Meteorologia doświadczalna Wykład 5 Pomiary prędkości i kierunku wiatru

1. Meteorologia doświadczalnaWykład 5Pomiary prędkości i kierunku wiatru Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

2. Wiatr dolny • Wiatr jest trójwymiarowa wielkością wektorową. • Jednak dla większości potrzeb meteorologicznych składowa pionowa jest pomijalna, ze względu na jej mała wartość. Wiatr taki nosi nazwę wiatru dolnego. • Wiatr dolny zdefiniowany jest dla warstwy powietrza pomiędzy 5 a 30 metrów i określony przez poziomo poruszające się powietrze. • Mierzy się go standardowo na wysokości 10 metrów poprzez pomiar prędkości oraz kierunku (skąd wieje)

3. Prędkości, siła, moc wiatru Siła wiatru Moc wiatru S – powierzchnia,  gęstość powietrza

4. Poryw wiatru • Porywem wiatru jest każde krótkotrwałe, trwające nie dłużej niż 2 minuty dodatnie lub ujemnie odchylenie prędkości wiatru od wartości średniej, w określonym okresie czasu • Współczynniki porywistości: Dyspersja prędkości wiatru Analiza Fourierowska pokazuje charakterystyczne fluktuacje w widmie częstości dla okresu czasu: kilku sekund Kilku minut kilkunastu minut

5. Czas uśredniania  - maksymalny dopuszczalny błąd z jakim chcemy mierzyć prędkość wiatru (zwykle 5%) o - czas taki, że wielkości V(t) i V(t+) nie są już skorelowane. WMO przyjęło To=10 min Jednak wcześniej używano czasu uśredniania To=2 minut (dla wiatromierzy typu Wilda)

6. Pionowy profil prędkości wiatru • Wzór logarytmiczny ho – parametr szorstkości podłoża zależny od własności fizycznych podłoża. Poniżej wysokości ho prędkość wiatru jest zerowa • Wzór potęgowy (bardzo często używany do szacowania prędkości wiatru na potrzeby elektrowni wiatrowych) gdzie parametr  często przyjmowany jest jako stały i równy 1/7

8. Profil pionowy prędkości wiatru w zależności od stabilności atmosfery

9. Skale prędkości wiatru m/s, km/h 1 węzeł (knot) = 0.5 m/s Skala Beauforta 12-stopniowa skala V[m/s]=2*Bo-1 ale tylko do 7 w skali Beauforta • Kierunek wiatru w stopniach liczony od azymutu północnego (N=0o) • Róża wiatru

10. Skala Beauforta

11. Dokładności pomiaru wiatru • Prędkość 0.5 m/s , kierunek 5o dla potrzeb klimatologii • Prędkość 0.5 m/s dla V<5m/s oraz 10% dla V>5m/s, kierunek 5o dla potrzeb meteorologii synoptycznej. • Prędkość 1kt dla V<20 kt i 5% dla V>20 kt, kierunek 5o dla potrzeb meteorologii morskiej

12. Przyrządy do pomiaru prędkości wiatru • Wiatromierze • Anemometry tachometryczne (czaszowe łopatkowe, śmigłowe) • Anemometry wirowe – prętowe • Stery kierunkowe • Anemometry punktowe • Anemometry manometryczne (piętrzące Pitota Prandla, naporowe, przepływowe) • Anemometry dopplerowskie • Anemometry chronometryczne – ultradźwiękowe • Anemometry kalometryczne (drutowe, cienkowarstwowe, cylindrowe) 3. Anemometry profilujące • Akustyczne (sodary) • Elektromagnetyczne (radary) • Lasery (lidary)

13. Pomiary kierunku wiatru –teoria chorągiewki W stanie równowagi mamy: N= moment skręcający, r odległość od punktu przyłożenia siły aerodynamicznej od osi obrotu,  kąt pomiędzy chorągiewką a kierunkiem wiatru, F siła aerodynamiczna W ogólności równanie ruchu ma postać: n częstość własna układu Zbadajmy tłumienie chorągiewki, f(t)=0  współczynnik tłumienia czas tłumienia

