风向和风速

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风向和风速范文第1篇

关键词：山区地形；斜拉桥；风特性；风振响应；现场实测

中图分类号：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，大桥立面布置图如图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图2和图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.图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.由图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.图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.由图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.由图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.

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风向和风速范文第2篇

关键词：山区峡谷；谐波合成；现场实测；脉动风速；大涡模拟

中图分类号：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，桥位布置如图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，如图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，具置如图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图，如图3所示。

从图中可以发现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，如图4所示。从图中可以发现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图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，结果如图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，如图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，如图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，监测点具置如图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种工况的速度云图如图10所示。

从图中可发现，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

图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，图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。从图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，结果如图13至图16所示。其中图13和图14分别为桥跨站顺风向和竖向的功率谱对比图，图15和图16分别为桥塔站顺风向和竖向的功率谱对比图。从图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独立情况。

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°，如图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

图18给出了不同工况作用下峡谷桥址风场的速度云图，从图中可发现，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。

图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图20所示，从图中可发现，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

图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。图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图。

从图中可发现，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。

风向和风速范文第3篇

Abstract： The high-altitude wind business is one of the basic businesses of meteorological observation， whose data has been widely used in the research on weather forecast， climate， aerospace and other fields. The secondary L-band radar， GPS wind and wind profiler radar are the three most widely used methods in meteorological services. This paper briefly introduces the principle of the three wind methods， and the results of the observation data of the three wind methods are compared. The results show that errors in the horizontal direction under the three kinds of wind measurement are within 10 degrees， the horizontal wind speed error is less than 1m/s， which can meet the current business requirements， and especially the result measured by the secondary L-band radar and wind profile radar is more accurate.

P键词：L波段二次测风雷达；GPS测风；风廓线雷达

Key words： secongdary L-band radar；GPS wind measurment；wind profiler radar

中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）09-0209-03

0 引言

风场在天气分析和预报中有十分重要的作用，它是天气预报中的重要参数，也是造成大气中的风、云、雨、露等天气现象的基本要素之一[1]。无论天气系统预报还是气象要素预报，均离不开对风场的类型、结构和演变的认识，能否准确分析风场的变化是预报成败的关键。如何探测风场结构一直是气象学的一个重要研究方向。目前我国使用的常规测风手段有自动气象站、光学经纬仪、无线电经纬仪、激光雷达、L波段二次测风雷达、GPS测风、风廓线雷达等[2-7]。自动气象站使用风杯、风标式传感器对地面风进行探测，测得的风不连续，且观测高度受限；光学经纬仪测风需要人工通过望远镜跟踪升空气球的运动轨迹进行测风，所以其测量精度较差，且能见度低时无法操作；无线电经纬仪虽然可以实现自动化操作，但其精度仍然不高且属于有源探测，无线电隐蔽性能较差；故上述三种测风方式在我国目前已基本淘汰或已成为备用手段。激光测风雷达具有单色性好、定向性能好、结构简单、轻便、造价低等优点，且具有极高的角分辨率、距离分辨率、速度分辨率以及较广的测速范围，但是，在恶劣天气下，激光测风的性能下降很多，使其应用受到一定的限制。L波段二次测风雷达和GPS测风都基于探空气球，通过雷达或GPS接收机获取气球的位置后，利用位置信息计算出不同高度的风向和风速。虽然这两种是当前气象部门业务中普遍使用的测风手段，但是由于探空气球会随大气运动而生成漂移，这两种方法都无法测量出本地上空的风场，且测量时间间隔长、数据率低、消耗大。风廓线雷达的应用是对探空气球测风方法的一次革命，它是利用大气湍流对电磁波的散射作用而进行大气探测的一种遥测设备，通过测量三个波束或五个波束接收到的微弱后向散射回波中的多普勒频移（即径向速度），再通过矢量分解合成技术即可反演出水平风场和垂直风场结构。与有球测风相比，风廓线雷达除具有可连续探测的优点外，还具有高精度和运行可靠性，操作维护方便，其适用范围是有球测风无法比拟的。目前，L波段二次测风雷达、GPS测风和风廓线雷达是气象业务中主要采用的测风方法。本文介绍了三种测风方法的原理，并利用实测数据对这三种方法的探测结果进行了对比，结果表明，三种测风方法测得的水平风向误差在10度以内，水平风速误差小于1m/s，满足业务要求，其中L波段二次测风雷达和风廓线雷达测风的结果更为接近。

1 测风原理

1.1 L波段二次雷达测风原理

L 波段二次测风雷达的工作原理是：探空气球充入氢气或氦气，以360m/min左右的速度上升，在探空气球上悬挂一个无线电探空仪及一个雷达反射器，无线电探空仪上配有各种传感器，可用于测量温度、气压、湿度等气象要素，通过无线电波发回地面站；同时，地面雷达不停追踪着雷达反射器，每隔一定的时间测量其距离、方位及仰角，利用这些位置信息变化即可计算出不同高度的风向和风速。其工作原理如图1所示。

业务测风目前采用的计算方法是：气球施放后20分钟内，每一分钟的厚度作为一个计算层；气球施放20～40分钟，每2分钟的厚度作为一个计算层；气球施放40分钟以上，每4分钟的厚度作为一个计算层。具体的计算方法如下：

