CN113125800B - 基于皮托管的风速风向测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于皮托管的风速风向测量方法，包括步骤：S1.根据雷诺数判断皮托管的圆柱绕流是否为亚临界绕流；若是，则进入步骤S2，若否，则继续判断；S2.分别测量N个皮托管的动压得到N个动压值，并确定N个动压值中的最大动压值Pmax，将取得最大动压值Pmax的皮托管作为目标皮托管；S3.确定与所述目标皮托管相邻的两个皮托管，并获取所述两个皮托管分别对应的动压值Pa与Pb，将动压值Pa与Pb中绝对值最大的动压值作为动压值Pabs；S4.确定目标皮托管的全压管方向与风向的夹角及风速的实际动压值P；S5.确定目标区域所处环境的风向和风速。本发明能够同时测量风速以及风向，测量精确度高，应用范围广。

Description

基于皮托管的风速风向测量方法
技术领域
本发明涉及风速风向测量领域，具体涉及一种基于皮托管的风速风向测量方法。
背景技术
风是一种由许多在时空上随机变化的小尺度脉动叠加而成的自然现象，也是在大尺度规则气流上的矢量，主要包括风速、风向角这二个参数。作为一种很常见的自然现象，风的准确测量在工业、气象和航运等领域中，正发挥着越来越重要的作用。无论是气象应用还是风能利用，首要的任务就是准确获得风矢量信息。高质量风矢量测量仪器的设计将为气象应用与风能利用提供有力的支持。
近年来，基于皮托管原理的定向风参数测量技术越来越成熟，且与基于机械式、热敏式和激光多普勒式等的测风技术相比，具有结构简单、制造方便、价格便宜、测量范围大、高风速测量时精确度高且分辨率好等优点，因此被广泛关注。但现有的基于皮托管原理进行自然风的风矢量测量时，只能测量定向风向的风速，无法测量变方向的风向角，因而使得使用范围受到极大限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于皮托管的风速风向测量方法，能够同时测量风速以及风向，测量准确度高，应用范围广，提高了风能的利用效率，为各科学研究以及工程应用领域提供了有力支持。
本发明的基于皮托管的风速风向测量方法，包括如下步骤：
S1.判断皮托管的圆柱绕流是否为亚临界绕流；若是，则进入步骤S2，若否，则继续判断皮托管的圆柱绕流是否为亚临界绕流；
S2.分别测量N个皮托管的动压得到N个动压值，并确定N个动压值中的最大动压值Pmax，将取得最大动压值Pmax的皮托管作为目标皮托管；其中，所述N个皮托管围绕设定的圆形周向均匀布置，所述N为不小于6的正整数；
S3.确定与所述目标皮托管相邻的两个皮托管，并获取所述两个皮托管分别对应的动压值Pa与Pb，将动压值Pa与Pb中绝对值最大的动压值作为动压值Pabs；
S4.根据最大动压值Pmax与动压值Pabs，确定目标皮托管的全压管方向与风向的夹角及风速的实际动压值P；
S5.根据目标皮托管的全压管方向与风向的夹角，确定目标区域所处环境的风向；根据风速的实际动压值P确定目标区域所处环境的风速。
进一步，步骤S1中，判断皮托管的圆柱绕流是否为亚临界绕流，具体包括：
S11.确定目标区域所处环境流场中皮托管的雷诺数；
所述雷诺数Re＝ρVd/μ，其中，V为目标区域所处环境的风速，ρ为目标区域所处环境的空气密度，μ为目标区域所处环境的空气黏性系数，d为所述皮托管的外管直径；
S12.判断雷诺数Re的取值是否在设定的阈值范围内，若是，则皮托管的圆柱绕流为亚临界绕流；若否，则皮托管的圆柱绕流不为亚临界绕流。
进一步，所述最大动压值Pmax为：
Pmax＝P·(1-4sin2θ)；
其中，P为风速的实际动压值，θ为目标皮托管的全压管方向与风向的夹角。
进一步，所述动压值Pabs为：
Pabs＝P·[1-4sin2(60°-θ)]；
其中，P为风速的实际动压值，θ为目标皮托管的全压管方向与风向的夹角。
进一步，根据如下公式确定目标区域所处环境的风速V：
Figure BDA0003027761760000021
其中，P为风速的实际动压值；ρ为目标区域所处环境的空气密度。
进一步，步骤S5中，确定目标区域所处环境的风向，具体包括：
S51.确定目标区域所处环境的风向角β：
Figure BDA0003027761760000031
其中，i为目标皮托管的编号，j为动压值为Pabs的皮托管的编号，所述皮托管的编号序列为(1,2,…,N)；
S52.安装时将编号为1的皮托管全压管方向安装在正北方向，则有：
若β＝0°，则风向为北风；若β＝45°，则风向为东北风；若0<β<45°或45°<β<90°，则风向为北偏东β°；
若β＝90°，则风向为东风；若β＝135°，则风向为东南风；若90°<β<135°或135°<β<180°，则风向为东偏南(β-90)°；
若β＝180°，则风向为南风；若β＝225°，则风向为西南风；若180°<β<225°或225°<β<270°，则风向为南偏西(β-180)°；