14. W przypadku braku tłumienia: • Droga synchronizacji L- zdefiniowana jest przez odległość jaką przebywa cząstka powietrza z prędkością V w czasie którym chorągiewka wychylona o 10o wraca do położenia równowagi. • Droga synchronizacji wynosi przeważnie kilka metrów (3-6 m)

15. Wiatromierz Wilda

16. V R F2 D F1 Teoria anemometrów czaszowych C1=1.33, C2=0.33 C1/C2 4 współczynnik Robinsona, ulega zmianie w czasie obrotu wirnika. Średnia wartość  wynosi 3 z dokładnością do 2% W ogólności: n – liczba obrotów wirnika w jednostce czasu, Vo - prędkość progowa (typowa wartość 0.5 m/s)

17. Moment obrotowy wirnika z czaszami zmienia się w zależności od orientacji w stosunku do kierunku wiatru. • W systemach z 4 czaszami moment obrotowy posiada punkty krytyczne z zerowym momentem siły • Znacznie lepszą charakterystykę mają układy z trzema czaszami ustawionymi pod katem 120 o • W przypadku wiatromierzy śmiegiełkowych ilość obrotów w jednostce czasu wynosi: • gdzie  jest kątem natarcia • Fluktuacje kierunku wiatru do 18o nie wpływają na prędkość obrotową śmigiełka.

18. Wiatromierze • Anemo-rumbograf – przyrząd używany dawniej do rejestracji prędkości wiatru, gdzie zamiast rejestracji prędkości obrotowej rejestruje się naprężenia nieruchomego układu czasz • Wiatromierz Robinsona Prędkość kątowa wiatromierza przy zmianie skokowej prędkości wiatru dostosowuje się do prędkości powietrza zgodnie ze wzorem L jest droga synchronizacji, Vo prędkość wiatru

19. Przykłady anemometrów anemometr śmigiełkowy anemometr ręczny

20. Źródła błędów anemometrów czaszowych • Gęstość powietrza- błędy te mogą sięgać 5 % • Tarcie w łożyskach • Opady i osady • Oblodzenia • Korozje • Wyładowania elektryczne • Elektryczne pole zakłócające • Uszkodzenia mechaniczne wirnika • Źródła błędów przetworników i układów pomiarowych

21. Przetworniki pomiarowe prędkości obrotowej • Licznik mechaniczny: ruch obrotowy wirnika przenoszony jest za pośrednictwem przekładni mechanicznych na wskazówki licznika obrotów. • Samowzbudna prądnica tachometryczna prądu stałego • Samowzbudna prądnica tachometryczna prądu zmiennego • Generator impulsowy – kontaktowy. Jeden z najprostszych i najtańszych przetworników oparty na kontaktronie. • Generator impulsowy – optyczny • Generator impulsowy – indukcyjny • Tachometr wieloprądowy

22. Przetworniki pomiarowe kierunku wiatru • Potencjometr jednoszczotkowy • Potencjometr trójpunktowy • Potencjometr nieliniowy sinusowo-cosinusowy • Przetwornik selsynowy (silnik synchroniczny)– jeden z najdokładniejszych układów telemetrycznych • Tarcza kodowa

23. Anemometry ciśnieniowe • Wykorzystują efekt ciśnienia dynamicznego wywieranego na przeszkodę przez ośrodek (prawo Bernouliego) v2 =A(p) A - stała, p - różnica ciśnienia dynamicznego i statycznego. • Z charakteru tej zależności wynika, że czułość takich anemometrów dla niewielkich prędkości jest mała. Jednak umożliwia pomiar największych prędkości (huraganomierze)!. • Cechą charakterystyczną jest brak ruchomych elementów

25. Huraganomeirze- rurka Prandla • W rurce Prandla panuje różnica wysokości cieczy związana z ciśnieniem dynamicznym. • Z prawa Bernouliego prędkość wiatru ma postać: Ciśnienie w ramieniu skierowanym w kierunku przeciwnym do zwrotu wiatru Ciśnienie w ramieniu skierowanym zgodnie z kierunkiem zwrotu wiatru Z prawa Bernouliego prędkość wiatru ma postać:

26. Termoanemometry- anemometry kalometryczne • Działanie opiera się na wykorzystaniu zjawisk towarzyszących wymianie ciepła miedzy przewodnikiem elektrycznym ogrzewanym prądem a otaczającym ośrodkiem. • Twórcą termoanemometrii jest L.V. King (1914) • Opisał on straty energii cylindra utrzymywanego w temperaturze po wyżej temperatury otoczenia. Opisywanie są one wzorem: H – ilość energii wymieniana z otoczeniem na jednostkę długości, d - średnica walca,  - różnica temperatur cylindra i otoczenia, V - prędkość ośrodka,  - gęstość ośrodka,  - współczynnik przewodnictwa cieplnego.

