Při silném větru ovlivňují střední rychlost větru především dva faktory: výška nad terénem a drsnost povrchu. Ten, který je charakterizován parametrem aerodynamické drsnosti z₀, představuje texturu povrchu terénu. Za předpokladu dostatečně velké plochy s homogenní drsností a rovinným terénem vzniká rovnovážná mezní vrstva. Tato mezní vrstva se vytvoří tehdy, když proudění vzduchu může nerušeně postupovat po dostatečné vzdálenosti, což umožňuje rovnováhu mezi působícími silami. Svislý průběh střední rychlosti větru pak lze popsat pomocí mocninného přístupu ve tvaru
| ū(z) | střední rychlost větru ve výšce z |
| ūref |
střední rychlost větru v referenční výšce zref
|
|
z
|
výška nad zemí |
| Zref | referenční výška |
| d0 | výška posunu |
| α | exponent profilu |
V Prandtlově vrstvě lze rychlostní profil popsat také logaritmicky. V meteorologii se již mocninný přístup nepoužívá. V této souvislosti se rozumí:
|
u* |
třecí rychlost |
|
κ |
von Kármánova konstanta, κ ≈ 0,41 |
| z0 | délka drsnosti |
Výšku posunu d0 lze stanovit různými metodami, které popsali Counihan, Cook a Karimpour. Při neutrálním zvrstvení atmosféry se turbulence superponuje se střední rychlostí větru. Tyto turbulence jsou obvykle charakterizovány intenzitami turbulence, spektry a integrálními délkovými stupnicemi. U typů terénu, které jsou závislé na směru větru, je třeba simulovat nejreprezentativnější typ terénu pro každý směr proudění. DIN EN 1991-1-4 uvádí kromě hodnot v tabulce 1 referenční hodnoty pro drsnost terénu, délky drsnosti a exponenty profilu.
Tabulka 1: Konstanty A až E různých přístupů a definice bezrozměrné frekvence podle [18] až [23] a [26] na základě [2]
| Třída | Popis terénu | z0 [m] | α [-] | d0 [m] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Otevřené moře nebo jezera, bažiny, zasněžené rovinaté pláně, poušť bez zvláštností, asfalt a beton, s otevřenou vzdáleností několika kilometrů | 0,0002 to 0,005 | 0,08 až 0,09 | 0 |
| 2 | Pozemek bez zvláštností a bez znatelných překážek a také se zanedbatelnou vegetací; např. pláže, led bez velkých vyvýšenin, bažiny, zasněžená nebo ladem ležící otevřená plocha | 0,005 to 0,01 | 0,09 až 0,13 | 0 |
| 3 | rovina s nízkou vegetací (např. trávou) a s jednotlivými překážkami ve vzdálenosti alespoň 50násobku výšky překážky; např. pastviny bez větrolamů, vřesoviště, vřesoviště, tundra, přistávací dráhy na letištích | 0,03 až 0,1 | 0,1 až 0,16 | 0 |
| 4 | Zemědělská půda s rovnoměrně nízkou vegetací nebo mírně otevřená půda s občasnými překážkami (např. nízké živé ploty, jednotlivé stromy, samostatné statky) v relativních vodorovných vzdálenostech alespoň 20násobku výšky překážek | 0,1 až 0,25 | 0,14 až 0,22 | 0 |
| 5 | Nově vyvinutá „mladá“ krajina s vysokou nebo proměnlivou vegetací a roztroušenými překážkami (např. husté větrolamy, vinice) v relativních vzdálenostech asi 15 výškových překážek | 0,25 až 0,5 | 0,16 až 0,27 | 2/3 h |
| 6 |
|
0,5 až 1 | 0,18 až 0,33 | 2/3 h |
| 7 | Zcela a poměrně rovnoměrně pokrytý terén s velkými překážkami podobné velikosti a s otevřenými plochami vysokými téměř jako překážky; např. vzrostlé jednotné lesy, homogenní města nebo obce | 0,23 až 0,43 | 0,23 až 0,43 | 2/3 h |
| 8 | Centra velkých měst s kombinací nízkých a vysokých budov; podobně nepravidelné rozlehlé lesy s mnoha holinami | ≥2 | 0,27 až 0,62 | 0 |
Exponent profilu α se vypočítá ze z₀ podle Wieringy [8] pomocí přibližné rovnice:
kde se pro z1 a z2 zvolí výškový rozsah 10-80 m.