若β＝270°，则风向为西风；若β＝315°，则风向为西北风；若270°<β<315°或315°<β<360°，则风向为西偏北(β-270)°。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于皮托管的风速风向测量方法，通过在被测目标区域设置若干个周向均匀布置的皮托管，并选取其中两个皮托管的动压值，来计算风向与选取的两根皮托管的夹角，根据夹角确定风流的风向，再进一步计算出风速。本发明能够同时测量风速以及风向，测量精确度高，应用范围广，能用于风力发电提高风能的利用效率，为各科学研究以及工程应用领域提供了有力支持。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的6根皮托管周向均匀布置示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图1所示：
本发明的基于皮托管的风速风向测量方法，包括如下步骤：
S1.判断皮托管的圆柱绕流是否为亚临界绕流；若是，则进入步骤S2，若否，则继续判断皮托管的圆柱绕流是否为亚临界绕流；其中，所述皮托管的侧壁为圆柱状，则风流经过皮托管时，会形成圆柱绕流；
S2.分别测量N个皮托管的动压得到N个动压值，并确定N个动压值中的最大动压值Pmax，将取得最大动压值Pmax的皮托管作为目标皮托管；其中，所述N个皮托管围绕设定的圆形周向均匀布置，也即是，所述N个皮托管周向均匀布置于圆柱体物件的侧壁上且N个皮托管布置的位置连线形成一个圆形；所述圆柱体物件主要起到固定N个皮托管的作用，所述圆柱体物件设置于目标区域，所述N为不小于6的正整数；本实施例中，可采用微差压传感器测量皮托管的动压值，所述N取值为6，且6根皮托管的布置方式如图2所示，即是相邻两个皮托管之间的夹角为60°，使得风向至少与其中一个皮托管的全压管方向的夹角在0～60°范围内，保证了至少一个皮托管的圆柱绕流压力曲线与理论曲线基本吻合；
S3.确定与所述目标皮托管相邻的两个皮托管，并获取所述两个皮托管分别对应的动压值Pa与Pb，将动压值Pa与Pb中绝对值最大的动压值作为动压值Pabs；
S4.根据最大动压值Pmax与动压值Pabs，确定目标皮托管的全压管方向与风向的夹角及风速的实际动压值P；其中，所述全压管方向为全压管的进风方向；
S5.根据目标皮托管的全压管方向与风向的夹角，确定目标区域所处环境的风向；根据风速的实际动压值P确定目标区域所处环境的风速。
本实施例中，步骤S1中，判断皮托管的圆柱绕流是否为亚临界绕流，具体包括：
S11.确定目标区域所处环境流场中皮托管的雷诺数；
所述雷诺数Re＝ρVd/μ，其中，V为目标区域所处环境的风速，ρ为目标区域所处环境的空气密度，μ为目标区域所处环境的空气黏性系数，d为所述皮托管的外管直径；本实施例中，所述d取值为12mm，在空气环境温度为20℃的常温条件下，ρ取1.293kg/cm3，μ取18.1*10-6kg/(m·s)，则代入到上述雷诺数公式可得Re＝857V。
S12.判断雷诺数Re的取值是否在设定的阈值范围内，若是，则皮托管的圆柱绕流为亚临界绕流；若否，则皮托管的圆柱绕流不为亚临界绕流。其中，所述阈值范围为3×102～3×105,则当所述风速V的范围在0.35m/s～350m/s时，雷诺数Re的取值在设定的阈值范围内，空气绕皮托管的圆柱绕流为亚临界绕流。
本实施例中，步骤S2中，由伯努利方程可有：
Figure BDA0003027761760000051
其中，P全为圆柱体表面任一点的压力，Vδ为圆柱体表面的速度；ρ1为空气密度，P∞为无穷远处流体的压力，V∞为无穷远处流体的流速；g为重力加速度；所述Vδ＝-2V∞sinα，所述α为圆柱体表面某个方向与流体方向的夹角，一般地，取圆柱体表面的正北方向与流体方向的夹角为α；
工程上习惯于用无因次的压力系数CP来表示流体作用在物体上的任一点压力，则根据式子(1)，得到无因次的压力系数CP：
Figure BDA0003027761760000052
则有式子(2)，可得某一动压值为P·Cp(θ)，即所述最大动压值Pmax为：
Pmax＝P·(1-4sin2θ)； (3)
其中，P为风速的实际动压值，θ为目标皮托管的全压管方向与风向的夹角，本实施例中，所述夹角θ的取值范围为0～60°。
本实施例中，同理，可得所述动压值Pabs为：
Pabs＝P·[1-4sin2(60°-θ)]； (4)
其中，P为风速的实际动压值，θ为目标皮托管的全压管方向与风向的夹角。
本实施例中，根据伯努利方程，动压等于总压P总与静压P0之差，动压和速度的平方成正比，则风速V的计算公式如下：
Figure BDA0003027761760000061
则根据如下公式确定目标区域所处环境的风速V：
Figure BDA0003027761760000062
