7组成，此时滞回比较电路的门限值是：
[V+=R6VOHR6+R7，V-=R6VOLR6+R7 ] [（ 2 ）]
其中VOH和VOL是运算放大器的两个输出电压轨的电压值。
如果风速过低，往往产生的正弦波幅值也会很小，如果幅值小于滞回比较电路的门限值，该正弦波不仅不会转换成方波信号，还会被滞回比较电路过滤掉，所以为了使得滞回比较电路能够识别幅值较小的正弦波信号，必须在滞回比较电路前添加适当的信号放大电路。这里的放大电路由U2A，R4，R5组成。
最后，还需要对方波信号进行微调，转换成频率不变的0～3.3V的方波信号。例如，增加D3二极管将负半轴的方波信号过滤掉；增加R8、R9的分压电路调整输出电压幅值。
经实验验证，实际风速与调理后的方波频率之间的关系如下***7所示：
启动风速为1m/s，除此风速之外，曲线关系近似于
[V风（m/s）=0.098×f风传感器（Hz） ] [（ 3 ）]
2.2 AD转换电路
风向电压信号在经过调理电路之后送入到AD转换器ADS1256的通道0（AIN0），通过SPI总线以从机的身份向MCU发送转化为数字量的风向信号电压值。电路如***9所示。
2.3 MCU控制电路
这里使用以Cortex-M3为内核的STM32F207作为电路的控制芯片。主频120Mz，自带128KB RAM，1MB FLASH存储器，同时支持UART、SPI、I2C、USB Host、TIM等多种外设接口，完全满足本设计的功能需求。
其中，UART用于电子罗盘方位数据的采集和无线发送模块的数据通信；SPI用于与ADS1256进行通信，获取采集转换到的风向数据；TIM用于对调理后的风速方波信号的上升沿进行计数统计，从而获取频率值。I2C是实现与RTC电路和EEPROM的通信，从而获取实时时间以及实现参数的存储和读取。除此之外，MCU还会通过相应的电源控制模块控制传感器电源的输出。
3 数据的采集与处理
3.1 依据的规范
风的采集与处理依据国标《GBT14914-2006海滨观测规范》，风的采集应满足下列要求：每3秒采集一次，作为瞬时风速和相应风向；连续采样10分钟，计算风速和相应风向的平均值，作为该10分钟结束时刻的平均风速和相应风向；记录每1分钟的前10分钟平均风速和相应风向，将整点前10分钟的平均风速和相应风向，作为该整点的风速和相应风向值。风速记录到1m/s，风向记录取整数；静风时，风速记"0.0"，风向记“C ”。
这里将根据此规范，对程序进行设计。
3.2 采集和计算过程
设置RTC电路每3秒产生一次中断告知MCU进行一次数据采集，数据采集的参数包括风速、风向和浮标的方位角。
风速采集：从MCU计数器中读取方波上升沿的计数值，除以3后为该3秒内的平均方波频率，根据公式（3），求得3秒的瞬时风速。风向采集：ADS1256采集转换到的此时的风向电压值，根据公式（1），求得3秒的瞬时风向。方位角采集：读取电子罗盘输出的方位角。
三个参数都采集到之后，计算出真实的风向和风速，同时判断此时是否为最大的3秒瞬时风速，如果是最大值，则作为极大瞬时风速记录在内存中，并记录此时的时间。否则，等待超时后，将此3秒的采集过程记为失败，并等待下一个3秒的采集。
将此时的风速根据真实风向计算出北向（0°）和东向（90°）的分量，并将1分钟内每3秒的瞬时风速的东向、北向分量都存入到缓存中，用于后续平均值的求取。
当时间到达整分钟时，计算这1分钟内所有有效风速（有可能存在未采集到的数据）东向、北向的平均值。
在求得每分钟的风速平均值后，计算该分钟之前的10分钟内（包括该分钟）的东向、北向平均风速的平均值，之后将两个方向的风速合成，求得10分钟的平均风速和风向。如果该分钟之前的总时间不到10分钟，则有多少分钟就计算多少分钟的平均值，但仍作为10分钟的平均值。判断此时风速是否为10分钟平均风速的最大值，如果是最大值，则作为最大风速记录在内存中，并记录此时的时间。
当时间到达半点或是整点时（这里一次采集的周期为半小时），需要对数据进行存储和发送，在此之前，单独记录采集周期最后一分钟的10分钟平均风速和风向。
3.3 数据处理流程***
4 仪器的安装
浮标的结构布局如***10所示（左为主视***，右为俯视***）。
由于这里涉及风向和浮标方向这两个参数的采集，必须保证风传感器和电子罗盘的参考方向一致。电子罗盘输出的方向就是它的参考方向所指的方向，而风传感器的参考方向指的是它输出0°时的指向。
电子罗盘固定在仪器舱内壁上，保证传感器与浮标之间不会发生相对位移。风传感器主体安装在气象平台的垂直杆上，在安装主体前，先在垂直杆上固定定位环，定位环上有方向卡扣，保证方向卡扣指向的方向与电子罗盘的参考方向相同，也就是之间的夹角为0°，然后将风传感器主体卡在卡扣上，并用固定环固定。采集电路安装在保护壳体内，并将保护壳体放置在仪器舱内，传感器与采集电路之间通过电缆连接。
5 海上试验
完成了风传感器的安装调试后，首先将风传感器及数据采集板送到了相关计量站进行了风传感器的标定。之后整套浮标系统进入了岸上拷机试验阶段，该过程持续了1个月，经确认整套系统无故障后，于2016年11月14日成功布放到青岛某海域，下面为2016年11月18日至2016年11月24日获取的风向、风速数据。
5.1 风向数据
***12是根据3秒瞬时风向数据绘制的风向玫瑰***。玫瑰***将风向分割为16个区域，每个区域代表了固定区间（22.5°）的风向范围，如N代表348.76°到11.25°的风向范围。括号中的数据为风向出现频率（%）/该风向范围内的平均风速（m/s）。***中阴影是根据风向出现频率绘制的，长度越长说明出现频率越高。从***中可以看出，在这一段时间范围内风向主要以北风，西北风为主。
5.2 风速数据
***13是根据3秒瞬时风速数据绘制的风速折线***。
6 结束语
该风向风速数据采集和处理系统目前已成功应用于3m海洋生态水质浮标上，并取得了不错的效果。
参考文献：
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[4] GBT14914-2006， 海滨观测规范[S].
