W warunkach silnego wiatru na średnią prędkość wiatru wpływają przede wszystkim dwa czynniki: wysokość nad gruntem i chropowatość powierzchni. Ten ostatni, scharakteryzowany przez parametr chropowatości aerodynamicznej z₀, reprezentuje teksturę powierzchni terenu. Przy założeniu, że powierzchnia jest wystarczająco duża, a szorstkość jest jednorodna, tworzy się równowagowa warstwa graniczna. Ta warstwa graniczna tworzy się samoczynnie, gdy przepływ powietrza może przebiegać bez zakłóceń na dostatecznej odległości, umożliwiając równowagę między działającymi siłami. Pionowy rozkład średniej prędkości wiatru można następnie opisać metodą potęgową dla postaci
| ū(z) | średnia prędkość wiatru na wysokości z |
| ūref |
średnia prędkość wiatru na wysokości odniesienia zref
|
|
Z
|
wysokość nad poziomem gruntu |
| Zodn | wysokość odniesienia |
| d2 | wysokość przemieszczenia |
| α | wykładnik profilu |
W warstwie Prandtla profil prędkości można również opisać przy użyciu podejścia logarytmicznego. W meteorologii nie stosuje się już metody równania potęgowego. W tym kontekście terminy oznaczają:
|
U* |
prędkość tarcia |
|
κ |
stała von Kármána, κ ≈ 0,41 |
| z0 | długość chropowatości |
Wysokość przemieszczenia d0 można określać różnymi metodami, opisanymi przez Counihana, Cooka i Karimpoura. W neutralnej warstwie atmosferycznej turbulencje nakładają się na średnią prędkość wiatru. Turbulencje są zazwyczaj charakteryzowane przez intensywności turbulencji, spektra i skale długości całkowitych. W przypadku typów terenu zależnych od kierunku wiatru należy przeprowadzić symulację najbardziej reprezentatywnego typu terenu dla każdego kierunku przepływu. Norma DIN EN 1991-1-4 zawiera wartości odniesienia dla szorstkości terenu, długości chropowatości i wykładników profilu, oprócz wartości w tabeli 1.
Tabela 1: Stałe A do E różnych podejść i definicja bezwymiarowej częstotliwości zgodnie z [18] do [23] i [26] na podstawie [2]
| Klasa | Opis terenu | Z[LinkToImage09] [m] | α [-] | [CRASHREASON.DESCRIPTION][LinkToImage09] [m] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Otwarte morze lub jeziora, tereny błotne, pokryte śniegiem płaskie równiny, pustynia bez szczególnych ukształtowań, asfalt i beton, a szerokość startu lądowisk wynosząca kilka kilometrów | 0,0002 to 0,005 | 0,08 do 0,09 | 0 |
| 2 | Teren bez szczególnych cech charakterystycznych i widocznych przeszkód oraz ze znikomą roślinnością; np. plaże, lód bez dużych wzniesień, bagna, tereny pokryte śniegiem lub ugorami | 0,005 to 0,01 | 0,09 do 0,13 | 0 |
| 3 | Teren płaski porośnięty niską roślinnością (np. trawą) oraz z pojedynczymi przeszkodami w odległości co najmniej 50-krotności wysokości przeszkody; np. obszary trawiaste bez osłon przeciwwiatrowych, wrzosowiska, wrzosowiska, tundra, pasy startowe na lotniskach | od 0,03 do 0,1 | 0,1 do 0,16 | 0 |
| 4 | Teren uprawny porośnięty równomiernie niską roślinnością lub teren umiarkowanie otwarty z rzadkimi przeszkodami (np. niskie żywopłoty, pojedyncze drzewa, pojedyncze domy wiejskie) w odległości poziomej wynoszącej co najmniej 20-krotność wysokości przeszkody | 0,1 do 0,25 | 0,14 do 0,22 | 0 |
| 5 | Nowo powstały „młody“ krajobraz z roślinnością wysoką lub roślinności o zmiennej wysokości i rozproszonymi przeszkodami (np. gęste osłony przeciwwiatrowe, winnice) w odległościach względnych wynoszących około 15 wysokości | 0,25 do 0,5 | 0,16 do 0,27 | 2/3 h |
| 6 |
|
0,5 do 1 | 0,18 do 0,33 | 2/3 h |
| 7 | Teren o dość równym pokryciu, z dużymi przeszkodami o podobnej wielkości, z otwartymi terenami o wysokości prawie takiej jak przeszkody; np. dojrzałe, jednolite lasy, jednorodne miasta | 0,23 do 0,43 | 0,23 do 0,43 | 2/3 h |
| 8 | Centra dużych miast o niskiej i wysokiej zabudowie; podobnie, nieregularne duże lasy z wieloma polanami | ≥2 | 0,27 do 0,62 | 0 |
Wykładnik profilu α jest obliczany ze z według Wieringa [8] przy użyciu przybliżonego równania:
gdzie dla z1 i z2 wybrano zakres wysokości 10-80 m.
