周軍莉 尹飛 李善玉 張國(guó)強(qiáng) 王海娟

1武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

2湖南大學(xué)土木工程學(xué)院

3天津新金融投資有限責(zé)任公司

自然風(fēng)的實(shí)測(cè)研究

周軍莉1尹飛2李善玉1張國(guó)強(qiáng)2王海娟3

1武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

2湖南大學(xué)土木工程學(xué)院

3天津新金融投資有限責(zé)任公司

自然風(fēng)特性包括平均風(fēng)特性和波動(dòng)風(fēng)特性。把自然風(fēng)看做恒定氣流會(huì)造成較大的誤差，有時(shí)甚至?xí)贸鐾耆e(cuò)誤的結(jié)論。波動(dòng)風(fēng)隨時(shí)間和空間呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性的隨機(jī)特性，目前主要通過(guò)實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行研究。實(shí)測(cè)是分析自然風(fēng)特性的重要方法。本文介紹了風(fēng)速測(cè)試中常用儀器的工作原理和適用范圍，包括熱線風(fēng)速儀、葉輪風(fēng)速儀、畢托管風(fēng)速儀、激光多普勒風(fēng)速儀和超聲波風(fēng)速儀等設(shè)備。本文還歸納了國(guó)內(nèi)外相關(guān)自然風(fēng)的測(cè)試研究，從測(cè)試綜述可知：研究者們多采用超聲波風(fēng)速儀和小型氣象站等進(jìn)行實(shí)測(cè)，采集到各種時(shí)間尺度的風(fēng)特性數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出脈動(dòng)風(fēng)的實(shí)際特性，從而建立風(fēng)特性數(shù)據(jù)庫(kù)、風(fēng)速風(fēng)向模型，經(jīng)驗(yàn)公式等。

自然風(fēng)波動(dòng)特性實(shí)測(cè)

0 引言

自然通風(fēng)是當(dāng)今建筑領(lǐng)域利用自然能源改善建筑熱環(huán)境、降低空調(diào)能耗的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于實(shí)際情況下建筑室內(nèi)外的自然通風(fēng)的研究，自然風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和變化特征是至關(guān)重要的[1]。

然而，現(xiàn)階段對(duì)于建筑自然通風(fēng)的研究，無(wú)論是CFD數(shù)值模擬，還是風(fēng)洞試驗(yàn)，往往將氣象臺(tái)提供的主導(dǎo)風(fēng)向和平均風(fēng)速作為恒定的外場(chǎng)邊界條件，這種恒定風(fēng)的假設(shè)，可能會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果偏離客觀事實(shí)[1]，難以客觀評(píng)價(jià)自然通風(fēng)的利用效果。因此，作為相關(guān)領(lǐng)域的研究者必須首先從理論上充分認(rèn)識(shí)自然風(fēng)的特性。風(fēng)通常被認(rèn)為由湍流成分和平均風(fēng)速成分組成，其中平均風(fēng)速表現(xiàn)為一定時(shí)間段內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)；大氣的湍流成分在時(shí)間和空間上呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性隨機(jī)脈動(dòng)特性。實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析是研究湍流風(fēng)特性的主要途徑[2]。

1 自然風(fēng)特性

大氣邊界層風(fēng)特性包括平均風(fēng)特性和脈動(dòng)風(fēng)特性，其中平均風(fēng)表現(xiàn)為一定時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，包括：平均風(fēng)速、風(fēng)向分布以及風(fēng)速廓線等；而大氣的脈動(dòng)湍流成分在時(shí)間和空間上呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性隨機(jī)脈動(dòng)特性，一般采用脈動(dòng)風(fēng)速、紊流強(qiáng)度、湍流相關(guān)性、陣風(fēng)因子、積分尺度及脈動(dòng)風(fēng)功率譜等物理統(tǒng)計(jì)量來(lái)表示。此外，目前已有部分研究者用分形混沌理論來(lái)研究自然風(fēng)的湍流特性，并提出了一些自然風(fēng)的特性參數(shù)。