风向和风速篇3
关键词：山区地形；斜拉桥；风特性；风振响应；现场实测
中***分类号：U448.27 文献标志码：A
随着我国交通基础设施建设的进一步推进，跨海湾、山区峡谷大跨桥梁将逐渐成为今后若干时期内大跨桥梁建设的重点.目前我国已有多座已建或在建的跨越山区峡谷的大跨桥梁，如贵州坝陵河大桥、湖南矮寨大桥、湖北四渡河大桥、云南普立大桥、湖南赤石大桥等.大跨斜拉桥多采用悬臂施工法进行建造，其在主梁悬臂施工期结构自振频率较低，在大风作用下易发生振动，因此大跨斜拉桥施工期风致振动问题是该类桥梁抗风设计重点关注内容之一.
山区峡谷桥址风场特性与沿海及平原地区桥址风场特性有明显的区别，山区峡谷桥位风特性复杂、具有阵风大、湍流度大和非平稳性等特点.复杂山区地形的风特性研究早在20世纪70年代就受到关注[1].现场实测是复杂地形风特性研究的有效方法之一.Mouzakis等对希腊雅典附近某风电场风特性进行了实测研究，分别给出了不同风速范围风速、风攻角、脉动风谱等参数[2].宋丽莉等对坝陵河大桥桥位风特性进行了实测研究.研究表明：深切峡谷地形完全改变了局地低层风场，不仅风向和最大风速发生了改变，而且风垂直轮廓线也完全不满足幂指数分布；不同风向湍流强度和不同风向大风在纵、横、垂直方向湍流强度比值也有很明显的差异[3].庞加斌等针对四渡河大桥桥位脉动风特性进行了实测研究.研究表明：山区深切峡谷地形导致脉动风湍流强度明显增大，湍流强度随平均风速增大而减小；湍流积分尺度随平均风速增大而增大[4].李永乐等针对某V型深切峡谷桥位风特性进行了实测研究，提出了深切峡谷区大跨度桥梁复合风速标准概念[5].
近年来，针对大跨桥梁风致振动响应实测也逐渐受到关注.Bietry等针对SaintNazaire斜拉桥进行风致振动响应实测研究，以获得桥位风特性，同时检验Davenport准定常抖振理论[6].Larose针对丹麦大海带东桥在桥塔施工期进行了风观测和结构响应实测.研究表明：开阔近海区域脉动风紊流度较低，试验和实测均观测到桥塔顺风向涡振现象[7].Frandsen针对丹麦大海带东桥进行了风振响应实测研究.实测表明主梁表面压力与主梁振动加速度响应相关性在“锁定”区较强；实测涡振锁定区与试验预测结果接近，但涡振振幅要大于试验预测结果[8].Macdonald针对第二塞文桥施工和成桥运营阶段风振响应进行了实测研究[9].廖海黎等分别针对苏通长江公路大桥和西堠门大桥进行了施工阶段主桥结构桥位风观测与主桥结构风致振动响应实测研究，对这两座桥施工期抗风性能评估提供了必要依据[10].Siringoringo针对日本白鸟悬索桥进行了大风天气风振响应实测.研究表明主梁竖向振动与桥塔顺桥向振动响应随着风速增加而增加；当风速为14～24 m/s时观测到桥塔顺风向的明显振动，该振动可能由桥塔前、后塔柱之间气动干扰效应引起[11-12].
综合所述，尽管已有部分学者针对复杂山区桥位风特性进行了现场实测研究，但鉴于实际桥位地形差别较大，目前对于复杂山区地形桥位风特性的认识还比较粗略；且山区桥梁结构风致振动响应实测研究较少.因此有必要针对复杂山区地形桥位风特性和桥梁结构施工期振动响应进行实测.本文以在建赤石大蛭依托，主要开展施工期桥位风特性和风致振动响应实测研究.
1 桥位风观测系统简介
赤石大桥位于厦门至成都国家高速公路湖南省汝城至郴州段，主桥为四塔五跨预应力混凝土斜拉桥，跨径布置为：165+3×380+165=1 470 m，大桥立面布置***如***1所示.桥面距离地面182 m.混凝土主梁采用挂篮悬臂浇筑法施工，主梁双悬臂施工期结构自振频率较低，对风作用敏感.桥位附近地形较为复杂，在施工过程中桥位处发生过多次突发大风，10 m高度处瞬时风速最高达32 m/s.为确保大桥施工期抗风安全，对该桥进行施工期桥位风特性和风振响应实测研究.
综合考虑桥位地形特点和大桥施工进度，分别在大桥6#，7#桥塔对应的主梁及塔顶位置布置风速仪和加速度传感器，对大桥施工期桥位风特性和风致振动响应进行实测.根据大桥施工进度，实测分两阶段实施.第一期2014年1月1日～2014年6月10日，分别在6#，7#桥塔塔顶、主梁2#块等位置布置风速仪和加速度传感器.第二期2014年6月10日～2014年12月31日，分别在6#，7#桥塔塔顶、主梁1/4跨等位置布置风速仪和加速度传感器，具体布置和现场照片分别如***2和***3所示.风观测系统由三维超声风速仪（Young81000）、二维机械风速仪（Young 05103）、数据采集仪（Campbell公司CR1000动态数据采集仪）、供电系统及无线传输系统等组成，具体布置及采样频率见表1.桥梁结构振动响应测试系统由加速度传感器（941B型超低频拾振器）、数据采集仪（UEILogger300动态数据采集仪）等组成，具体布置及采样频率见表2.规定风从正北方向吹来时风向角为β=0°.
2 桥位风特性实测结果
2.1 平均风速和风向
限于篇幅，仅给出观测期两个大风天气（20140703，20141005）6#，7#桥塔塔顶、桥面高度处10 min时距平均风速和风向曲线.***4所示为2014年7月3日全天10 min时距平均风速和风向曲线.由***4可知，2014年7月3日早上6：40～8：20期间风速较大，10 min时距平均风速最大值约为12.0 m/s，对应风向大致为南风.***5所示2014年7月3日大风时段（6：40～8：20）桥位风观测点10 min时距平均风速和风向曲线.由***5可知，62#测点（6#桥塔塔顶）风速与6#塔桥面处风速以及7#塔对应塔顶、桥面处风速相比明显偏小，该大风时段各观测点主导风向基本为南风.
