湍流強(qiáng)度

定義

表征湍流發(fā)展強(qiáng)度的量，即風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均風(fēng)速之比。用同一組測(cè)量數(shù)據(jù)和規(guī)定的周期進(jìn)行計(jì)算。10min湍流強(qiáng)度按下式計(jì)算：

σ為10min風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差(m/s)；V為10min平均風(fēng)速(m/s)。

湍流強(qiáng)度是度量相對(duì)于風(fēng)速值而波動(dòng)的湍流量的大小，是決定風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的重要參數(shù)之一，也是風(fēng)場(chǎng)風(fēng)資源評(píng)估的重要內(nèi)容，其評(píng)估結(jié)果直接影響到風(fēng)電機(jī)組的選型。

產(chǎn)生原因

湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)，一個(gè)是當(dāng)氣流流動(dòng)時(shí)，氣流會(huì)受到地面粗糙度的摩擦或者阻滯作用，另一個(gè)原因是由于空氣密度差異和大氣溫度差異引起的氣流垂直運(yùn)動(dòng)。通常情況下，上述兩個(gè)原因往往同時(shí)導(dǎo)致湍流的發(fā)生。在中性大氣中，空氣會(huì)隨著自身的上升而發(fā)生絕熱冷卻，并與周?chē)h(huán)境溫度達(dá)到熱平衡，因此在中性大氣中，湍流強(qiáng)度大小完全取決于地表粗糙度情況。

根據(jù)2005版IEC 61400-1將湍流強(qiáng)度分為A、B、C三級(jí)，其中A級(jí)為高湍流強(qiáng)度，B級(jí)為中等湍流強(qiáng)度，C級(jí)為低湍流強(qiáng)度。2

湍流

湍流是指在一定區(qū)域內(nèi)大氣中微粒的速度方差較大的氣象目標(biāo)，是大氣的一種劇烈運(yùn)動(dòng)形式。湍流運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則、極不穩(wěn)定，每一點(diǎn)的速度隨機(jī)地變化著。對(duì)于這種運(yùn)動(dòng)，把任一點(diǎn)的瞬時(shí)物理量用平均值和脈動(dòng)值來(lái)描述。對(duì)于脈動(dòng)量，脈動(dòng)的頻率在每秒102~ 105，其振幅小于平均速度的10%，雖然脈動(dòng)的能量很小，但對(duì)流動(dòng)卻起決定性作用。

氣象目標(biāo)一般都是由微粒組成，它們?cè)诟鞣N速度上以振蕩運(yùn)動(dòng)的形式移動(dòng)。湍流目標(biāo)具有很大的微粒速度極差。速度極差可理解為速度的變化范圍，變化范圍越大，氣象目標(biāo)的多普勒頻譜越寬，湍流越強(qiáng)烈。由于雨、雪和云塊是由大量小的可分辨體組成的分布目標(biāo)。此目標(biāo)通常是指湍流云塊中的每個(gè)可分辨體或水珠。

湍流尺度

湍流尺度與旋渦大小有關(guān)，它是以相鄰兩點(diǎn)的脈動(dòng)速度是否有相關(guān)性為基礎(chǔ)來(lái)度量的。例如，設(shè)流場(chǎng)中y方向上相距一小段距離y的1、2兩點(diǎn)，它在流動(dòng)方向x的脈動(dòng)速度分別為u'x1、u'x2。當(dāng)兩點(diǎn)間距足夠小而處于同一旋渦之中，則此兩脈動(dòng)速度之間必存在一定聯(lián)系而非相互獨(dú)立；反之，當(dāng)1、2兩點(diǎn)相距甚遠(yuǎn)，兩點(diǎn)的脈動(dòng)速度各自獨(dú)立。兩點(diǎn)脈動(dòng)速度的相關(guān)程度可用如下的相關(guān)系數(shù)R表示。3

R值介于0~1之間，且與兩點(diǎn)相距有關(guān)。數(shù)值越大，兩脈動(dòng)速度之間的相關(guān)性越顯著。于是，湍流尺度可定義為：

式中，y為兩測(cè)點(diǎn)間的距離。