關(guān)于自然風(fēng)平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)的特性，文獻(xiàn)[3]中均做了詳細(xì)介紹，這里不便重復(fù)，下面僅對(duì)脈動(dòng)風(fēng)的特性做一些補(bǔ)充。

1）脈動(dòng)風(fēng)速：脈動(dòng)風(fēng)速的分析有兩種方法：矢量法和標(biāo)量法。矢量法將大氣湍流的水平風(fēng)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(biāo)量法則將水平風(fēng)速用水平絕對(duì)風(fēng)速和水平風(fēng)向兩個(gè)標(biāo)量表示[4]。

2）功率譜密度函數(shù)：湍流功率譜密度函數(shù)在頻域上的全積分等于脈動(dòng)對(duì)應(yīng)方向上的湍流動(dòng)能，它在頻域上的分布可以描述湍流動(dòng)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(dòng)風(fēng)速的時(shí)間相關(guān)函數(shù)R(τ)經(jīng)傅里葉（Fourier）變換后求得，也可以直接由風(fēng)速儀測(cè)出功率譜曲線[5]。

3）陣風(fēng)系數(shù)：陣風(fēng)系數(shù)G是陣風(fēng)風(fēng)速與平均風(fēng)速之比。陣風(fēng)系數(shù)同湍流強(qiáng)度有關(guān)，湍流強(qiáng)度越大，則陣風(fēng)系數(shù)越大。另外，它還取決于陣風(fēng)的持續(xù)時(shí)間，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則陣風(fēng)系數(shù)越小[4]。

4）分形及混沌特性分析。自然風(fēng)是一種宏觀上表現(xiàn)為隨機(jī)的、無(wú)規(guī)則的，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有自相似性結(jié)構(gòu)的不同尺度漩渦，反映了湍流現(xiàn)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(wú)章但具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的圖形，這種結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為一種內(nèi)在幾何規(guī)律性，即比例自相似性，稱為自相似結(jié)構(gòu)[6]。2000年朱穎秋[7]用相空間重構(gòu)圖的寬長(zhǎng)比δ來(lái)描述圖形的形狀，將δ作為區(qū)別自然風(fēng)和機(jī)械風(fēng)的一個(gè)重要判據(jù)，還提出信息熵Si和信息維Di兩個(gè)指標(biāo)，它們描述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)的無(wú)序程度[8]。2010年陳軍基于相空間重構(gòu)理論，分析了三組自然風(fēng)的風(fēng)速樣本的時(shí)間序列，表明自然風(fēng)的二維重構(gòu)相空間圖呈紡錘形，自然風(fēng)具有分形特性[6]。2011年郭浩等運(yùn)用G-P算法對(duì)自然風(fēng)風(fēng)速樣本進(jìn)行計(jì)算，得出自然風(fēng)的分形維數(shù)，并發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)與地表的粗糙度或地貌特征相關(guān)[9]。

2 風(fēng)的測(cè)試方法

風(fēng)的測(cè)量包括風(fēng)向測(cè)量和風(fēng)速測(cè)量。風(fēng)向標(biāo)是測(cè)量風(fēng)向的最通用的裝置。在風(fēng)的動(dòng)壓作用下取得指向風(fēng)的來(lái)向的一個(gè)平衡位置，即為風(fēng)向的指示。風(fēng)向一般用16個(gè)方位表示。

風(fēng)速測(cè)試有平均風(fēng)速的測(cè)試和紊流成分的測(cè)試。測(cè)試風(fēng)速的方法有機(jī)械法、散熱率法、動(dòng)壓法、激光多普勒測(cè)速及超聲波測(cè)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(guān)系測(cè)得風(fēng)速。它可分為：①恒溫式：熱線的溫度保持恒定，測(cè)量通過(guò)熱線的電流，常用儀器為熱線風(fēng)速儀，低速時(shí)靈敏度較高。②恒流式：通過(guò)熱線的電流保持恒定，測(cè)量熱線溫度變化，常用儀器為熱球風(fēng)速儀，高速時(shí)靈敏度較高。有時(shí)為了增加強(qiáng)度，用金屬膜代替金屬絲，稱為熱膜風(fēng)速儀。熱線風(fēng)速儀適用于低風(fēng)速測(cè)量，可以測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速；熱球風(fēng)速儀適用于高風(fēng)速測(cè)量，但只能測(cè)量平均風(fēng)速。它精度高，動(dòng)態(tài)性能好，對(duì)流場(chǎng)干擾小，具有溫度補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)，但易損壞。