2.3 湍流度
D10所示为2014年10月5日桥面高度处10 min时距平均风速及湍流度曲线.表4给出了观测期间大风天气大风时段湍流度变化范围及均值.由***10及表4可知，不同大风天气大风时段61#测点顺风向湍流强度平均值约为0.15～0.23，横风向湍流强度平均值约为0.13～0.17，竖向湍流强度平均值约为0.13～0.19，对应湍流度平均值的比值为1∶0.79∶0.84，顺风向与水平横风向的湍流强度比值接近于规范推荐值1∶0.88，而顺风向与竖向湍流强度的比值则比规范推荐值1∶0.5大.不同大风天气大风时段71#测点顺风向湍流强度平均值约为0.17～0.32，横风向湍流强度平均值约为0.14～0.21，竖向湍流强度平均值约为0.08～0.12，对应湍流度平均值的比值为1∶0.71∶0.41，接近于规范推荐值1∶0.88∶0.5.
3 风振响应实测结果
比该状态“桥梁整体竖摆”频率计算结果偏大8.1%；主梁横向振动卓越频率为0.241 7 Hz，塔顶横向振动卓越频率为0.251 5 Hz，与桥塔横向侧弯频率计算结果较为接近.实测结果表明：6#塔施工完12#梁段时，在大风作用下桥梁结构风振响应表现为“整体侧弯”以及“整体竖摆”振动；桥梁悬臂施工期结构动力特性实测值与有限元分析结果吻合较好.
4 结 论
以在建的赤石大桥为依托，开展了山区地形高墩大跨桥梁施工期桥位风特性与风致振动响应实测研究与分析，得到如下主要结论：
1）复杂山区地形桥面高度处风速、风向沿桥轴线方向存在一定的不均匀性；大风天气当风从北侧吹时，风攻角变化较大；而当风从南侧吹时，风攻角变化较小.
2）主梁施工期在大风作用下桥梁结构风振响应主要表现为“整体侧弯”及“整体竖摆”振动.
3）桥梁悬臂施工期结构自振频率实测值与有限元分析结果吻合较好.
参考文献
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风向和风速篇4
关键词大风观测;记录处理;编报;地面观测
中***分类号p412.16文献标识码b文章编号 1007-5739(2010)01-0280-01
空气运动产生的气流,称为风。它是由许多在时空上随机变化的小尺度脉动叠加在大尺度规则气流上的一种三维矢量。地面气象观测中测量的风是二维矢量(水平运动),用风向和风速表示。极大风速(阵风)是指某个时段内出现的最大瞬时风速值。瞬时风速是指3s的平均风速。瞬时风速达到或超过17.0m/s(目测估计风达到或超过8级)的风称为大风[1]。大风是较为常见的灾害性天气,出现大风时,在北方容易造成沙尘天气,长时间的大风还会使土壤风蚀、沙化,对作物和树木产生机械损害,造成倒伏、折断、落粒、落果及传播植物病虫害等;严重地破坏各种设施,输送污染物等灾害,给人们的日常生活带来严重影响。因此,正确记录大风天气现象及时编发重要报,对气象预报、气象服务及灾害评估等方面有着十分重要的意义[2]。
1测风仪器
测量风的仪器主要有el型电接风向风速计、en型系列测风数据处理仪、海岛自动测风站、轻便风向风速表、单翼风向传感器和风杯风速传感器等。主要分析人工站en型系列测风数据处理仪和自动站的轻便风向风速表、单翼风向传感器和风杯风速传感器获得的大风资料。
2大风的观测及记录
按照大风采集数据文件规定,终止时间在风速达到17.0 m/s后,又小于17.0m/s并持续15min报终止时间,大风结束时间应为“终止时间”减去15min[3,4]。人工站en型系列测风数据处理仪大风开始时间为代号8888+当时的时间,大风结束时间为4444+当时的时间-15min。caws600型自动站的大风查询操作方法为:先打开自动气象站监控软件,点击数据查询,再点击大风资料查询窗口。例如,屏幕显示大风开始时间为2009年12月4日14时1分,大风结束时间为14时(17-15)分。应记录大风持续时间为14时1分开始至14时2分结束。
3大风的编报
一是人工编报。出现大风时,将第1次达到大风时的风向、风速及出现时间,输入到地面测报软件中的“观测编报(e)”,下拉菜单点击“重要天气报”,将时间改为大风出现的时间,并将风速、风向分别输入到相应栏内,其中风速有1位小数编报,校对无误后就可以发报。二是自动站编报。当自动站达到大风时,在1min之内且数据未刷新时点出重要报窗口,会显示当时的大风数据,即风向、风速及出现时间,但是如果超过1min后或数据刷新后才点击出重要报窗口时,该窗口的数据和大风出现时间就不是当时的大风数据了,要人工将时间改为大风出现时的时间,风速、风向改为大风出现时的相应数据,若数据未显示出来的要人工输入。三是续报。大风报发出后,若又出现≥24.0m/s的大风时要发续报,w0此时为0。若使用测报软件编报的,程序会自动判断;若人工编报的则需要编报人员自己判断。大风现象是1个过程只发1次大风天气报和续报(不管持续时间有多长),没有出现就不发,出现就得发。四是大风编报特殊规定。在一般情况下,当大风出现后,重要天气报应在10min之内发出。若大风和冰雹同时出现时,应在重要报中同时输入大风数据和冰雹直径,再编报发报。若大风和冰雹先后出现,第1种重要报还未发出,合并发1份重要天气报,此时的0段gggg(出现时间)编报最后一种现象达到标准的时间,w0编报0。在编发2时、8时、14时、20时天气报或天气加密报时,整点前30min内(31分以后,包括31分)出现的重要天气不再单独发重要报,可以合并到天气报、天气加密报中。
4大风灾害的调查和记录
