VDI 3786 Blatt 12-2008 Environmental meteorology - Meteorological measurements - Turbulence measurements with sonic anemometers.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREUmweltmeteorologieMeteorologische MessungenTurbulenzmessung mit Ultraschall-AnemometernEnvironmental meteorologyMeteorological measurementsTurbulence measurements with sonic anemometersVDI 3786Blatt 12 / Part 12Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/DIN-Handbuch Rein

2、haltung der Luft, Band 1b: UmweltmeteorologieVDI-RICHTLINIENICS 07.060, 13.040.01Oktober 2008 October 2008Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDer Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anzeiger einem ffent

3、lichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.The draft of this guideline has been subject to public scrutiny after announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee

4、 can be given with respect to the English trans-lation.Frhere Ausgaben: 09.94;08.07 Entwurf,deutschFormereditions:09/94;08/07 Draft,inGermanonlyZu beziehen durch / Available atBeuth VerlagGmbH, 10772 Berlin AlleRechtevorbehalten / Allrights reserved VereinDeutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf2008Kommis

5、sion Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdLArbeitsgruppe Meteorologische MessungenAusschuss LuftqualittInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . 42 Formelzeich

6、en und Abkrzungen . . . . . . 43 Messprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Turbulenzgren fr Ausbreitungsrechnungen. . . . . . . . . . . 85 Messgerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Mit dem Ultraschall-Anemometer bestimmte Turbulenzgren . . . . . . . . . 146.1 Varianz der vertikalen

7、Windkomponente . 156.2 Vertikaler turbulenter Impulsfluss, Schubspannungsgeschwindigkeit . . . . . 166.3 Fhlbarer Wrmefluss und Obukhov-Lnge . . . . . . . . . . . . . . 176.4 Korrekturen, Umrechnungen . . . . . . . 187 Aufstellung und Standortwahl . . . . . . . . 218Wartung . . . . . . . . . . . . .

8、 . . . . . . . 219 Kalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2210 Streinflsse . . . . . . . . . . . . . . . . . 2211 Verfahrenskenngren . . . . . . . . . . . . 2311.1 Einsatzbereich . . . . . . . . . . . . . . 2311.2 Untere Erfassungsgrenzen und Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . 2311

9、.3 Fehlergrenzen . . . . . . . . . . . . . . 2311.4 Zeitliche und rumliche Auflsung . . . 2411.5 Stabilitt . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Anhang A Messbeispiele . . . . . . . . . . . . . 25Anhang B Nicht gertespezifische Korrekturen. . 27Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28C

10、ontents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Symbols and abbreviations . . . . . . 43 Measurement principle . . . . . . . . . . . . 64 Turbulent variables for dispersion mod

11、elling . . . . . . . . . . . . . 85 Measuring systems . . . . . . . . . . . . . . 116 Turbulent variables determined using a sonic anemometer . . . . . . . . . . 146.1 Variance of the vertical wind component . 156.2 Vertical turbulent momentum flux, friction velocity . . . . . . . . . . . . . . 166.

12、3 Sensible heat flux and Obukhov length . . 17 6.4 Corrections, conversions . . . . . . . . . 187 Installation and selection of location . . . . 218 Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2210 Interferences . . . . . . . . . . . . . . . .

13、. 2211 Performance characteristics . . . . . . . . . 2311.1 Range of application . . . . . . . . . . . 2311.2 Lower detection limits and measurement uncertainty . . . . . . . . 2311.3 Error limits. . . . . . . . . . . . . . . . 2311.4 Temporal and spatial resolution . . . . . 2411.5 Stability . . .

14、. . . . . . . . . . . . . . 24Annex A Examples of measurement . . . . . . . 25Annex B Non device specific corrections . . . . . 27Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingeni

15、eure e.V., Dsseldorf 2008 2 VDI 3786 Blatt 12 / Part 12VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweil

16、s auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlini

17、e mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungIn Naturwissenschaft und Technik hat man frh er-kannt, dass bei strmenden Gasen oder Flssigkeiten zwei vllig unterschiedliche Strmungstypen auftre-ten, nmlich laminare und turbulente Strmungen. Den Unterschied der beiden Strmungsformen kann man deutlich erke

18、nnen, wenn man in einer Strmung die zeitliche nderung des Abstands zweier anfangs benachbarter Teilchen des Mediums verfolgt. In einer laminaren Strmung ist diese nderung relativ ein-fach zu beobachten und zu beschreiben im Fall ei-ner turbulenten Strmung ndert sich die Lage der Teilchen scheinbar z