2）機(jī)械法[10]。該方法常用的是風(fēng)杯式或葉輪式風(fēng)速儀，其原理是空氣通過(guò)風(fēng)杯或葉輪，推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)速來(lái)測(cè)量風(fēng)速。風(fēng)杯/葉輪風(fēng)速儀的量程為0.6～40m/s，測(cè)量精度為2%。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶方便，動(dòng)態(tài)特性較差，適于測(cè)量中低段平均風(fēng)速，測(cè)瞬時(shí)風(fēng)速準(zhǔn)確度較低。

3）動(dòng)壓法[10]。該方法的原理是伯努利方程。常用儀器是皮托管，測(cè)量時(shí)，測(cè)量斷面必須處于平穩(wěn)流動(dòng)區(qū)，全壓孔迎向來(lái)流方向，靜壓孔垂直流動(dòng)方向，測(cè)得該位置的動(dòng)壓與靜壓之差，算出風(fēng)速。它的量程為2.5～80m/s，精度為3%，動(dòng)態(tài)性較差，僅適用于穩(wěn)定流場(chǎng)，只能測(cè)平均值，不能測(cè)脈動(dòng)值，一般用于隧道和管道風(fēng)速的測(cè)量。

4）激光多普勒測(cè)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(yùn)動(dòng)的微粒上，檢測(cè)微粒散射光的頻率，根據(jù)光學(xué)多普勒效應(yīng)確定微粒即流體的運(yùn)動(dòng)速度。激光多普勒測(cè)速儀測(cè)速范圍從0.05μm/s到106m/s，測(cè)量精度為0.1%～1%。它具有非接觸式測(cè)量、不干擾流場(chǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、測(cè)量精度高、量程大、能判別流動(dòng)方向。在湍流中微粒對(duì)流體的跟隨性降低，因此，一般不能測(cè)量脈動(dòng)風(fēng)速。

5）超音波測(cè)試方法[11]。該方式是通過(guò)超聲波脈沖順流和逆流傳播時(shí)速度之差來(lái)反映流體流速。超聲波風(fēng)速儀的工作原理是聲音在空氣中的傳播速度，會(huì)和風(fēng)向上的氣流速度疊加。若超聲波的傳播方向與風(fēng)向相同，它的速度會(huì)加快；反之，速度會(huì)變慢。超聲波風(fēng)速儀測(cè)量范圍廣，測(cè)量精度高，能達(dá)到1%，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求不高，適用范圍廣，因此得到廣泛應(yīng)用。

以上五種測(cè)試技術(shù)中，熱線只適合低風(fēng)速測(cè)量，但能測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速；熱球只適合高風(fēng)速測(cè)量，只能測(cè)平均風(fēng)速；機(jī)械法適合中低段平均風(fēng)速的測(cè)量，不能測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速；動(dòng)壓法可測(cè)量2.5～80m/s范圍內(nèi)的平均風(fēng)速，不能測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速；激光多普勒風(fēng)速儀測(cè)速范圍最大，一般不能測(cè)量脈動(dòng)風(fēng)速；超聲波測(cè)速范圍和適用范圍均很廣，既能測(cè)平均風(fēng)速也能測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速。