27. Często do opisu strat ciepła czujnika stosuje się bezwymiarowe liczby stosowane w teorii podobieństwa hydrodynamicznego • Liczby te to: liczba Reynoldsa, Prandla, Grasshofa, Macha oraz Nusselta.  - współ. przewodnictwa cieplnego (/Cp),  - temperaturowy współczynnik przewodnictwa cieplnego, A- współ. rozszerzalności cieplnej ośrodka, - różnica temperatur obiektu i ośrodka, d - średnica czujnika, Vd – prędkość dźwięku.

28. Bilans energii dla czujnika prowadzi do relacji Liczba Nusselta jest w przybliżeniu proporcjonalna do pierwiastka z prędkości wiatru Prawo Kinga Ze względu na budowę czujniki termoanometryczne dzielimy na: drutowe, cienkowarstwowe, grubowarstwowe, zintegrowane Przykładowo, cienkowarstwowe umożliwiają pomiar kierunku wiatru.

29. Katatermometr Hilla • Służy po pomiaru tempa chłodzącego działania otoczenia wywołanego wspólnym działaniem temperatury, prędkości wiatru oraz wilgotności • Zakres pomiaru temperatury 35-38oC • W czasie pomiaru mierzymy czas obniżania się temperatury katatermometru od 38 do 35 oC • Prędkość opływającego powietrza wyznaczamy ze wzoru na prędkości ochładzania katatermometru: F- strata ciepła na jednostkę powierzchni [cm2] zbiornika termometru (0.001 cal),  – czas ochładzania termometru od temperatury 38 do 35. T – temperatura powietrza, A, B stałe przyrządu, W prędkość wiatru.

30. Zaletą przyrządu jest pomiar bardzo małych prędkości wiatru (po niżej progu dziania przeciętnego anemometru tachometrycznego • Jednak tak zmierzona wartość jest średnią z czasu schładzania termometru • Zaletą jest również duża prostota i niezawodność przyrządu • Niestety błąd pomiaru rośnie z prędkością wiatru

31. v 1 2 OD1 Nadajnik OD2 L L Anemometr/ termometr akustyczny Różnica czasu w dotarciu fali akustycznej do oby detektorów wynosi: Suma zaś Tak więc nie musimy znać prędkości dźwięku aby wyznaczyć prędkość wiatru. Z drugiego równania możemy wyznaczyć temperaturę powietrza.

33. Ustawienia czujników w anemometrach ultradźwiękowych

34. Gill Instrument

35. Fischer Anemometer 2D

36. Zalety i wady anemometrów ultradźwiękowych • Pomiar prędkości wiatru jest pomiarem bezwzględnym w tej metodzie, gdyż prędkość mas powietrza nie jest przetwarzana na inną wielkość jak to ma miejsce np. w anemometrii tachometrycznej. • Duży zakres pomiarowy (od cm/s po prędkości huraganowe) • Duża dokładność sięgająca 1% • Bardzo mała stała czasowa – użyteczny do pomiarów turbulencyjnych. Pomiary prędkość wiatru mogą być wykonywane z częstością setek Hz. • Eliminacja zawodnych części mechanicznych • Niewrażliwość na charakter przepływu (np. na liczbę Reynoldsa) • Długookresowa stabilność lepsza niż 0.3%/ rok.

37. Błędy anemometrów ultradźwiękowych • Niedokładność przestrzennego ustawienia przyrządu. Zalecana ustawnie horyzontalne z dokładnością do 1o. • Osady i opady atmosferyczne • Wiry, gdy kierunek przepływu pokrywa się z jedna z osi anemometru. • Termiczna zmiana długości pomiędzy detektorami • Szumy akustyczne