1.2 GPS测风原理

GPS测风与L波段二次测风雷达测风的原理基本类似，两者的区别在于GPS测风时采用GPS技术替代雷达的跟踪。在探测过程中，无线电探空仪和地面站均装有GPS天线，可接收最少4颗卫星发出的信号。地面站接收到GPS信号和无线电探空仪数据后，会提取出所需的资料，再加入有关卫星轨道的数据，便可计算出无线电探空仪的位置，从而计算出不同高度的风向和风速。GPS技术的应用是气球探空技术的一个重大改进，准确度极高，且不易受闪电及雷暴等恶劣天气影响。

1.3 风廓线雷达测风原理

风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气进行探测的一种遥感设备[8]。其原理是当向大气层发射一束无线电波时，由于湍流气团随风漂移，导致回波信号产生一定量的多普勒频移，通过测定回波信号的频移值计算出沿雷达波束的径向速度。实际使用中，风廓线雷达常设计为三波束或五波束轮流工作，根据这些波束的回波信号，经过一定的处理方法，就可计算出大气三维风场。风廓线雷达的工作原理如图2所示。

当雷达以三波束（假设为东、北、天顶）工作时，利用这三个波束测得的径向速度VRZ（h）、VRE（h）、VRN（h），便可以求得大气的三维风场：

其中，θ为倾斜波束的天顶角，UE（h）和UN（h）分别为水平风在东和北方向的分量，UZ（h）为大气垂直运动速度。风廓线雷达测得的径向速度均以朝向雷达方向为正速度。

当雷达以五波束工作时，先将两个对称方向的倾斜波束测得的径向速度进行平均，再按三波束边界层风廓线雷达水平风合成方法进行计算。

2 试验结果

为了验证和比较这三种测风方法性能上的差异，2013年8月13日在某机场进行了一次比对试验。在比对试验中，探空气球上同时悬挂普通探空仪和GPS探空仪，L波段二次测风雷达和GPS测风同时进行测量，在L波段二次测风雷达附近放置风廓线雷达进行测风观测。其中，GFE（L）1型L波段二次测风雷达采用GZZ9型数字式探空仪，GPS测风采用GTS1-2型探空仪，风廓线雷达的主要性能参数如表1。

图3给出了一组三种方法测得的水平风向和水平风速的比对结果。在比对过程中，分早上（8：00）、中午（12：00）、下午（16：00）和晚上（20：00）各进行一次比对，限于篇幅，此处只给出一组结果，其余比对结果基本与此类似。

分析图3可知，三种测风方法得到的水平风向和水平风速基本一致。运用统计方法对数据进一步分析，可得到三种测风方法水平风向和水平风速的分段统计结果，如表2和表3所示。表中GZZ、GPS和WPR分别表示L波段二次测风雷达、GPS测风和风廓线雷达。

从表2中的统计结果可以看出：三种测风方法测得的水平风向的误差都在10度以内，除低空数据外，L波段二次测风雷达和风廓线雷达测得的数据更为接近。从表3中的统计结果可以看出：三种测风方法测得的水平风速的误差500m以上范围都在1m/s以内，500m以下可能受地面活动的影响差异较大，同样也是L波段二次测风雷达和风廓线雷达测得的数据更为接近。

3 结束语

L波段二次测风雷达、GPS测风和风廓线雷达测风是当前气象业务中主要采用的三种测风方法。本文简要介绍了这三种测风方法的原理，并基于2013年8月13日在某机场的试验数据，对三种测风方法观测得到的水平风场进行了比对。结果表明，三种测风方法测得的水平风向误差在10度以内，水平风速误差在1m/s以内，符合这三种设备的精度要求。同时，L波段二次测风雷达和风廓线雷达测得的数据更为接近。从探测区域看，L波段二次雷达测风和GPS测风都是探测气球所处位置的水平风，风廓线雷达则是探测雷达上空的水平风；从测量精度看，GPS测风和风廓线雷达高于L波段二次测风雷达。三种测风方法各有优点和缺点，根据各自的业务应用和装备条件选择测风的方式，满足业务需求。

这需要开展进一步的研究。

参考文献：

[1]张霭琛.现代气象观测[M].北京：北京大学出版社，2000：12-14.

[2]吴蕾，陈洪滨，高玉春.国产风廓线雷达对比试验初步分析[J].现代雷达，2013，35.

[3]谢从刚.大气风场测量技术简介[J].湖北气象，2006，1.

[4]王帆，田磊.基于GTS1型探空仪的GPS测风技术[J].科技信息，2009，20.

[5]董德保，张统明，芮斌.风廓线雷达大气风场观测误差分析[J].气象科技，2014，42（1）：48-53.

[6]王天义，朱克云，张杰，等.风廓线雷达与多普勒天气雷达风矢产品对比及相关分析[J].气象科技，2014，42（2）：231-239.