3 自然風(fēng)的測(cè)試研究

為了準(zhǔn)確描述某一地區(qū)的風(fēng)特性，最有效的方法是在該地區(qū)進(jìn)行大量風(fēng)的觀測(cè)分析，得到合適的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒y(tǒng)計(jì)參數(shù)[12]。在上個(gè)世紀(jì)末，一些風(fēng)工程研究發(fā)達(dá)的國(guó)家已經(jīng)建立了本地區(qū)的風(fēng)特性數(shù)據(jù)庫(kù)，例如挪威的Froya數(shù)據(jù)庫(kù)[13]，加拿大和英國(guó)的近海風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)等，還有類似美國(guó)Sparks[14][15]、日本Kato[16]和Ohukuma[17]等在時(shí)間或空間上大規(guī)模的觀測(cè)也得到了比較完整的分析結(jié)果。我國(guó)的風(fēng)特性實(shí)地觀測(cè)研究相對(duì)薄弱，但近十年來(lái)仍取得了比較大的進(jìn)展?，F(xiàn)將國(guó)內(nèi)外近十年來(lái)的自然風(fēng)實(shí)測(cè)的案例進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的測(cè)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(fēng)速儀對(duì)臺(tái)風(fēng)“派比安”和“杰拉華”進(jìn)行實(shí)測(cè)，探頭以偏東為主風(fēng)向，采樣頻率10Hz，采集到近20h的三維強(qiáng)風(fēng)樣本。數(shù)據(jù)分析表明：湍流積分長(zhǎng)度約在80m左右，水平湍流功率譜密度函數(shù)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(guò)安裝在15m高處的9個(gè)風(fēng)向標(biāo)和7個(gè)聲波風(fēng)速計(jì)對(duì)古河電氣工業(yè)公司的電纜處臺(tái)風(fēng)Maemi進(jìn)行三維風(fēng)實(shí)測(cè)，采樣時(shí)間間隔為10m in，采樣頻率為10Hz。測(cè)得了風(fēng)的脈動(dòng)特性參數(shù)以及它們隨風(fēng)速的變化特征。分析表明：湍流強(qiáng)度隨風(fēng)速的降低而降低，當(dāng)風(fēng)速增大則基本保持恒定。陣風(fēng)系數(shù)和峰值系數(shù)的平均值分別為1.6和3.3。相干函數(shù)的空間互相關(guān)和衰減系數(shù)隨風(fēng)速的增加而略增。脈動(dòng)風(fēng)速的概率密度函數(shù)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(fēng)速儀以10Hz的采樣頻率對(duì)分別受臺(tái)風(fēng)影響的深圳郊區(qū)、上海浦東郊區(qū)、福州閩江二橋橋面跨中以及常態(tài)下的蘇通大橋進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，每地分別取所測(cè)極值風(fēng)速附近3h的連續(xù)風(fēng)速樣本。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知標(biāo)量法計(jì)算的平均風(fēng)速結(jié)果較矢量法的大，湍流度和陣風(fēng)因子則正好相反；兩種方法得到湍流功率譜密度函數(shù)曲線差別很小[4]。

2007年武占科在上海環(huán)球金融中心436m高度處用超聲風(fēng)速儀記錄了“羅莎”臺(tái)風(fēng)全過(guò)程的風(fēng)速風(fēng)向時(shí)間序列，采樣頻率為20Hz。統(tǒng)計(jì)分析得到臺(tái)風(fēng)的紊流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子和紊流積分長(zhǎng)度等高空風(fēng)參數(shù)特性，并根據(jù)Kolmogrove理論對(duì)水平方向和垂直方向脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度函數(shù)進(jìn)行了參數(shù)擬合[19]。

3.2 室外常態(tài)自然風(fēng)測(cè)量

2007年李杰用兩個(gè)三軸超聲風(fēng)速儀監(jiān)測(cè)國(guó)內(nèi)某大橋橋址處得到1月、2月和3月的風(fēng)速數(shù)據(jù)，采用頻率為4Hz，采樣總時(shí)長(zhǎng)為2046h，采樣時(shí)段恰好處于該橋址處季風(fēng)季節(jié)。他對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)速進(jìn)行了分析，用3月份的數(shù)據(jù)建立了隨機(jī)Fourier譜的函數(shù)表達(dá)式，并用1、2月份的數(shù)據(jù)對(duì)該隨機(jī)Fourier的合理性和通用性進(jìn)行了驗(yàn)證[20]。