19、ufllig und chaotisch.Auch die Strmung in der Atmosphre, das heit der Wind, ist in den allermeisten Fllen turbulent, und die oben beschriebenen Verwirbelungen trifft man ber-all an. Daher spielt im Zusammenhang mit der atmos-phrischen Turbulenz, im Gegensatz zu technischen Problemen, die Reynolds-Zah

20、l, mit der man in vielen Fllen den Strmungszustand hinsichtlich laminar/turbulent beurteilen kann, praktisch keine Rolle.Fr viele Fragen in der Luftreinhaltung sind die Tur-bulenz und ihre messtechnische Erfassung von gro-er Bedeutung. In der turbulenten Atmosphre sind die turbulenten Diffusionskoef

21、fizienten um viele Grenordnungen grer als die entsprechenden mo-lekularen Diffusionskoeffizienten, sodass Letztere vernachlssigt werden knnen. Da die Turbulenz eine Strmungs- und keine Mate-rialeigenschaft ist, sind auch die turbulenzbedingten physikalischen Gren, z. B. mittlere turbulente En-ergien

22、 oder turbulente Diffusionskoeffizienten fr Luftbeimengungen, keine Materialkonstanten der Luft, sondern in weiten Bereichen variabel. Dies be-deutet, dass turbulenzbedingte Eigenschaften entwe-der in jedem Einzelfall gemessen oder mit empiri-schen Parametrisierungsschemata (z. B. das System der Aus

23、breitungsklassen) bestimmt werden mssen.Preliminary noteThe content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), stora

24、ge in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary

25、con-tributors to this guideline.IntroductionIn science and technology, it was recognized early that two entirely different types of flow occur in flow-ing gases or liquids, namely laminar and turbulent flows. The difference between the two types of flow can be clearly seen when monitoring the time c

26、hange in the spacing of two initially neighbouring particles of the medium in a flow. In a laminar flow, this change can be observed and described relatively eas-ily in the case of a turbulent flow, the position of the particles changes in an apparently random and cha-otic way. The flow in the atmos

27、phere, i. e. the wind, is turbulent in very most cases, and the above described vortex ef-fects are found everywhere. Therefore, in the context of atmospheric turbulence, the Reynolds number which can be used in many cases to assess whether the flow state is laminar or turbulent is virtually ir-rele

28、vant. This is in contrast to technical problems. Turbulence and its measurement are of great impor-tance to many aspects of air pollution control. In the turbulent atmosphere, the turbulent diffusion coeffi-cients exceed the corresponding molecular diffusion coefficients by many orders of magnitude,

29、 so that the latter can be disregarded. Since turbulence is a property of flow and not of ma-terial, even the physical values governed by turbu-lence, such as mean turbulent energies or turbulent diffusion coefficients for particles, are not material constants of the air, but show variability within

30、 wide ranges. This means that properties due to turbulence either have to be measured in each individual case or have to be determined using empirical parameteriza-tion schemes (e. g. the system of dispersion classes). B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights re

31、served Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2008 VDI 3786 Blatt 12 / Part 12 3 Zwei Besonderheiten der Turbulenz sind herauszu-stellen:Unter gleichen Bedingungen ist die Turbulenz strker, wenn die Windscherung grer ist und eine indifferente oder labile Temperaturschich-tung herrscht. Eine sta

32、bile Temperaturschichtung, das heit eine Zunahme der potenziellen Tempe-ratur mit der Hhe, dmpft die Turbulenz. Kenn-zahlen, die die mechanisch (Windscherung) und die thermisch verursachte (Temperaturschichtung) Turbulenz bercksichtigen, sind die Fluss-Richardson-Zahl oder die Obukhov-Lnge1).Turbule

33、nte Strukturen in der Atmosphre kann man sich vereinfachend als wirbelartige Struktu-ren vorstellen, die auch als Turbulenzelemente be-zeichnet werden. Die Wirkungen der Turbulenz sind nicht nur durch die mittlere turbulente kineti-sche Energie der Strmung bestimmt, sondern auch durch die spektrale

34、Verteilung. Daher bentigt man in vielen Bereichen der Umwelt-meteorologie Informationen ber die turbulenten Schwankungen meteorologischer Gren. Die zeitli-che Variation der rumlichen Verteilung der Str-mung in der Atmosphre bestimmt die Ausbreitung und Verdnnung von Schadstoffwolken. Die Reibung zwi

35、schen Atmosphre und Erdoberflche wird durch den turbulenten Impulstransport beschrieben. Durch die Reibung entwickeln sich Scherstrmungen, die zu Deformationen von Schadgaswolken fhren.Der Impulstransport zwischen Atmosphre und Oberflche kann zur Aufwirbelung feinkrniger Sub-stanzen und damit z. B.