风向和风速范文第4篇

【关键词】超高层建筑；主导风向；CFD模拟；散热

1.背景和目的

随着城市化的进展，中国建筑市场上呈现了越来越多高层甚至超高层的建筑，其塔楼区域的功能多为办公楼或住宅，考虑到将来租售的灵活性和计量的便利，在很多超高层建筑项目中也会采用风冷变频多联机系统。

地面境界层内空气流动受涡流、黏性和地面植物及建筑物等的影响，风向基本不变，但越往高处风速越大，如下图所示。

在超高层建筑高区的内凹阳台设置风冷变频多联机的室外机，如果室外机的布置室外不同的风速和风向对其会产生何种影响？其散热性是否会大幅衰减？各楼层间变频多联机组室外机是否会相互影响？本文将结合宁波地区实际项目，根据当地主导风向来分析风冷变频多联机的室外机在内凹阳台的散热问题，并提出建议供类似项目的设计进行参考。

2.室外环境分析

2.1 风玫瑰图

一年四季的风向及风速可考虑采用风玫瑰图来表示。风玫瑰图是以“玫瑰花”形式表示各方向上气流状况重复率的统计图形，所用的资料可以是一月内的或一年内的，但通常采用一个地区多年的平均统计资料，其类型一般有风向玫瑰图和风速玫瑰图。图1为宁波地区风向玫瑰图，可以此作为本课题研究的基础。

3.项目概况

本工程位于宁波市地区。总建筑面积82，702平方米，高度约为100多米，目前考虑在办公楼每层的外沿设置变频多联机组的室外机，下文将根据此项目进行建模，同时将上节对室外风速的分析作为输入条件，对该室外机在各种工况下散热进行模拟和分析。

4.项目模型建立

为了研究不同风向对室外机散热影响，本报告将对三个不同典型工况进行分析：

4.1正面风向对室外机影响分析

图2为CFD模拟中室外机位置及百叶位置

图2

按照上述模型，首先考虑最不利的迎面吹风对VRV外机排风和散热的影响。

图3显示室外风往百叶正面吹进工作阳台，遇到建筑物风向转至两边。部分室外空气进入工作阳台形成微循环；

图3

图4显示正面风向时风压模拟结果；

图4

图5显示排风和进风位置风压处于相同水平，因此室外机能以自身的风压将热气排出室外；

图5

4.2主导风向对室外机影响分析

本节将以图2中的模型，按照宁波当地主导风向对内凹阳台上的VRV机组排风效果进行分析。具体结果如下：

图6显示风往百叶侧面吹进，遇到建筑物风向转至两边。部分室外空气进入工作阳台形成微循环；

图6

图7显示侧面风风压模拟结果；

图7

图8显示的结果与模拟一相似，可以看出排风和进风位置风压处于相同水平，因此室外机能以自身的风压将热气排出室外。

4.3多层工作阳台上室外机相互影响分析

由于各层工作阳台在同一位置上，室外机排风有可能影响上层的进风时温度，令效率降低。因此利用CFD模拟不同风向对周边的温度变化。

图8显示了正面风向对周边温度分析，风往百叶正面吹进。风被诱导至工作阳台，经过换热后从高位排出。

图8

图9显示遇到建筑物风向转至两边；

图9

图10显示排放出来的热风被诱导至侧面。根据电脑模拟计算，上层进风位置温度上升了0.1oC，即35.8 oC。

图10

图11显示从竖直方向看，大部分室外机热风在主导风向下均能排至大气中，但低层的室外机部分排风会在室外风场的诱导下掺混到高层室外机的进风；这种掺混的对散热有一定影响，但从图12分布上显示该影响对排风散热影响较少。

图11

图12

5.结论

从CFD模拟结果显示，室外风向不论从正面或主导风向下，室外机的进排风位置的静压都是处于相同压力水平，利用室外机的机外静压是可以将热气排出，因此室外风压不会影响室外机排风风量和散热效果。

虽然上述结果表明室外机在高层建筑高区并不会受到室外强风影响而使散热效果衰减，但室外机必须具有静压要求，并需采用导风管连接至室外百叶才可能排出。仍建议室外机不要正对着夏季主导风向进行百叶的设置。

另根据不同楼层室外机之间散热影响分析，室外机排出的热气对上层室外机组的进风具有一定影响，会略微提高上层进风温度，但此散热效果影响是有限的。故建议若有条件，室外机平台位置可交错设置，则可避免上述影响因素。

参考文献：

[1]胡军，某高层建筑空调室外机组的散热模拟与优化，《建筑节能》2009年第10期

[2]陶文铨，数值传热学，西安交通大学出版社，1988.7

风向和风速范文第5篇

10米/秒是5级风，风速是指空气相对于地球某一固定地点的运动速率，风速的常用单位是m/s，1m/s=3.6km/h。风速没有等级，风力才有等级，风速是风力等级划分的依据。一般来讲，风速越大，风力等级越高，风的破坏性越大。

风既有大小，又有方向，因此，风的预报包括风速和风向两项。风速的大小常用风级来表示。风的级别是根据风对地面物体的影响程度而确定的。在气象上，一般按风力大小划分为十七个等级。在天气预报中，常听到如"北风4到5级"之类的用语，此时所指的风力是平均风力；如听到"阵风7级"之类的用语，其阵风是指风速忽大忽小的风，此时的风力是指大时的风力。

