In condizioni di vento forte, la velocità media del vento è influenzata principalmente da due fattori: altezza dal suolo e rugosità della superficie. Quest'ultimo, caratterizzato dal parametro di rugosità aerodinamica z₀, rappresenta la trama della superficie del terreno. Assumendo un'area sufficientemente grande con rugosità omogenea e terreno pianeggiante, si forma uno strato limite di equilibrio. Questo strato limite si stabilisce quando il flusso d'aria può procedere indisturbato su una distanza sufficiente, consentendo un equilibrio tra le forze agenti. La distribuzione verticale della velocità media del vento può quindi essere descritta utilizzando un approccio della legge di potenza del modulo
| ū(z) | velocità media del vento all'altezza z |
| ūrif |
velocità media del vento all'altezza di riferimento zref
|
|
Z
|
altezza fuori terra |
| Rif. Z | altezza di riferimento |
| d0 | altezza di spostamento |
| α | esponente del profilo |
Nello strato di Prandtl, il profilo di velocità può anche essere descritto utilizzando un approccio logaritmico. In meteorologia, l'approccio della legge di potenza non è più utilizzato. In questo contesto, i termini significano:
|
u* |
velocità di attrito |
|
κ |
Costante di von Kármán, κ ≈ 0,41 |
| z0 | lunghezza di rugosità |
La determinazione dell'altezza di spostamento d0 può essere eseguita utilizzando vari metodi, come descritto da Counihan, Cook e Karimpour. Nella stratificazione atmosferica neutra, la turbolenza si sovrappone alla velocità media del vento. Queste turbolenze sono tipicamente caratterizzate da intensità di turbolenza, spettri e scale di lunghezze integrali. Per i tipi di terreno che dipendono dalla direzione del vento, dovrebbe essere simulato il tipo di terreno più rappresentativo per ciascuna direzione di afflusso. La DIN EN 1991-1-4 fornisce i valori di riferimento per la rugosità del terreno, le lunghezze di rugosità e gli esponenti del profilo, oltre ai valori nella Tabella 1.
Tabella 1: Costanti da A a E dei diversi approcci e definizione della frequenza adimensionale secondo [18] a [23] e [26] basata su [2]
| Classe | Descrizione del terreno | Z[LinkToImage04] [m] | α [-] | d[LinkToImage04] [m] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Mare aperto o laghi, distese fangose, pianure innevate, deserto senza particolari caratteristiche, asfalto e cemento, con una distanza di decollo aperta di diversi chilometri | 0,0002 to 0,005 | da 0,08 a 0,09 | 0 |
| 2 | Terreno senza caratteristiche particolari e senza ostacoli evidenti nonché con vegetazione trascurabile; ad esempio, spiagge, ghiaccio senza grandi altitudini, paludi, terreno innevato o incolto | 0,005 to 0,01 | 0,09 a 0,13 | 0 |
| 3 | Terreno pianeggiante con vegetazione bassa (ad esempio, erba) e con singoli ostacoli a distanze di almeno 50 volte l'altezza dell'ostacolo; ad esempio, prati senza frangivento, brughiera, brughiera, tundra, piste negli aeroporti | da 0,03 a 0,1 | 0,1 a 0,16 | 0 |
| 4 | Terreno agricolo con vegetazione uniformemente bassa o terreno moderatamente aperto con ostacoli occasionali (ad esempio siepi basse, singoli alberi, singole fattorie) a distanze orizzontali relative di almeno 20 volte l'altezza dell'ostacolo | 0,1 a 0,25 | 0,14 a 0,22 | 0 |
| 5 | Paesaggio "giovane" di nuova concezione con vegetazione alta o vegetazione di altezza variabile e ostacoli sparsi (ad esempio densi frangivento, vigneti) a distanze relative di circa 15 altezze di ostacoli | 0,25 a 0,5 | 0,16 a 0,27 | 2/3 h |
| 6 |
|
0,5 a 1 | da 0,18 a 0,33 | 2/3 h |
| 7 | Terreno completamente e abbastanza uniformemente coperto con ostacoli di grandi dimensioni di dimensioni simili e con aree aperte alte quasi quanto gli ostacoli; ad esempio, foreste uniformi mature, città o paesi omogenei | 0,23 a 0,43 | 0,23 a 0,43 | 2/3 h |
| 8 | Centri di grandi città con un mix di edifici bassi e alti; allo stesso modo, grandi foreste irregolari con molte radure | ≥2 | da 0,27 a 0,62 | 0 |
L'esponente del profilo α è calcolato da z₀ secondo Wieringa [8] utilizzando l'equazione approssimativa:
dove per z1 e z2 viene scelto un intervallo di altezza di 10-80 m.