大风是较为常见的灾害性天气,常常给工农业生产和人民生命财产造成严重损失。因此,当大风在本地范围内造成灾害时,应迅速进行调查,并及时在气薄-1纪要栏中记载,同时上报上级业务主管部门。调查内容包括影响的范围、地点、时间、强度变化、方向、路径、受灾范围、损害程度等。例如,1993年4月9日,11级大风瞬间将北京火车站前近100m的巨大广告牌连同基础墙刮倒,造成2人死亡、数十人受伤的悲剧。1997年3月25日15时40分左右,云南省开远市城区天空布满乌云,在电闪雷鸣、暴风骤雨的猛烈袭击下,市西路南段40多株行道树被9级大风(风速23m/s)吹折刮倒,几辆正在行驶的机动车被倒下的树干砸中,6人受伤;1辆载有2名乘客的三轮摩托车被倒下的一株树砸中,2名乘客因伤势严重不幸身亡。因此,做好大风灾害调查和记录,取得宝贵的第一手资料,可以为气象服务、防灾减灾及灾害评估提供事实依据。
整理
5参考文献
风向和风速篇5
关键词：风传感器；测风系统；故障诊断
中***分类号：TH165+.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0062-02
1 概 述
对于天空中的飞行器来说，风数据是最重要的气象数据之一。因此测风系统成为现代的民用航空机场必备的标准气象观测设备。对于气象机务人员来说，当测风系统出现故障时能够及时准确地判断出故障原因并快速维修好则能最大限度的减小气象设备风险。本文首先介绍了首都机场的测风系统工作原理，然后列出风系统故障判断的流程***并进行详细说明。最后介绍针对常见故障采取的措施。
2 首都机场测风系统工作原理
2.1 首都机场风数据处理流程
首都机场使用vaisala公司的WS425型风传感器，采集器型号为MILOS520。风数据的处理流程为传感器采集到原始数据后发送给采集器，采集器再将原始数据发送给系统主机，主机软件对风的原始数据进行加工，加工后将处理好的数据发送给用户。
2.2 超声波风传感器的测量原理
风传感器是测风系统中最重要的组成部分，首都机场使用的是超声波风传感器。与过去的机械式传感器相比较，该类型传感器具有体积小、无机械部件、寿命长、精度高等特点。超声波是指频率大于20 kHz的声波，很早人们就发现声波在空气中的传播速度受空气流动（即风）的影响，为此提出了利用测量声波在已知距离的两点之间传播时间的变化来逆向推导两点间风速的方法。发射探头发射一组超声波脉冲到达接收探头，从向发射施加激励脉冲起到接收到第一个脉冲止的超声传播时问，可以由下式计算：
其中，v0为静风下的声速，v为风速，L为传播距离，当方向和超声波传播方向一致时为正，反之为负。但是 会受到环境影响，其变化会引入较大的风速测量误差。因此后来又提出采用双向测量的方法，同时测量两个相对方向上传播时间的变化来抵消静声速变化的影响： T2=L/（v0■v）两个时间相减，得到风速测量公式：
显然，式中已经抵消了Vo，相当于做了差分测量，消除了Vo影响，这种方法通常称为“脉冲声时法”。
超声波风传感器的水平面上具有一个包含三个等间距的超声波探头的探头阵列。风传感器测量探头阵列之间的三条路径的传送时间（双向），如***1所示。然后可以计算出三条超声波路径中每一条路径的V.使用两条探头路径的V值便足以计算风速和风向。
2.3 风速和风向平均值计算
超声波风传感器可通过标量或向量平均值计算为风速和风向提供平均值。对于这两种方法，平均值是根据使用者可配置的平均时间来确定的。平均时间还会影响串行通信和模拟输出。使用者也可以配置阵风平均时间以计算风极值。根据世界气象组织 （WMO） 的建议，默认的阵风平均时间间隔为3 s。 如果选择了标量平均值计算，则使用者还可以启用风向移动以确保在风速较低的情况下获得一致的风向测量结果。
2.3.1 标量平均值计算
如果选择了标量平均值计算，超声波风传感器将会通过以下方式计算风速和风向平均值：从平均时间将每个风测量值加起来，然后将总和除以测量次数。每个连续的风速和风向测量之间的时间为0.25 s。风向是一个北向不连续的三角函数，在北向360 °等于零度。例如：
359 °+ 5 °= +4 °
0 °-5 ° = 355 °
超声波风传感器可将风向转换为线性函数以确定风向平均值。例如：359 °+ 5 ° 转换为364 °，然后进一步转换为+4 ° 进行输出。0 °- 5 °转换为355 °。 这样可确保风向平均值始终体现实际情况，即使在零方向的两侧单独进行采样也是如此。
如果数据采集系统在初始平均时间结束之前请求数据，传感器将会返回最新完成的测量数据。
准确的风向测量要求风速足够高。如果您启用风向移动，则当风速低于选定的风向移动阈值时，超声波风传感器将不会计算风向。最后计算的风向输出将保持不变，直到风速增加足以达到阈值并且超声波风传感器恢复正常操作为止。
2.3.2 向量平均值计算
如果选择了向量平均值计算，超声波风传感器将会通过以下方式计算风速和风向平均值：从平均时间将每个x速度和y 速度测量值加起来，然后将总和除以测量次数。超声波风传感器可将生成的x平均速度和y平均速度转换为极坐标方向和大小，从而返回以度为单位的风向平均值和选定单位的风速平均值。
如果数据采集系统在初始平均时间结束之前请求数据，传感器将会返回最新完成的测量数据。
3 风系统的故障诊断
可能多种原因导致测风系统的故障，具体诊断流程***，如***2所示。
当风系统数据出现不正常时，首先判断是否是异物所影响。最常见的情况是落鸟。设备正常工作时，在室内用远程通讯软件与采集器直接建立通讯联系，应有原始的字符串传过来，系统正常时软件接收到的字符样式如下：$PAMWV，341，R，008.1，M，A*3E.其中341为风向，008.1为风速，A*3E为效验码。当落鸟时通常仍然可以接收到字符串，但字符串中的各项数据往往不正确。例如$PAMWV，，R，，M，V*38该字符串中没有风向和风速值，校验码为V*38，表示数据不正常。还有一种情况为风速出现与实际情况不符的极大值，出现一段时间后消失，此故障通常情况下也是由落鸟所引起的。