（来源：文章屋网 ）

风向和风速范文第6篇

关键词：高层建筑；屋顶风能；利用

【分类号】：TM614

近年来，伴随着新能源开发的不断深入，风能以其储量丰富且可再生的显著优势而备受关注，其中如何利用高层建筑屋顶风能是当下的研究热点，甚至有专家预测，21世纪中叶时，风能会成为全球范围内的支柱能源之一。但就当下而言，高层建筑屋顶风能利用尚不成熟，故当务之急是分析风能利用的基本原理和影响因素，并寻求行之有效的利用途径。

一、高层建筑屋顶风能利用的理论阐述

简单的讲，风能是指空气在流动过程中所储存的动能，那么风能利用便是借助一定的方法和手段将风的动能转化为其他形式能量的过程，就目前来说，电能是风能转化的主要形式。

由于风有风向和风速，且随机性强，还可随着高度的不断增加而增大，若不受其他因素干扰，其在高处的风速往往大于低处风速，而风速的增大自然会促使风的能量增大，故对于高层建筑而言，利用风能是有一定的优势的，加之建筑本身的存在会对风流场产生影响，所以风能利用值得深入研究[1]。如在矩形建筑中，若以面积较大的一面为0°迎面风，以另一面作为90°迎面风，根据图1可以看出，每个风向角都在屋面的边缘处出现了分离，风向和风速随之改变，并且随着高度的增加，风速逐渐变大，当其到达某个高度时，风速反而高于不受影响的流场风速，此时屋顶便彰显了聚集风力的效用，同时也是高层建筑屋顶风能利用的关键所在。

二、高层建筑屋顶风能利用的影响因素

考虑到在实际生活中，非流体型建筑较为普遍，故在此以其为研究对象，结合CFD数值模拟技术软件，对高层建筑屋顶风能利用的影响因素加以分析。

1.建筑塔楼

现实中的高层建筑有的设有塔楼，有的没有塔楼，而且塔楼的高度、长度也不尽相同，故以风速比 为判断依据分析塔楼对屋顶风能利用的影响。此时借助CFD软件，对有无塔楼的风速情况作了模拟，结果发现，塔楼利于增大屋顶风速和提高风能利用效果，其中在拐角处尤为明显；然后基于同一建筑模型，分别对塔楼的高度和长度作了适当调整，结果发现增加塔楼高度对屋顶风能利用效果意义不大，建议将其控制为0.1H；而延长塔楼长度则会降低主体建筑对风能的利用，故应使其保持在0.2L左右[2]。

2.风向角度

为科学验证风向角是否会影响建筑屋顶风能利用效果，便基于长、宽、高分别为10m、20m、5m的塔楼建筑模型，设置了0°、45°和90°的风向角。试验发现，当风向角为45°时，不仅风能利用有着最低的最佳高度，且风速比最大，可见此时利用效果最好。

3.架空层设置

由于部分已建成的高层建筑并未设置塔楼，所以可考虑为其加设架空层用于提高屋顶的风能利用效率。即先在技术软件的帮助下构建了一个设有1m高架空层的建筑模型，然后经施加合适的模拟条件，对其与无架空层的建筑风速进行反复试验和比较，结果发现，架空层的设置有利于屋顶利用风能，但风机安装高度应置于顶板之上，且在其在角点、中点、侧边中点、迎风前缘位置较为可行。

4.建筑尺寸

为验证建筑尺寸是否会影响屋顶风能利用效果，便保持架空层高度不变，对模拟条件中的建筑长度、宽度和高度作了一定的改变。经多次试验后发现，长度对风能利用影响较小，宽度对其影响具有相对性，而相比之下的高度对屋顶风能利用的影响最小。

三、高层建筑屋顶风能利用的有效途径

为简化计算、直观分析，上述提及的高层建筑屋顶风能利用影响因素是以单个建筑体为研究对象的。但在现实生活中我们可以发现，在较大范围内只存在单个建筑的情况普遍较少，而且随着城市化建设的不断发展，建筑密度会随之增大，所以我们应立足实际，寻求建筑群屋顶风能利用的有效途径。

1.条件模拟

在此以最典型的行列形式作为建筑群的布局，已知研究对象建筑群为整齐排列的两行三列式，建筑的长、宽、高均为30m、15m和30m，行、列间距均为30m，并选择该建筑群的中心点为坐标原点，Y轴方向为风向，由于其具有对称特点，故以其中的一半为研究对象，并在每个建筑的屋顶设置了9个风速监测点，以便尽可能全面的分析高层建筑屋顶风能利用情况。

2.数据分析

首先对无任何措施的情况下屋顶风能利用情况进行了模拟，用于验证在屋顶风速较低的情况下设置架空层是否会起到强化风能利用效果，经分析架空层加设前后的9个测点的风速增值发现，每个建筑的每个测点的风速均有所提高，其中第一排中的第1个和第4个建筑风速增加明显，由此可见，在建筑群中加设架空层可行[3]；为进一步分析架空层对建筑屋顶风能增大究竟有着怎样的作用和影响，便基于风能、风能密度和风速之间的内在关系确定了单个建筑和建筑群屋顶风能的增大系数函数，在此基础上统一了高度，以期通过比较同一高度和同一位置处的风速，后经数据模拟计算得知，设有架空层的各个建筑中每个测点位置的风能均得到了提高，而且单个建筑平均风能系数也有一定的增大，其中建筑1、2、3的风能系数分别增大了0.204472、0.068683、0.064644，而且加设架空层后的建筑群与之前相比，总风能增大了0.894127，同时也是无建筑影响情况下风能的2.6倍。如此一来，架空层的存在对高层建筑屋顶风能聚集能力的优势便不言而喻。以厦门市为例，若其采用上文提及的建筑群布局形式，以风速为6m/s计算标准，并将风力机设于最佳高度（选用市场上的普通风机），经计算得出建筑群屋顶处可利用的风能大约有22.14KW，而且该建筑群每年可节约10万元左右的电费。