36、zur Resuspension von Schad-stoffen von Halden und zur Erosion von Ackerboden fhren.Bauwerke knnen durch turbulente Windschwankun-gen belastet werden. Die Kenntnis des Turbulenz-spektrums ist wichtig fr die Auslegung hoher, schlanker Bauwerke.Auch knstliche, in der atmosphrischen Grenz-schicht entste

37、hende Wirbel, z. B. durch startende oder landende Flugzeuge, knnen mit Turbulenzmess-gerten erfasst werden. Ein Beispiel hierfr sind die Wirbelschleppen hinter Flugzeugen, die besonders in der Start- und Landephase von Bedeutung sind, da sie die Landefrequenz begrenzen.Fr moderne Diffusionsmodelle b

38、entigt man als Ein-gangsgren den aus Turbulenzmessungen ableitba-ren Turbulenztensor und Informationen ber die cha-rakteristischen Zeit- und Lngenmastbe. Bei der Ausbreitung und Auflsung von Schwergaswolken ist 1)frher auch als Monin-Obukhov-Lnge bezeichnet 1Two particular features of turbulence mer

39、it special at-tention:Under identical conditions, the turbulence is stronger if the wind shear is greater and neutral or unstable temperature stratification prevails. Stable temperature stratification, i. e. an increase in the potential temperature with height, damps the tur-bulence. The flux Richar

40、dson number and the Obukhov length1)are parameters which take ac-count of the mechanical (wind shear) and the ther-mal (temperature stratification) sources of turbu-lence.In a simplified way, turbulent structures in the at-mosphere can be assumed as vortex-type struc-tures, which are also referred t

41、o as turbulent ele-ments. The effects of turbulence are determined not only by the mean turbulent kinetic energy of the flow, but also by the spectral distribution. Hence, in many areas of environmental meteorology, information about the turbulent fluctuations of mete-orological parameters is requir

42、ed. The temporal vari-ation of the spatial distribution of flow in the atmos-phere determines the dispersion and dilution of pollution clouds. The friction between the atmos-phere and the surface of the earth is characterized by the turbulent transport of momentum. Shear flows de-velop from the fric

43、tion, and these lead to deforma-tions of pollution clouds.The transport of momentum between the atmosphere and the surface can stir up fine grain substances and can thus result e. g. in the resuspension of pollutants from stockpiles and in the erosion of cropping soil. Buildings can be impacted by t

44、urbulent wind fluctua-tions. Knowledge of the turbulence spectrum is im-portant to the design of tall, scrawny buildings. Even artificial vortices caused in the atmospheric boundary layer, e. g. by starting or landing aircrafts, can be determined by means of turbulence anemom-eters. An example of th

45、is is the wakes behind air-crafts, which are of significance especially during the starting and landing phase because they limit the fre-quency of landing.For modern diffusion models, the turbulence tensor which can be derived from turbulence measurements as well as information on the characteristic

46、 scales of time and length are required as input parameters. For the dispersion and dilution of heavy gas clouds, the 1)formerly also called Monin-Obukhov length 1B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2

47、008 4 VDI 3786 Blatt 12 / Part 12die turbulente Einmischung von Umgebungsluft in die Schwergaswolke eine wichtige Einflussgre.Zu den Wechselwirkungen zwischen knstlichen (Husern, Straen, Brcken) und natrlichen Ober-flchen (Menschen, Tiere, Pflanzen) mit der Atmos-phre gehren auch Wrme- und Stofftran

48、sporte. Diese Transporte (Impulsfluss und die Flsse fhl-barer und latenter Wrme sowie von Beimengungen) sind in nahezu allen Fllen turbulent und daher nur durch Messungen der turbulenten Schwankungen von Wind, Temperatur, Wasserdampfkonzentratio-nen bzw. Stoffkonzentrationen zu bestimmen.1 Anwendung

49、sbereichDie Richtlinie findet Anwendung bei der Messung des Windvektors mit hoher zeitlicher Auflsung und bei der Bestimmung von turbulenten Flssen. Damit ist sie anzuwenden bei Messaufgaben zur Abscht-zung der Ausbreitungssituation in der Luftreinhal-tung fr genehmigungsbedrftige Anlagen nach BImSchG und TA Luft, in der berwachung kern-technischer Anlagen (KTA 1508) und bei vielen agrarmeteorologisc