主机中的软件故障也可以导致测风系统的失效。当系统显示界面中所有的风数据均出现丢失，通常是由主机软件故障所引起的。在主机的系统诊断软件中查看各个数据“对象”的值，若风数据的原始值正常，但计算得到的平均值丢失则是计算程序出现故障。此时重启风的计算服务，则系统可以恢复正常。
若只有某一个地点的风数据丢失，则通常是由采集器或传感器的故障导致的。首先使用远程通讯软件连接采集器，若该采集器上其他的传感器数据例如温湿数据等均丢失，则应为采集器故障。若只有风数据丢失，则应为传感器故障或传感器与采集器之间的通讯故障。WS425型风传感器是一种智能传感器，它的风的测量数据通过串口直接发送给采集器，机务人员可以使用维修计算机直接与传感器的串口建立连接，接收传感器发送的数据。若接收到，则传感器工作正常。若没有则是传感器与采集器之间的通讯故障导致。
4 针对系统故障采取的措施
针对首都机场的风系统的常见故障，机务人员采取了相应的措施。对于落鸟现象，机务人员自制了防鸟器。即在传感器的表面安装倒刺，使飞鸟无法落在上面。该防鸟器制作简单，成本低廉，但效果十分明显。另外WS425的替代品为WMT700，该传感器可以倒装，这也是解决落鸟问题的一种方法。
主机中关于风的计算程序故障是由于主机程序设计缺陷造成的。当操作人员对两个风数据源互相手工备份时将有可能导致该程序异常。软件升级是解决这一问题的最终办法。在没有升级前，加强人员管理，禁止互相手工备份风数据可以预防这种故障出现。
当WS425风传感器出现故障时，需要及时地进行更换。目前厂家已经停止了WS425的生产，替代品为新型的传感器WMT700。这两种传感器在硬件结构和软件设置方面有了较大的变化。因此替换前要对WMT700进行相应的配置，保证各项参数与老传感器保持一致。还需要从厂家另外购买两个接口转换头才可以成功替换WS425。
参考文献：
风向和风速篇6
1试验内容
根据昂船洲大桥工程实际，分别对中跨与边跨拉索进行了风洞试验，其中来流顺桥向试验中定义沿来流方向拉索升高为顺风向，沿来流方向拉索降低为逆风向。拉索轴线与桥面夹角为α(倾斜角)，拉索所在垂直平面与来流方向的夹角为β(水平偏角)。中跨拉索α=21°，β=7.1°，边跨拉索α=36°，β=9.5°。试验风速从20m/s到50m/s，风速间隔为2m/s。采样频率为1000Hz，每点采集时间约续30s。试验共进行了如下内容:1)光滑表面模型，直径为169mm中跨拉索和直径为139mm的边跨拉索，倾斜角和风偏角按实际工程中跨与边跨拉索的角度定义;2)粘贴螺旋线表面形式拉索，拉索直径为169mm和139mm，螺旋线厚度选取2mm、4mm、6mm，倾斜角和水平偏角同上;3)压花表面形式，拉索直径为169mm及139mm，倾斜角和水平偏角同上。以上各种表面形式的拉索均进行三个来流方向的风洞试验，来流顺桥向试验中拉索顺风向编号为1，逆风向编号为2，来流横桥向时编号为3。
2试验结果与分析
2．1数据处理
由天平测出体轴系下的三分力FX、FY、FZ，可分别得到顺桥向与横桥向的水平阻力。
2．2结果分析
2．2．1风向对阻力系数的影响本试验中，边跨或中跨拉索的倾角固定，来流方向从沿纵桥向往横桥向变化时，拉索的阻力系数逐渐增大，横桥向时阻力系数达到最大值，从***5和***6数据分析，横桥向时的拉索阻力系数可达纵桥向阻力系数的15倍左右。来流沿纵桥向时，在顺风向时拉索将产生向下的压力，逆风向时产生向上的升力，随风速的增加，在这两个风向下阻力系数变化不大，并且两者阻力系数比较接近，顺风向下阻力系数稍大于处于逆风向时的情况。对比中跨和边跨拉索在来流沿纵桥向时的试验数据，边跨拉索阻力系数大于中跨拉索情况，分析其原因，主要是其倾斜角不一致所致，中跨拉索α=21°，边跨拉索α=36°。可见，来流沿纵桥向时，拉索的倾角是影响拉索阻力系数的主要因素。在实桥中，边跨小直径拉索的倾斜角大于中跨的大直径拉索，根据以往的研究成果，倾斜角增大会明显增加阻力系数［5］，本试验符合该现象。
2．2．2表面粗糙度对阻力系数影响同种工况下，螺旋线表面拉索与压花表面拉索阻力系数大于光滑表面情况，这说明随着表面粗糙度的增加，拉索阻力系数也随之增加。对于螺旋线表面，随着螺旋线高度的增加，阻力系数逐步增大，但风速的增大对阻力系数影响并不明显，因此，实际工程中，采用粘贴螺旋线改变拉索的气动特性，是抑制拉索风致振动特别是风雨振动的较好举措。同工况下，压花表面拉索阻力系数小于螺旋线表面情况，但压花表面拉索阻力系数随风速的增大有明显增大，因此，在实际工程中采用压花表面改善拉索气动特性时尤其要注意其引起结构风荷载的增加幅度。各工况下阻力系数分布如***7～14所示。
2．2．3纵桥向试验结果与现行规范的对比我国现行的公路桥梁抗风设计规范［1］根据苏通大桥的斜拉索实验［6］，对斜拉索纵桥向阻力系数进行了定义，规范的取值是根据光滑表面拉索的风洞试验数据得出。规范规定具有一定倾斜角的斜拉索阻力系数可近似按以下公式取值。其中，系数A在风速为25m/s时取值为1，当在设计风速下时取值为0.8;当倾斜角为90°时，Cd=A。对比同工况下阻力系数试验值与上述规范采用的经验公式取值，试验值小于规范取值，规范取值偏于保守。上述经验公式只考虑拉索倾角影响，而实际桥梁拉索与纵桥向一般会有一定偏角，因此，斜拉索倾角和风偏角对其阻力系数的综合影响有待进一步研究。
3结论
根据以上的研究和分析，可以得出以下结论。1)来流方向从顺桥向往横桥向变化时，阻力系数逐渐增大;来流方向沿纵桥向时拉索倾角对阻力系数值影响较大，风速对其影响较小。2)阻力系数随表面粗糙度的增加而增大，螺旋线表面阻力系数大于压花表面阻力系数。3)螺旋线表面拉索阻力系数受风速影响较小，压花表面阻力系数随风速的增大而增大。4)对比试验值与规范公式取值，规范取值偏于保守，斜拉索倾角和风偏角对其阻力系数的综合影响有待进一步研究。
风向和风速篇7