3.试验总结

由上可知，无论风向角是0°还是90°，均有助于提高建筑屋顶风能的聚集和利用，既使最大风速比得到了明显提高，也显著降低了安装风机的高度。而顶板因其上下表面都会受到负压作用，故会起到平衡作用，进而减小在大风情况下被掀翻的隐患，而且经比较分析发现，当架空层高度为2m时有着最好的风能利用效果，即使此时建筑尺寸有所差异，也不会对风能收集构成较大威胁[4]。此外，在高层建筑屋顶风能利用模拟试验中还发现，建筑群中的前排建筑对风能的利用效率高于后排建筑，同时在架空层为最佳高度且风速相对较小时，有着更为显著的风能收集效果，所以上述方式有助于提高建筑屋顶风能利用效率。但若想推广应用，还有待进一步的研究和实践。

结束语：

总之，随着时间的推移，风能必然会成为经济社会发展过程中不可或缺的绿色能源，但其距离理想目标还有很大差距，所以应先解决当下高层建筑屋顶风能的利用问题，这就要求我们基于对其基本原理和影响因素的了解和分析，探讨最佳的利用方法，像如何布置建筑形式和尺寸，如何加设架空层等，唯有如此，才能更好的彰显风能效用。

参考文献：

[1] 袁行飞，张玉.建筑环境中的风能利用研究进展[J].自然资源学报， 2011，（05）：09-10

[2] 李秋胜，赵松林，朱楚南.超高层建筑的风荷载及风能发电应用研究[J].土木工程学报， 2012，（02）：21-23

风向和风速范文第7篇

【关键词】 风向玫瑰图；建筑布局；小风论；风伞图

【中图分类号】 TU204 【文献标识码】 B 【文章编号】 1727-5123（2012）02-068-02

工业及民用建筑的布局于所在地的风向关系密切，尤其是生活居住区工业废气和烟尘的危害，往往与当地的气象条件和地形相关，其中风向和风力的共同作用尤其重要，对工业用地不可教条的依据风玫瑰及城市主导风向的下风向或最小风频的上风向布置。图纸上表示主导风向的风玫瑰是表示风向的一种方法，是常规意义上进行工业用地布局的重要依据，因而导致一些城市规划初用者或当地领导认为工业用地必须位于风玫瑰的下风向或最小风频的上风向，而不可能接受工业用地的灵活布置。应该考虑到如果全年只有一个盛行风向的地区，工业用地尽可能的沿盛行风向作纵列布置，占下风向；全年有两个盛行风向的地区，工业用地尽可能的顺风轴作横列布置；全年无盛行风向的地区，工业用地应着重考虑风速；全年基本为静风地区，工业用地宜集中布置，而远离居住区为好。切不可教条用事。

1 传统理念中风玫瑰在规划中的应用

1.1 何谓“风玫瑰”图也称作风向频率玫瑰图，是各个方向上气流状况重复率的统计汇总。因频率做的图形像玫瑰花，因而叫做风玫瑰。风玫瑰图所表示的风向是指从外面吹向该地区中心方向，一般是将风向作为8个或16个方位，在各方向线上按各方向风的出现频率，截去相应的长度，将其相邻方向线上的截点用直线连接形成闭合折线图形，即风向玫瑰图，各个地区的风向玫瑰图是不相同的。

1.2 风玫瑰图的应用：风向玫瑰图是各种工业布置，民用建筑住宅区规划设计，站场设计及规划方面应用十分广泛，主要是考虑规划中对污染源位置的控制，通过合理的利用风向使污染对居住区降低到最小程度。现代各类工业生产所产生的大气污染物主要是通过空气流动来扩散传播，气体的水平流动即形成风，风在工业废气流动扩散传播中起主导作用。风向决定着污染物传播方向，其形式是由风的上游向下游方向扩散，所以有污染物的工厂布局总会在人口密集居住的下风向，即风玫瑰图中最小风频侧，风速大的方向。长期以来风玫瑰图一直是作为城市总体规划的重要依据，在工业用地布局中存在着上风论、 小风论和风伞论3种基本认识及应用。

a.上风论:上风论是指在布置工业用地时把怕污染的区域放在上风向，把有污染的工业区放在相对的方向。这样风首先吹到怕污染的区域，然后经过中间缓冲地带，最后才到达有污染的工业区。当反方向吹来的几率很低时，就确保把有污染源的整个规划区. 特别是对怕污染的区域造成的不利因素降低到最小程度。这种做法己应用了若干年，但对于形状各异的风玫瑰图，在应用中也会遇到一些例外，如上风向所相对的方向不一定就是频率最小的方向。风吹至怕污染的区域的频率居在首位时，其相对方向正好是风吹到怕污染的区域仅次于其频率的方位。许多地方的风玫瑰都有这种第一主导风向与第二主导风向对吹的特点，这种情况按上风论布置肯定是不合理的。