其中，P为风速的实际动压值；ρ为目标区域所处环境的空气密度。具体地，将式子(3)以及(4)进行联合，可以得到风速的实际动压值P以及目标皮托管的全压管方向与风向的夹角θ，在测量得到目标区域所处环境的空气密度ρ后，将风速的实际动压值P带入式子(5)可以得到目标区域所处环境的风速。
本实施例中，步骤S5中，确定目标区域所处环境的风向，具体包括：
S51.确定目标区域所处环境的风向角β：
Figure BDA0003027761760000063
其中，i为目标皮托管的编号，j为动压值为Pabs的皮托管的编号，所述皮托管的编号序列为(1,2,…,N)；本实施例中，设定N的取值为6，则风向角为：
Figure BDA0003027761760000064
S52.如图2所示，安装时将编号为1的皮托管全压管方向安装在正北方向(北的符号表示为N)，则有：
若β＝0°，则风向为北风；若β＝45°，则风向为东北风；若0<β<45°或45°<β<90°，则风向为北偏东β°；
若β＝90°，则风向为东风；若β＝135°，则风向为东南风；若90°<β<135°或135°<β<180°，则风向为东偏南(β-90)°；
若β＝180°，则风向为南风；若β＝225°，则风向为西南风；若180°<β<225°或225°<β<270°，则风向为南偏西(β-180)°；
若β＝270°，则风向为西风；若β＝315°，则风向为西北风；若270°<β<315°或315°<β<360°，则风向为西偏北(β-270)°。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于皮托管的风速风向测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.判断皮托管的圆柱绕流是否为亚临界绕流；若是，则进入步骤S2，若否，则继续判断皮托管的圆柱绕流是否为亚临界绕流；
S2.分别测量N个皮托管的动压得到N个动压值，并确定N个动压值中的最大动压值Pmax，将取得最大动压值Pmax的皮托管作为目标皮托管；其中，所述N个皮托管围绕设定的圆形周向均匀布置，所述N为不小于6的正整数；
S3.确定与所述目标皮托管相邻的两个皮托管，并获取所述两个皮托管分别对应的动压值Pa与Pb，将动压值Pa与Pb中绝对值最大的动压值作为动压值Pabs；
S4.根据最大动压值Pmax与动压值Pabs，确定目标皮托管的全压管方向与风向的夹角及风速的实际动压值P；
所述最大动压值Pmax为：
Pmax＝P·(1-4sin2θ)；
所述动压值Pabs为：
Pabs＝P·[1-4sin2(60°-θ)]；
其中，P为风速的实际动压值，θ为目标皮托管的全压管方向与风向的夹角；
S5.根据目标皮托管的全压管方向与风向的夹角，确定目标区域所处环境的风向；根据风速的实际动压值P确定目标区域所处环境的风速。
2.根据权利要求1所述的基于皮托管的风速风向测量方法，其特征在于：步骤S1中，判断皮托管的圆柱绕流是否为亚临界绕流，具体包括：
S11.确定目标区域所处环境流场中皮托管的雷诺数；
所述雷诺数Re＝ρVd/μ，其中，V为目标区域所处环境的风速，ρ为目标区域所处环境的空气密度，μ为目标区域所处环境的空气黏性系数，d为所述皮托管的外管直径；
S12.判断雷诺数Re的取值是否在设定的阈值范围内，若是，则皮托管的圆柱绕流为亚临界绕流；若否，则皮托管的圆柱绕流不为亚临界绕流。
3.根据权利要求1所述的基于皮托管的风速风向测量方法，其特征在于：根据如下公式确定目标区域所处环境的风速V：
Figure FDA0003835039390000021
其中，P为风速的实际动压值；ρ为目标区域所处环境的空气密度。
4.根据权利要求1所述的基于皮托管的风速风向测量方法，其特征在于：步骤S5中，确定目标区域所处环境的风向，具体包括：
S51.确定目标区域所处环境的风向角β：
Figure FDA0003835039390000022
其中，i为目标皮托管的编号，j为动压值为Pabs的皮托管的编号，所述皮托管的编号序列为(1,2,…,N)；
S52.安装时将编号为1的皮托管全压管方向安装在正北方向，则有：
若β＝0°，则风向为北风；若β＝45°，则风向为东北风；若0<β<45°或45°<β<90°，则风向为北偏东β°；
若β＝90°，则风向为东风；若β＝135°，则风向为东南风；若90°<β<135°或135°<β<180°，则风向为东偏南(β-90)°；
若β＝180°，则风向为南风；若β＝225°，则风向为西南风；若180°<β<225°或225°<β<270°，则风向为南偏西(β-180)°；
若β＝270°，则风向为西风；若β＝315°，则风向为西北风；若270°<β<315°或315°<β<360°，则风向为西偏北(β-270)°。
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