关键词：山区峡谷；谐波合成；现场实测；脉动风速；大涡模拟
中***分类号：TU311.3 文献标识码：A
随着国民经济的高速发展，越来越多的大跨度桥梁建成并投入使用。在复杂的峡谷地区，由于地形起伏大、地貌多样，风环境极为复杂，平原、海洋地区通常使用的各向同性地貌条件对山区峡谷地区风场的描述不再适用。桥址处风场受周边山体影响，有显著的非定常效应，风场脉动剧烈，紊流风引起的风致振动问题相比于跨江、跨海桥梁更显突出，而目前人们对这些地区的脉动风场分布研究还相对较少，现有研究数据还不足以形成规范性的条文。因此，加强对山区峡谷桥址处的风特性认识已成为了广大研究者关注的焦点问题之一。目前，对山区峡谷风场的研究手段主要有现场实测、风洞实验和数值模拟。现场实测是对峡谷风场研究最为直接和有效的方法，许多学者对其展开了工作，本文以澧水大桥所在峡谷为研究背景，用现场实测的方法对桥址所在峡谷进行了风速监测，然后运用谐波合成法将现场实测风场进行等效处理后赋给数值模拟的人口边界。现场实测数据虽然可为数值模拟和风洞实验提供宝贵的参考，但是其不足的是实验条件难以控制、投资较大、管理维护困难、监测周期长。与现场实测相类似，风洞实验也是山区峡谷风场研究的重要手段，风洞实验虽然具有多工况、可重复等优点，但由于物理风洞本身尺寸的限制，对于大区域山体地形，即使将风洞试验模型比例缩小到最小尺度，在模型边界上仍然会出现人为的峭壁，同时，也无法保证来流入口边界条件（如风剖面、湍流度）与实际情况一致，从而导致结果失真，特别是在大比例模型试验中变换风向角时的计算准确性尤其值得商榷。
相比现场监测和风洞实验，计算流体动力学（CFD）方法发展很快，已被越来越多的研究者所应用。由于数值模拟不受时间和空间限制，具有可重复、消耗人力物力资源少等优点，许多学者对其展开了研究。对于复杂山区峡谷风场，CFD虽然具备模拟大区域地形的优势，但依然存在一系列问题，如人口边界的合理给定问题，针对该问题的研究，Maurizi等用1/10的斜坡作为气流过渡段来处理入口边界峭壁问题，但其斜坡形式较为简单，适用性有待验证；胡朋等采用曲线过渡段的办法对峡谷人口进行处理，不足的是这种办法会引起人为的来流风攻角。相比平原或洋面风场，山区地形风场的数值模拟涉及分离流、高雷诺数湍流和强三维流动等复杂的空气流动，其核心是湍流问题。上述学者用雷诺平均湍流模型对其进行研究，其时均化过程中丢失了大量的脉动信息。目前普遍认为比较有潜力的大涡模拟（LES）在计算风工程中体现出优越性，但LES的合理脉动人口给定还有待进一步研究，Uchida和Ohya采用大涡模拟的方法对9.5 km×5 km区域范围内空气流动进行数值模拟，使用粗糙元制造脉动风，但其粗糙元的摆放产生的脉动风场可调性差，与实际的边界条件仍存在一些出入，而正确的人口脉动信息给定是计算结果正确性的重要保证，因此，山区峡谷风场特性数值模拟时人口边界条件中脉动的合理施加是当前数值模拟方法迫切需要解决的关键问题。
本文以澧水大桥所在峡谷为研究背景，建立了山区峡谷风场实时监测系统，对桥址上游及桥址附近风场进行了真实有效的记录，基于谐波合成法将监测的实际风场进行等效，通过对商业软件Fluent进行二次开发，较好地处理了山区峡谷风场数值模拟过程中脉动人口给定问题。同时用本文所提方法和无脉动人口计算结果进行对比后发现，本文所用方法更能体现山区峡谷风场的真实流态。最后在脉动人口边界条件基础上对不同风向角作用下的山区峡谷桥址处风场进行了数值模拟。
1现场实测
1.1工程背景
本文以张花高速澧水大桥所在峡谷为研究背景。桥梁主跨为856 m，属典型的山区峡谷大跨径桥梁，桥位所处峡谷谷顶宽420 m，谷顶与谷底高差280 m，桥位布置如***1所示。
1.2风速监测系统
澧水大桥风速监测系统由观测站、桥塔站和桥跨站组成。观测站根据盛行风方向设立在桥址西南侧，位于本文数值模拟人口附近，监测站风速仪布置在平坦地区，可认为其风场特性与数值模拟人口接近，其特性可为数值模拟的入口边界条件取值提供参考，风速监测仪布置高度离地面10 m，如***2所示。
桥跨站由3个Young 81000三维超声风速仪组成，布置位置为盛行风方向同侧。桥塔站也沿高度布置了3个Young 81000三S超声风速仪，具体位置如***1所示（其中星形标识为风速仪安装位置），风速仪采样频率为4 Hz。为了实现风速时程的实时观测，课题组利用GPRS无线传输系统，将现场风速实时数据远程传输至长沙理工大学风速采集中心。
1.3峡谷处风场实测数据分析
为得到峡谷风场特性，通过对2014年8月的风速时程进行分析，得到了观测站和桥跨站的风玫瑰***，如***3所示。
从***中可以发现8月主导风向为西南风，风向与观测站风速仪布置方位一致。同时，对桥塔不同高度风速时程进行监测，得到了强风作用下风剖面a值出现次数分布情况，如***4所示。从***中可以发现a值呈正态分布，均值为0.3011，综合考虑澧水大桥桥位地形条件，本文α值取0.3。
为使数值模拟来流风向角与现场实测保持一致，本文风速时程取自2014年8月29日观测站实测结果，通过对该天的风速取日平均，得到了该天的日平均风速为4.43 m/s，日平均风向角约为180°，风速和风向角时程如***5所示，湍流强度用公式Ii=σi/U（i=x，y，z）进行求解，通过分析风速时程可得模拟当天的日平均湍流强度为20.6%。
对监测站风速进行风谱分析，时间步长采用0.25 s，用Kaimal谱形式进行拟合，结果如***6所示。
其功率谱拟合公式可表示为：
（1）式中：Su（n）为顺风向功率谱密度函数；n为风的脉动频率，f=nZ/U（z）；u*为气流摩阻系数。
2数值模型与计算参数
2.1模拟区域与网格划分