b.小风论:小风论是指利用一年中最小风向频率作为工业用地布局的考虑因素，因为某一风向频率越大，其下风向受影响最大；反之某一风向频率越小，其下风向受影响最小。而同一地区的盛行风向与最小风频往往又不在同一条直线上，因此，应把产生大气污染气体及粉尘的单位，放在最小风频的上风侧。

c.风伞论:一些人认为上风论和小风论不是很合理，而风玫瑰图每个方向都是孤立的量，未考虑其它方向的影响，把规划问题作为线处理，缺乏某方向对全区的数据统计和全局盛行风向的定性结论，提出风伞论。其风伞论是根据全年规划区外刮至该区的频率和进行绘制的。风伞图上距离中心最近的点即该规划区真正的上风向，居住区等怕污染的区域应放在此方位；距离中心最近的点即是该规划区真正的下风向，工业生产污染的区域应放在此方位。

但是不论上风论、小风论和风伞图，判断工业用地产污染的区域都人为假设会造成大气污染，并非所有工业建筑类型都会造成大气污染，同样并非仅仅是大气污染会影响工业布局，因而应考虑将工业用地分类，再按照不同地区盛行风向的特点，安排合理的布局。

2 工业用地布局的影响因素

工业用地的布局会受到各方面因素的影响，包括工业用地自身如水源及交通运输的要求，工业对城市的影响，工业区与居住区的空间关系等。而影响最大的仍然是风向和风频等，其实与风有关的因素仅仅是众多影响的一个方面，规划布置时参考风玫瑰也只是一个部分。现在工业种类极多，由于在生产加工过程中所使用原材料，设备，工艺和产品不同，对环境的污染状况程度也有很大差异。通常可以分为散发大量有害烟尘的工业，禁忌大气污染的工业，易燃易爆的工业，释放毒气和腐蚀气体的工业及既不大量散发也不绝对禁忌烟尘的工业等5类，在利用风玫瑰进行用地规划中分别研究采用，工业分类与风玫瑰关系见表。

3 受风玫瑰影响工业用地布局

各地区受季风影响的程度不同，而主导风向只有一个盛行风向，也有同时存在两个基本相似，方向不同盛行风向的地区，在两个方向不同的盛行风向转换方式中，既有直接转换也有旋转转换。这样就不能单用一个盛行风向，或单用一个最小风频率来考虑对大气污染严重的工业区与民用住宅区的相对位置，而要区分当地全年盛行风向的不同情况区别对待。主导风向与工业用地布局根据当地传统风向考虑，如克拉玛依的主导风向为北偏西。

3.1 只有一个主导风向地区工业用地的布局。如我国北方广大地区常年在西北风控制之中，风向偏西，即便在夏季也很少受热带海洋季风的影响；而云贵高源西部广大地区，常年风向西南风；眚藏高源风向比较复杂，但是具体到某一地区，工业布局中仍然只有一个主导风向。在这些地区的工业布局因全年只有一个主导风向，可将城市功能区尽量沿着盛行风作纵列布置，居住区在上风地，工业用地在下风，也可以考虑在最小风频率条件下，按横列布置。

3.2 有两个主导风向地区工业用地的布局。我国东部季风区全年有两个方向基本相反，呈180°的盛行风向，工业布局时应考虑避开冬，夏季所吹的不同方向的风，各城市用地应顺对应风轴作横列布置，布置方式可参考当地盛行风向；两个盛行风向呈135°夹角时，其布置形式应在下风向；如果全年两个盛行风向呈90°或45°夹角，可以将所有城市用地应与两风向作斜交布置。居住区位于夹角内侧，工业区位于外侧；如果盛行风向具有季节旋转性质，则居住区应布置在旋转的一侧，也即是旋转过程中的上风侧，工业区安排在其对侧如果盛行风向具有直接交替性质，则居住区要布置在最小风频的下风侧，工业区放置在其上风侧。

3.3 无主导风向地区工业用地的布局。西北地区甘肃的河西走廊及陇东，内蒙古的阿拉善左旗等地方，风向多变冬季影响我国的4条冷空气路线，也不同程度的影响到该地区。夏季偏南风也难以到达这里，而且冷空气还不定期的南下，所以形成了一个各方向风向频率相当的区域。而该区域是一种无主导风向的玫瑰图，表现出全年无稳定风向特点，没有一个盛行风向，各风向频率相差不大，一般在10%以内。在这里工业布置应重点考虑的是风速，因风速越大大气污染物愈低，其污染浓度与风速成反比，城市布局应将向大气排放有毒物质的工业布置在风速大的上方向。

3.4 基本为静风地区工业用地的布局。以四川盆地为中心，包括陇南、陕南、湘西贵北及西双版纳广大地区，全年的静风频率在30%以上，这样城市的总体布局可以考虑: 为了尽量减少对周边地区的污染，工业用地宜集中布置在相对最小风频的上风侧; 居住用地必须与污染源保持一定距离，用林带及净化地隔开，集中用地布置在相对最大风频的上风侧。