Kolísavé složky rychlosti větru se zachycují pomocí směrodatné odchylky σi (z). Intenzita turbulence Ii (z) je tak definována jako podíl fluktuační složky ke střední rychlosti:
Z úměrnosti směrodatných odchylek jednotlivých kolísání rychlosti a rychlosti tření se stanoví intenzity turbulence pro logaritmický profil větru:
Silná anizotropie turbulence je dána vztahem Ai, který se stanoví následovně:
Svislý průběh intenzity turbulence lze obdobně jako u středního rychlostního profilu popsat mocninnou rovnicí:
Model mezní vrstvy podle Deavese a Harrise [30],[31] platí pro celou mezní vrstvu atmosféry a obsahuje rovnice pro rychlostní profil a intenzitu podélné turbulence, jak je uvedeno v kapitole 8.2.
Rozdělení frekvencí podélné složky turbulence je znázorněno pomocí bezrozměrné spektrální funkce hustoty nebo spektra turbulence v následujícím tvaru:
| f | Frekvence kolísání rychlosti |
| Suu | Funkce spektrální hustoty |
| frozm | Bezrozměrná frekvence |
| A, B, C, D, E | Volitelné konstanty podle specifických parametrů modelu |
Tabulka 2: Konstanty A až E různých metod a definice bezrozměrné frekvence podle [18] až [23] a [26] podle [2]
| Reference | jednoho | B | C | d | E | frozm |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kaimal a kol. (1972) | 16,8 | 33,0 | 1 | 5/3 | 1 | fz/ū(z) |
| Simiu und Scanlan (1996) | 32,0 | 33,0 | 1 | 5.3 | 1 | fz/ū(z) |
| Olesen a kol. (1984) | 40,42 | 60,62 | 1 | 5.3 | 1 | fz/ū(z) |
| Tieleman (1995) | 20,53 | 475,1 | 5/3 | 1 | 1 | fz/ū(z) |
| Fichtl und McVehill (1970) | 54,375 | 36,532 | 0,845 | 5/(3*C) | 1 | fz/ū(z) |
| von Kármán (1948) | 4 | 70,78 | 2 | 5/(3*C) | 1 | fLux (z)/ū(z) |
| CEN (2005) | 6,8 | 10.2 | 1 | 5/3 | 1 | fLux (z)/ū(z) |
Výšková závislost bezrozměrného spektra turbulence je zohledněna v různých přístupech, včetně EN 1991-1-4, kde lze bezrozměrnou frekvenci vytvořit buď pomocí výšky z, nebo pomocí výškové závislosti integrální délkové stupnice složky u směr proudění (Lux ). V tabulce 2 je uveden přehled těchto přístupů, jejichž platnost je omezena především na Prandtlovu vrstvu.
Integrální délkové stupnice, jako je integrální délková stupnice složky u ve směru proudění XLux, slouží jako indikátory prostorové korelace turbulence a lze je interpretovat jako průměrné velikosti vírů. Liší se v závislosti na typu terénu a výšce nad terénem, přičemž Lux se snižuje se zvyšující se délkou drsnosti z₀; toto chování se však obrátí ve výšce asi 200 metrů. EN 1991-1-4 popisuje zvětšování integrální délkové stupnice s výškou pomocí mocninného přístupu, který je omezen na maximální výšku 200 metrů. Existují tři běžné přístupy pro výpočet Lux :
- Zadání korelačního součinitele kolísání rychlosti:
- Ve vrstvě Prandtl:
- Z funkce spektrální hustoty:
Kromě Lux existuje dalších osm integrálních délkových stupnic pro příčné a svislé složky, které lze podle Counihana [1] přibližně zadat jako zlomky Lux pro příčné a svislé složky:
V těchto úvahách hraje důležitou roli Taylorova hypotéza „zmrzlé turbulence“, která předpokládá, že kolísání rychlosti zůstává při pohybu středu víru mezi dvěma prostorovými body neměnné.