Le componenti fluttuanti della velocità del vento sono catturate utilizzando la deviazione standard σi (z). Pertanto, l'intensità della turbolenza Ii (z) è definita come il rapporto tra la componente fluttuante e la velocità media:
Dalla proporzionalità delle deviazioni standard delle singole fluttuazioni della velocità e della velocità di attrito, le intensità di turbolenza per un profilo logaritmico del vento sono date da:
L'anisotropia forte della turbolenza è descritta da Ai, che è derivata come segue:
Analogamente al profilo della velocità media, la distribuzione verticale dell'intensità della turbolenza può anche essere descritta da una legge di potenza:
Il modello dello strato limite secondo Deaves e Harris [30],[31] è valido per l'intero strato limite atmosferico e include equazioni sia per il profilo di velocità che per l'intensità della turbolenza longitudinale, come fornito nel Capitolo 8.2.
La distribuzione di frequenza della componente longitudinale della turbolenza è rappresentata dalla funzione di densità spettrale adimensionale, o spettro di turbolenza, nella forma seguente:
| [F5] | Frequenza delle fluttuazioni di velocità |
| Suu | Funzione di densità spettrale |
| fdim | Frequenza adimensionale |
| A, B, C, D, E | Costanti selezionabili, secondo i parametri specifici del modello |
Tabella 2: Costanti da A a E di vari approcci e definizione della frequenza adimensionale secondo [18] a [23] e [26] secondo [2]
| Riferimento | [LinkToImage01] | B | C | d | E | fdim |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kaimal et al. (1972) | 16,8 | 33,0 | 1 | 5/3 | 1 | fz/ū(z) |
| Simiu e Scanlan (1996) | 32.0 | 33,0 | 1 | 5.3 | 1 | fz/ū(z) |
| Olesen et al. (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 e McVehill (1970) | 54,375 | 36,532 | 0,845 | 5/(3*C) | 1 | fz/ū(z) |
| von Karman (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) |
La dipendenza dall'altezza dello spettro di turbolenza adimensionale è considerata in vari approcci, tra cui EN 1991-1-4, dove la frequenza adimensionale può essere formata con l'altezza z o con la dipendenza dall'altezza della scala della lunghezza integrale della componente u in la direzione del flusso (Lux ). La tabella 2 fornisce una panoramica di questi approcci, la cui validità è principalmente limitata allo strato di Prandtl.
Le scale delle lunghezze integrali, come la scala delle lunghezze integrali della componente u nella direzione del flusso XLux, servono come indicatori della correlazione spaziale della turbolenza e possono essere interpretate come dimensioni medie dei vortici. Variano a seconda del tipo di terreno e dell'altezza dal suolo, con Luux che diminuisce all'aumentare della lunghezza della rugosità z₀; tuttavia, questo comportamento si inverte a circa 200 metri di altezza. EN 1991-1-4 descrive l'aumento della scala della lunghezza integrale con l'altezza utilizzando un approccio della legge di potenza, limitato a un'altezza massima di 200 metri. Esistono tre approcci comuni per il calcolo diLux :
- Definizione del coefficiente di correlazione delle fluttuazioni di velocità:
- Nello strato Prandtl:
- Dalla funzione di densità spettrale:
Oltre aLux, ci sono altre otto scale di lunghezze integrali per le componenti laterali e verticali, che possono essere date approssimativamente come frazioni diLux, secondo Counihan [1], per le componenti laterali e verticali come segue:
L'ipotesi di Taylor della "turbolenza congelata" gioca un ruolo importante in queste considerazioni, poiché presume che le fluttuazioni di velocità rimangano invariate durante il movimento del centro del vortice tra due punti spaziali.