几何模型建立过程中，首先通过空间地理数据云获得大范围的地形高程数据，然后用GlobalMapper做进一步处理，从而得到目标区域的地形模型。山体模型采用实际尺寸，计算区域大小取10 km×9 km×4 km，如***7所示。
为保证计算精度，数值模型采用全六面体网格，网格在近地面进行加密，最底层网格高度为1 m，高度方向在近地面处网格延伸率为1.05，远离地面网格延伸率为1.15，总网格数为6 752 495，计算网格通过了无关性测试，如***8所示。
2.2边界条件与计算参数设置
本文数值模型入口处最低高程为164 m，桥跨站风速仪安装高度为505 m，桥塔站风速仪安装高度为620 m，为使峡谷风场人口速度尽量接近现场实测值，本文人口边界条件包含了平均风和脉动风两部分，平均风速采用分段函数形式给定，其中，近地面处采用指数率形式。为使风速在峡谷内的变化趋势接近实际情况，本文指数率变化段高度取836m。平均风剖面的具体表达形式为：当Z≤164 m时，速度为0 m/s；当164 m
V=0 m/s，Z≤164 m；
（2）
V=7.5 m/s，Z≥1000 m。
本文脉动风速是基于谐波合成法合成的，合成过程中功率谱根据观测站风速时程等效而来，因此，本文所用人口边界能够满足观测站的风场特性。通过编制UDF程序对商业软件Fluent进行二次开发，将合成的随机风速时程赋给数值模型人口所对应的网格坐标，其中顺风向功率谱采用公式（1）所述形式，竖向功率谱采用Lumley and Panofsky谱，可表示为：
（3）
（4）式中：Sn（n）为脉动风竖向功率谱密度函数；Z为地面高度；K为无量纲常数，本文取K=0.4；z0为地表粗糙高度，本文取z0=1 m；zd=H―z0/k，H为周围建筑物平均高度。
本文在数值模拟过程中，除人口边界条件采用用户自定义外，地表采用无滑移边界条件，顶面采用自由滑移边界条件，侧面采用对称边界，出口采用毫Τ隹诒呓纭G蠼夥矫妫本文的N-S方程采用PISO方法进行求解，对流项和扩散项均采用二阶中心差分格式，用超松弛方法（SOR）求解压力Poisson方程，压力和动量松弛因子分别取0.3和0.7，在满足柯朗数（CFL）的前提下，时间步长取0.1 s。
2.3监测点布置
数值模拟过程中，在主梁水平方向布置了9个风速监测点，竖向方向在1/2跨，3/5跨，7/10跨处分别布置了20个监测点，监测点具体位置如***9所示。
3结果验证
数值模拟考虑了2种工况，工况1为利用本文所提方法作为人口边界，工况2为不考虑脉动信息入口边界，2种工况除人口边界条件不同外，其余边界条件与计算参数均保持一致。整个过程采用超线程48核工作站进行计算，2种工况的速度云***如***10所示。
从***中可发现，考虑脉动人口的风场计算结果相比无脉动人口情况体现出了明显的脉动效应。对整体风速而言，两者在高度方向均能体现梯度效应，但对于局部风速，考虑脉动作用下的风场由于有漩涡的影响，最大值要大于不考虑脉动情况，出现的最大风速为10.1 m/s，而不考虑脉动人口的最大风速为7.7 m/s。
3.1速度时程
对数值模型中桥跨站风速仪和桥塔站风速仪安装的相同位置进行风速监测，用模拟结果与实测结果的平均值进行对比，其结果存在一些偏差，主要是由于人口边界条件无法跟实际保持完全一致和复杂地形中树木等障碍物改变了风场的局部特性。
3.2湍流度
***11给出了工况1作用下桥址跨中的风速和风向角时程，根据上文中湍流强度剖面的定义计算出来，***12给出了工况1作用下桥塔站和桥跨站所在位置的湍流度剖面。从***中可发现近地面脉动情况要远大于远离地面处，当高度大于1 000 m后，湍流度值基本趋于稳定，主要原因是当高度大于1 000m时风场没有受到山体地形影响。为了更好地说明本文所提方法的优越性，将2种工况作用下桥跨站和桥塔站的湍流度与实测值进行对比，见表1。
从表中可发现考虑脉动人口作用下的湍流度要明显高于不考虑脉动情况，说明不考虑脉动风作用下桥址处风速波动较小，没有体现出良好的三维紊流特性。相比现场实测数据，考虑脉动信息作用下的模拟结果其吻合程度要明显优于不考虑脉动情况。但即使考虑了脉动人口边界，桥塔站和桥跨站湍流度相比现场实测结果还是偏小，主要原因有两点，一是现场实测风速属于阵风，离散大，而数值模拟的风场相对实测值更为连续；二是大涡模拟过程中由于亚格子模型和网格尺寸的影响，湍流度会出现耗散现象，因此导致湍流度值偏小。
3.3功率谱及相关性
对不同人口来流作用下桥跨站和桥塔站的风谱模拟值和实测值进行对比，结果如***13至***16所示。其中***13和***14分别为桥跨站顺风向和竖向的功率谱对比***，***15和***16分别为桥塔站顺风向和竖向的功率谱对比***。从***中可明显观察到考虑脉动人口边界条件模拟的功率谱能量值要明显大于不考虑脉动情况，且与实测谱吻合更好，特别是在大跨度桥梁抗风中所关注的频率段（0.1～1 Hz），考虑脉动人口的数值模拟结果与现场实测值基本一致，体现出了本文所提方法的正确性，也证明了本文所用方法能较好地适用于山区大跨度桥梁。在频率大于1 Hz后，数值模拟的频率值相对实测结果出现下降，主要原因是数值模拟过程中会出现频率衰减现象，加密网格和优化大涡模拟亚格子模型会改善此问题。与此同时，本文对桥跨站与桥塔站2点的风速相关性进行了分析，由于桥塔站和桥跨站2点相距600 m，其相关性非常微弱，几乎可以等效为相互***情况。
4脉动入口作用下峡谷风场分析
将2种不同人口边界条件模拟结果与现场实测结果进行对比发现，不论是在湍流度方面还是在风谱方面，考虑脉动人口边界情况相比不考虑脉动情况其模拟结果具有较大的优势。为得到不同风向角作用下峡谷桥址处的详细风场特性，本文在考虑脉动人口边界条件的前提下，以桥轴线方向为基准，用7个不同风向角对桥址风场进行了分析，每个风向角相隔20°，如***17所示，其中x，y代表地形坐标系，x'，y'代表桥轴坐标系。