Zmienne składowe prędkości wiatru są brane pod uwagę przy użyciu odchylenia standardowego σi (z). Intensywność turbulencji Ii (z) jest zatem zdefiniowana jako stosunek składowej fluktuacyjnej do średniej prędkości:
Intensywności turbulencji dla logarytmicznego profilu wiatru oblicza się na podstawie proporcjonalności odchyleń standardowych poszczególnych fluktuacji prędkości i prędkości tarcia:
Silna anizotropia turbulencji jest opisana wzorem Ai, który wyprowadza się w następujący sposób:
Analogicznie do profilu prędkości średniej, pionowy rozkład intensywności turbulencji można również opisać za pomocą równania potęgowego:
Model warstwy granicznej według Deavesa i Harrisa [30], [31] jest prawidłowy dla całej atmosferycznej warstwy granicznej i zawiera równania zarówno dla profilu prędkości, jak i intensywności turbulencji podłużnej, zgodnie z rozdziałem 8.2.
Rozkład częstotliwości podłużnej składowej turbulencji jest reprezentowany przez bezwymiarową widmową funkcję gęstości (spektrum turbulencji) w postaci:
| F | Częstotliwość fluktuacji prędkości |
| Suu | Funkcja gęstości spektralnej |
| fdim | Bezwymiarowa częstotliwość |
| A, B, C, D, E | Stałe do wyboru, zgodnie z określonymi parametrami modelu |
Tabela 2: Stałe A do E różnych podejść i definicja bezwymiarowej częstotliwości zgodnie z [18] do [23] i [26] zgodnie z [2]
| Odniesienie | [LinkToImage04] | B | C | D | E | fdim |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kaimal i in. (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 i in. (1984) | 40,42 | 60,62 | 1 | 5.3 | 1 | fz/ū(z) |
| Tielemana (1995) | 20,53 | 475,1 | 5/3 | 1 | 1 | fz/ū(z) |
| Fichtl i McVehill (1970) | 54,375 | 36,532 | 0,845 | 5/(3*C) | 1 | fz/ū(z) |
| von Kármána (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) |
Zależność od wysokości bezwymiarowego spektrum turbulencji jest uwzględniana w różnych podejściach, w tym w normie EN 1991-1-4, gdzie bezwymiarowa częstotliwość może być utworzona za pomocą wysokości z lub zależności od wysokości integralnej skali długości składowej u w kierunek przepływu (Lux ). Tabela 2 zawiera przegląd tych podejść, których ważność ogranicza się głównie do warstwy Prandtla.
Integralne skale długości, takie jak np. skala długości składowej u w kierunku przepływu XLux, służą jako wskaźniki przestrzennej korelacji turbulencji i mogą być interpretowane jako średnie rozmiary wirów. Zmieniają się one w zależności od rodzaju terenu i wysokości nad gruntem, przy czym Lux maleje wraz ze wzrostem długości chropowatości z₀; jednak zachowanie to zostaje odwrócone na wysokości około 200 metrów. W normie EN 1991-1-4 opisano zwiększanie integralnej skali długości wraz z wysokością przy użyciu metody potęgowej, ograniczonej do maksymalnej wysokości 200 metrów. Istnieją trzy powszechne podejścia do obliczaniaLux :
- Definicja współczynnika korelacji wahań prędkości:
- W warstwie Prandtla:
- Z funkcji gęstości spektralnej:
Oprócz Lux istnieje osiem innych całkowitych skal długości dla składowych bocznych i pionowych, które wedługCounihana [1] można w przybliżeniu określić jako ułamkiLux dla składowych bocznych i pionowych, w następujący sposób:
Istotną rolę w tych rozważaniach odgrywa hipoteza Taylora o „zamrożonych turbulencjach”, która zakłada, że fluktuacje prędkości pozostają niezmienione podczas ruchu środka wiru między dwoma punktami w przestrzeni.