综上分析可知，通过对风玫瑰应用的探讨，结合现代工业用地要考虑的许多因素，提出风玫瑰仅可以指导造成大气污染和对大气污染有禁忌的工业用地布局; 结合不同地区环境气候特点，提出了一些工业用地可参考的摸式。无论如何考虑住宅区必须安排在无任何污染区域是规划的关键考虑因素。

参考文献

1 何淑英等.浅谈风玫瑰在石油站场设计中应用[J].科技创新导报，

风向和风速范文第8篇

关键词：住宅小区风场数值模拟FLUENT

1引言

随着我国严寒地区低能耗住宅建筑的发展，住宅室内通风换气问题已不容忽视。一般情况下，室内自然通风的形成，既有热压通风的因素，也有风压通风的原因，从自然通风改善室内空气品质角度来看，风压通风对室内气候条件的效果比较显著，故应首先考虑如何组织建筑物室外的风压通风来改善室内热环境。

2室外风场的物理模型和CFD数值模拟

2.1物理模型

哈尔滨市位于严寒地区，冬季持续时间长，且室内空气质量与室外环境相差较大，故节能住宅建筑的通风关键在冬季，本文以哈尔滨地区气象参数中冬季的主导风向和风速为依据，以哈尔滨市泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物作为室外风场模拟对象，分析住宅小区室外风场的气流流动情况。模拟建筑物及其周围四栋楼均为高度为22m的建筑物，如图1，图中相应地给出各建筑物在泰海小区中的位置及其建筑物布局。

为建立数学模型，对物理模型作以下假设和简化：

（1）建筑物外气流分布取决于来风风速以及风向，建筑尺寸及形状，以及建筑物开口大小和位置。若开口尺寸小于建筑物立面面积的1/6，三栋建筑可简化为混凝土块。

（2）室外气流为风速梯度分布的低速流范围，据Boussinesq假设，空气一般为粘性不可压缩流体。一次简化为稳态的紊流气流流动，考虑到计算机的硬件设备(RAM256M，CPUPⅣ2.4GHz)有限，仅分析最大风速的稳态紊流情况。

2.2CFD数值模拟

FLUENT软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法，从而高效率的解决各个领域的复杂流动的计算问题。

FLUENT中提供了下列可供选取的湍流模型：Spalart-Allmaras模型、标准k-ε模型、RNG（重组化群）k-ε模型、可实现k-ε模型、雷诺应力模型（RSM）和大涡模拟模型（LES）。湍流模型选取取决于诸多因素，如流动物理机理、特定类型问题以往的经验、精度级别的要求、现有的计算机资源和模拟所用时间等。对于住宅小区这样具有较大的建筑物尺寸和较高的风速的特定条件，室外流动的Re从50.000到100.000变化，为完全发展流动，因此，采用标准k-ε湍流模型。

参见前人对计算模拟区域的经验设定，室外流动模型模拟区域如下：当所着重模拟的建筑物外表尺寸为1时，模拟区域为上风侧为建筑物长度的3倍，下风侧为建筑物长度的12倍，两侧宽度为建筑物的3倍，高度为建筑物高度的4倍。几何建模和网格划分采用FLUENT的前置处理器－GAMBIT。

建筑物室外风场的来流为哈尔滨地区冬季主导风：风向西南，平均风速为按10米高处风速3.8计算的沿高度递增的梯度风速。上空面、地面及建筑物表面按光滑壁面设定。方程求解中压力与速度的耦合采用压力耦合的半隐方法（SIMPLE），除压力采用二阶迎风格式进行离散外，其他如动量、紊流脉动动能和紊流脉动动能耗散率均采用一阶迎风格式进行离散。

图1哈尔滨泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物平面图

3结果分析与讨论

3.1室外风速矢量场分析

为了研究建筑物周围不同朝向不同高度处的室外气流流动情况，分别计算了位于44号楼中的两个算例：（1）平面高度5.94m（以地面为基准的送风高度）；（2）平面高度19.94m。

由图2中的速度矢量分布来看，在西南风向的影响下，建筑物群的西南向建筑物处于迎风侧，而东北向建筑处于背风侧。在建筑物群外侧的西北角和东南角以及建筑物群的入口处，速度梯度达到最大值；并在建筑物群背风侧的西北角和东南角产生背风涡流区。

建筑物群外侧，速度沿南向建筑物的变化规律为：由西向东逐渐增大，在建筑物的拐角处达到最大值；速度沿西向建筑变化规律为：由南向北逐渐增大，在建筑物的拐角处达到最大值。沿西南向建筑物的速度绝对值较大，速度方向变化不大。

在建筑物群外侧，速度沿北向建筑物的变化规律为：40号楼侧，速度由西向东速度先变小后变大，在建筑物拐角处均达到最大值，速度方向发生180°变化；42号楼侧，速度大小始终由西向东增大，且速度大小和方向变化较平缓。速度沿东向建筑物的变化为：由北向南速度大小稍有增加，速度方向基本不变。