4.1不同风向角作用下计算结果
***18给出了不同工况作用下峡谷桥址风场的速度云***，从***中可发现，不同风向角作用下桥址处风速具有明显的差异，在局部区域风速出现负值；在同一风向角作用下随主梁位置不同风速也有所不同，因此说明了复杂的山体地形对桥址处风场带来了很大的扰动。
***19给出了工况1和工况5作用下主梁顺桥向、横桥向和竖向方向的风速分布情况。这2种工况所对应的风攻角与风向角分布情况如***20所示，从***中可发现，主梁跨中与端部风速在3个方向上均有所不同。同时，风向角和风攻角也具有明显的差异，工况1作用下主梁处的风攻角最大值为10.2°，最小值为-9.6°，波动范围较大，而风攻角又是桥梁风致振动响应中非常重要的参数之一，需引起重视。
4.2不同工况作用下风速放大系数与风剖面分析
***9中主梁3～7号风速监测点处于主梁结构振动、气动力较为显著的部位，对这5点的速度时程进行监测，然后取平均。风速放大效应系数为主梁所在位置的风速与主梁同一高度入口处风速的比值。本文对峡谷风速放大系数和峡谷横桥方向风速放大系数进行了分析，其中，横桥方向风速放大系数为风速通过三角分解后换算到主梁横向上的放大系数，各工况作用下风速放大系数与横桥方向风速放大系数见表2。从表中可发现，风速放大系数均小于1，因此表明桥址处没有出现峡谷加速效应，工况1和工况2作用下峡谷风速放大系数较大，主要原因是峡谷走向与来流风向一致，当峡谷走向与来流风向角偏差较大时，风速放大系数明显减小，因此表明峡谷风速放大效应主要受峡谷走向与来流风向影响。对于横向风速放大系数，工况4和工况5相对较大，是由于这2个工况下风向角与主梁轴线方向垂直，来流风未被三角分解而直接作用在主梁上，在风速相同时，此类风向角来流风作用在主梁上的风致效应更为明显，需引起重视。
对大跨度桥梁抗风而言，最为敏感的风速为作用在桥横向方向的风速。***21给出了不同风向角作用下桥址3/5跨位置经三角分解后作用在桥横向方向风速剖面***。
从***中可发现，在低于1 200 m时，风速沿高度变化无明显规律，主要原因是在1 200 m以下时风场受峡谷和山体等障碍物影响，风场紊乱，变化复杂。在高于1200 m时，风速受地形因素影响较小，基本趋于稳定。通过分析发现在工况5作用下，主梁所受横向风速最大，工况1作用下最小，主要原因是风向与主梁轴线之间夹角所致，从所用工况结果可发现风向与主梁夹角越小，横桥向风速越小。
5结论
本文通过对澧水大桥所在峡谷风场进行现场实测与数值模拟，得到了以下成果和结论：
1）对澧水大桥桥址上游观测站进行风场现场实测，得到了观测站的风场特性，给山区峡谷地形风场数值模拟人口边界条件的选择提供了重要依据。
2）利用谐波合成法对桥址上游监测点风特性进行等效处理，基于对商业软件Fluent进行二次开发，提出了一种能满足当地实际风场特性的大涡模拟脉动人口边界给定方法。
风向和风速篇8
[关键词] 盘锦 风向 风速
[中***分类号] TM614 [文献标识码] A [文章编号] 1003-1650 （2015）06-0292-01
引言
盘锦地处辽河平原，渤海之滨，位于辽宁省的西南部。由于气压场的年季变化加之地形的狭管效应，使我地区常年盛行西南风。当气压梯度较小时，则出现海陆风，风向变化平稳，风能资源丰富。
1 风能资源分析
1.1 风向
1.1.1 风向随季节的变化
盘锦风向随季节变化明显。春季，大陆高压减弱，气旋活动增强，气压场多以南高北底型出现，故此偏南大风居多。夏季，本地处于大低压区的前部，盛夏常受副高后部控制，仍以偏南风为主。秋季，中国大陆低压逐渐减弱，北方高压南下增多，冷暖空气活动频繁，南北风交替出现。冬季，常受大陆高压控制，以偏北风为主。
1.1.2 年最多风向
盘锦盘山年最多风向冬半年（11～2月）为偏北风；夏半年（3～10月）为偏南风（见表1-1）。
表1-1 累年各月最多风向及其频率 %
1.2 风速
1.2.1年平均风速
盘锦近30年年平均风速为3.7m/s，年际变化范围为3.1～4.7m/s。变化趋势呈递减趋势：年平均风速由60年代的4.7m/s，减小到90年代的3.4m/s。8级以上大风日数也由60年代的40.0d减少到90年代的14.7d。
1.2.2风速的日变化
一般情况下，夜间风速小，白天风速大。因为日出以后太阳辐射逐渐增强，地面热量增加，上下对流旺盛，高空风的动量下传，风速逐渐加大，到午后14时左右风速达到最大，以后逐渐减小。日落后地面迅速冷却，大气层结趋于稳定，地面风速迅速减弱，入夜后风速基本平稳少变。一天中以11～16时为全天风速的最大时段；23～05时为全天风速的最小时段。如果傍晚风速仍不减弱，则说明本地有较强的高低压系统移入，夜间或第二天还将维持大风天气，此种情况多发生在春季大风时节。
1.3 风力量级分布
据统计，盘锦地区全年每小时平均风速≥3.0m/s的出现频率平均为60%，≥6.0m/s的出现频率平均为17%。
1.4 大风出现日数
盘锦地区全年6级以上大风日数为67d，最多 111d，最少32d；8级以上大风日数为22d，最多54d，最少8d。大风主要出现在春季，占全年大风日数的50%以上，年最大风速为25.7m/s。
2 风能资源评价
依据上述分析，得出如下结论：盘锦地区有效风能出现时间百分率在50%以上，且年际变化比较平稳，风向变化稳定。内陆风呈逐渐减小趋势，除气候变化因素外，与城市的发展、观测环境的破坏及城区植树造林有很大关系。在一般情况下，根据风速廓线的对数分布规律求得：以10米高度的风速为基数，高度每增加10米，其对应风速依此增大12%、14%、16%、20%。例如：10米高度的风速分别为3m/s、6m/s、12m/s，则30米高度的对应风速为3.9m/s、7.7m/s、15.4m/s（此分析只是理论数据，仅供参考）。