2008～2010年，譚洪衛(wèi)等設(shè)置了2個(gè)小型氣象站和1個(gè)超聲波風(fēng)速儀，采用逐分的頻率分別對(duì)同濟(jì)大學(xué)校內(nèi)兩棟不同層高不同遮蔽率的教學(xué)樓以及上海莘莊郊區(qū)進(jìn)行自然風(fēng)實(shí)測(cè)。根據(jù)逐分和逐時(shí)兩種時(shí)間尺度的風(fēng)向變化數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：在幾小時(shí)到幾十小時(shí)的時(shí)間跨度內(nèi)，自然風(fēng)的逐時(shí)主導(dǎo)風(fēng)向呈現(xiàn)出較穩(wěn)定的特征；自然風(fēng)的逐分風(fēng)向時(shí)刻都在變化，呈現(xiàn)顯著的非穩(wěn)態(tài)特征，自然風(fēng)的逐分風(fēng)向變化的幅度不大，在圍繞著主導(dǎo)風(fēng)向兩側(cè)±45℃范圍內(nèi)波動(dòng)[21]。

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

2009～2010年，季亮等在上海中心城區(qū)某高樓的頂部設(shè)立小型氣象站，以1m in為樣本的取樣間隔連續(xù)計(jì)測(cè)自然風(fēng)數(shù)據(jù)。通過(guò)自然風(fēng)風(fēng)向的基本變化特征，基于馬爾可夫鏈為上海城區(qū)風(fēng)向變化進(jìn)行建模[1]。

2010～2011年，J.S.Park在一個(gè)風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)置換通風(fēng)的模型建筑周圍進(jìn)行了風(fēng)速與風(fēng)向的長(zhǎng)期測(cè)量。用氣象站監(jiān)測(cè)風(fēng)速與風(fēng)向，采樣頻率為min；用皮托管和數(shù)據(jù)記錄儀每隔10s進(jìn)行開(kāi)口處?kù)o壓差測(cè)量。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，得出：在開(kāi)口處的壓力系數(shù)明顯受到的風(fēng)速和風(fēng)向波動(dòng)影響，并且非穩(wěn)態(tài)氣流速度對(duì)波動(dòng)因素也很敏感[22]。

3.3 森林風(fēng)測(cè)量

2003年，朱守林等在鷲峰實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)用距地面高度為165cm的熱膜式風(fēng)速傳感器進(jìn)行了X與Y兩方向的自然風(fēng)信號(hào)采樣，采集9組，采樣時(shí)間間隔為200ms，采樣頻率為5Hz。研究表明：主風(fēng)向風(fēng)速的速度均值和方差較大，但平均湍流度卻小于側(cè)向風(fēng)的平均湍流度；自然風(fēng)的風(fēng)向變化非常顯著；主風(fēng)向與側(cè)風(fēng)向的二維風(fēng)速分布呈正偏態(tài)分布；近地表自然風(fēng)在主風(fēng)向與側(cè)風(fēng)向的二維風(fēng)速信號(hào)均表現(xiàn)出很高的隨機(jī)性；主風(fēng)向與側(cè)風(fēng)向的二維風(fēng)速信號(hào)間的相關(guān)性很低[23]。

3.4 室內(nèi)自然風(fēng)測(cè)量

2004年歐陽(yáng)沁等在建筑屋頂平臺(tái)、建筑周邊、遠(yuǎn)離建筑的草坪空曠地帶、海邊以及自然通風(fēng)建筑室內(nèi)進(jìn)行了自然風(fēng)的采樣實(shí)驗(yàn)。室外測(cè)點(diǎn)均布置在距離地面或屋面1.6m高的位置。每個(gè)工況重復(fù)多次測(cè)量，測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度在15～30℃。通過(guò)測(cè)出的功率譜指數(shù)β和湍流度平均值可知，建筑環(huán)境中各個(gè)工況下的自然風(fēng)譜特征具有相似特征，但在不同環(huán)境下β值有所不同，建筑環(huán)境以及平均風(fēng)速對(duì)自然風(fēng)的譜特征均有一定影響[24]。