算例1：平面高度5.94m算例2：平面高度19.94m

图244号楼及其周围4栋建筑物室外风场速度矢量图及等动压线图

注：图中网格为■的位置分别是44号楼3单元202、702户南、北向房间位置。

在建筑群内，速度大小变化较小，但方向沿围护结构变化很大。因此，在左右两个马蹄形建筑群内形成了两个强度相似，但旋转方向相反的旋涡。

由此可见，在建筑物群外侧拐角等锐缘处，来流的速度大小和方向都发生剧烈变化，且在建筑物群背风侧形成的涡流区内，速度梯度大，风向不稳定。在建筑物群内，易形成强度较小的旋涡区。

3.2室外风场沿建筑物表面风压分析

建筑物处于大气流场中，由于建筑物形状和空气粘性等因素的影响，使气流速度在建筑物的前后发生变化而引起压强的变化。当风吹响建筑物正面时，因受到建筑物表面的阻挡而在迎风面上产生正压区，气流再向上偏转同时绕过建筑物各侧面及背面，在这些面上产生负压区。因此，当建筑物围护结构存在开口时，由于压差作用，室内就会形成自然通风。建筑物周围的压力分布通常由无因次风压系数描述，及建筑物外表面某点的风压与建筑物同高度出来流风压之比。

在对44号楼三单元不同平面高度的风压系数及风压值的计算结果中，如表1所示。建筑物迎风面的风压系数及风压均随着建筑物高度的增加而增加，且风压从1.6变化到17.77增幅较大；而建筑物背风面则处于很弱的负压作用下，风压系数及风压均相对较小，风压作用很弱。对于西向建筑物，由于其同样具有迎风面与背风面风压差大，风压系数变化明显的特征，因此，风压系数及风压变化规律同上。

由此，对于处于建筑物群迎风侧的建筑物，沿建筑物垂直方向上的风压系数和风压值具有风压差大，风压系数变化明显的特点，因而建筑物高处的通风效果较好。而沿建筑物水平方向上，尽管存在相对不同的风压系数和风压值，但变化规律由对速度场的分析可知，亦存在一定变化规律，即：通风方向均为由建筑物群外侧到建筑物群内侧，且通风效果强。

对于建筑物群背风侧的东向和北向建筑物，结合速度矢量分布和风压分布，采取对个别点的采样分析计算可知：由于建筑物两侧速度绝对值小，方向变化复杂，风压系数和风压沿水平和垂直方向变化均不大，因此，背风面的东北向建筑物具有通风强度较弱，通风方向复杂，规律性不明显等特点。

表144号楼不同平面高度的风压系数及风压值44号楼

房间朝向

通风器高度Z(m)

高度Z处梯度风风速V(Z)(m/s)

模拟风速(m/s)

动压P(X,Y,Z))(pa)

静压P(Z)(pa)

风压系数Cp(X,Y,Z)

3单元102

南向

2.84

2.3

1.65

1.83

0.23

0.45

北向

2.84

2.3

-0.35

0.08

0.23

-0.05

3单元202

南向

5.94

3.09

2.44

3.99

0.4

0.55

北向

5.94

3.09

-0.47

0.15

0.4

-0.05

3单元302

南向

8.74

3.6

2.84

5.41

0.61

0.55

北向

8.74

3.6

-0.55

0.2

0.61

-0.05

3单元402

南向

11.54

4.02

3.18

6.79

0.79

0.55

北向

11.54

4.02

-0.91

0.56

0.79

-0.02

3单元502

南向

14.34

4.39

3.78

9.59

0.95

0.79

北向

14.34

4.39

-1

0.67

0.95

-0.02

3单元602

南向

17.14

4.71

5.06

17.18

1.1

1.08

北向

17.14

4.71

-1.07

0.71

1.1

-0.02

3单元702

南向

19.94

4.95

5.32

18.99

1.22

1.08

北向

19.94

4.95

-1.13

0.86

1.22

-0.02

综上所述，哈尔滨泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物，在冬季为西南向主导风的作用下，即：风向投射线与建筑围护结构法线的交角－风向投射角为45°，综合考虑风场和涡流区的关系，认为投射角较恰当，建筑物间距（33.66m≈1.5H）适宜。建筑物群迎风侧的建筑物通风作用明显，通风方向稳定，且应根据以上分析合理地布置建筑物周围环境，改变建筑物周围的气流流场，创造良好的建筑物室内外通风环境。对于建筑物群背风侧的建筑物，也应通过数值模拟计算分析，研究前栋建筑物的阻挡状况以及周围建筑物，寻找特定环境下的通风特点，采取不同的方法和措施，使建筑物室内外获得良好的自然通风环境。

4总结

对于受多种因素和条件影响的住宅小区室外环境，以及应用广泛、功能强大的FLUENT软件，本文仅分析和应用了一小部分内容，随着计算机技术的发展，综合考虑室外太阳辐射、建筑周围绿化等因素将成为生态建筑环境数值研究的一个新方向，而大涡模拟、直接模拟也将会应用的越来越多，使数值模拟技术在实际工程应用中发挥重要作用。

5参考文献

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2.JamesW.Axley,StevenJEmmerich,GeorgeN.Walton.ModelingthePerformanceofaNaturallyVentilatedCommercialBuildingwithaMultizoneCoupledThermal/AirflowSimulationTool.ASHRAE2002HI-02-21-4

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