2012年，谷宇新采用數(shù)字風(fēng)速儀對(duì)深圳市某辦公建筑距地面46m的十樓室內(nèi)的自然脈動(dòng)風(fēng)進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，分三次測(cè)試，每次測(cè)試時(shí)長(zhǎng)15m in。通過(guò)對(duì)脈動(dòng)周期和脈動(dòng)強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行分析，得到脈動(dòng)風(fēng)速的變化規(guī)律，并討論了城市風(fēng)的脈動(dòng)特性對(duì)建筑通風(fēng)效果的影響，提出城市風(fēng)的波動(dòng)性對(duì)建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)必要性[25]。

3.5 小結(jié)

綜上所述，自然風(fēng)的實(shí)測(cè)者主要從事結(jié)構(gòu)、橋梁風(fēng)工程、建筑等領(lǐng)域的研究，他們主要應(yīng)用超聲波風(fēng)速儀、熱線式風(fēng)速儀、小型氣象站等進(jìn)行測(cè)試。基于自然風(fēng)的脈動(dòng)特性參數(shù)，通過(guò)實(shí)測(cè)獲取自然風(fēng)的脈動(dòng)特性，建立風(fēng)特性數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果和理論公式擬合提出一些經(jīng)驗(yàn)公式。此外，從綜述可知，目前建筑自然通風(fēng)室內(nèi)風(fēng)動(dòng)態(tài)特性及相關(guān)換氣機(jī)理研究較少，因此該領(lǐng)域的研究者還需在這方面進(jìn)行大量探索與深入。

4 結(jié)論

1）自然風(fēng)的特性包括平均風(fēng)特性和脈動(dòng)風(fēng)特性，其中平均風(fēng)表現(xiàn)為一定時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，包括：平均風(fēng)速、風(fēng)向分布以及風(fēng)速廓線等；而大氣的脈動(dòng)湍流成分在時(shí)間和空間上呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性隨機(jī)脈動(dòng)特性，其特征參數(shù)包括：紊流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、積分尺度、脈動(dòng)風(fēng)功率譜、相空間重構(gòu)圖的寬長(zhǎng)比等。

2）風(fēng)向標(biāo)是測(cè)量風(fēng)向的最通用的裝置。測(cè)量風(fēng)速的常用儀器有：熱線/熱球風(fēng)速儀、風(fēng)杯/葉輪風(fēng)速儀、皮托管、激光多普勒風(fēng)速儀、超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀。熱線只適合低風(fēng)速測(cè)量，但能測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速；熱球只適合高風(fēng)速測(cè)量，只能測(cè)平均風(fēng)速；機(jī)械法適合中低段平均風(fēng)速的測(cè)量，不能測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速；動(dòng)壓法可測(cè)量2.5～80m/s范圍內(nèi)的平均風(fēng)速，不能測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速；激光多普勒風(fēng)速儀測(cè)速范圍最大，一般不能測(cè)量脈動(dòng)風(fēng)速；超聲波測(cè)速范圍和適用范圍均很廣，既能測(cè)平均風(fēng)速也能測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速。

3）國(guó)內(nèi)外自然風(fēng)實(shí)測(cè)主要應(yīng)用了超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀、熱線式風(fēng)速儀及小型氣象站等。目前的實(shí)測(cè)主要是為了獲取自然風(fēng)的脈動(dòng)特性，建立風(fēng)特性數(shù)據(jù)庫(kù)，提出經(jīng)驗(yàn)公式。在建筑自然通風(fēng)領(lǐng)域，自然通風(fēng)引起的室內(nèi)自然風(fēng)的脈動(dòng)特性以及波動(dòng)換氣特性，尚需要進(jìn)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(xué)土木工程與建筑學(xué)院（430070）；E-mail:zjlwhut@126.com

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51108165）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2013-IV-104）；武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目（136806001）