Em condições de vento forte, a velocidade média do vento é principalmente influenciada por dois fatores: a altura acima do solo e a rugosidade da superfície. A última, caracterizada pelo parâmetro de rugosidade aerodinâmica z₀, representa a textura da superfície' do terreno. Assumindo uma área suficientemente grande com uma rugosidade homogénea e um terreno plano, forma-se uma camada limite em equilíbrio. Esta camada limite se estabelece quando o fluxo de ar pode prosseguir sem ser perturbado ao longo de uma distância suficiente, permitindo um equilíbrio entre as forças atuantes. A distribuição vertical da velocidade média do vento pode então ser descrita utilizando uma abordagem de lei de potência com a forma
| ū(z) | mean wind speed at height z |
| ūref |
velocidade média do vento na altura de referência zref
|
|
Z
|
altura acima do solo |
| Zref | altura de referência |
| d0 | altura de deslocamento |
| α | exponente do perfil |
Na camada Prandtl, o perfil de velocidade também pode ser descrito utilizando uma abordagem logarítmica. Em meteorologia, já não é utilizada a abordagem da lei de potência. Neste contexto, os termos significam:
|
u* |
velocidade de atrito |
|
κ |
Constante de von Kármán, κ ≈ 0,41 |
| z0 | comprimento de rugosidade |
A determinação da altura de deslocamento d0 pode ser realizada através de vários métodos, tais como descrito por Counihan, Cook e Karimpour. Na e viga-parede de vento, a turbulência sobrepõe-se à velocidade média do vento. Essas turbulências são geralmente caracterizadas por intensidades de turbulência, espectros e escalas de comprimento integrais. Para os tipos de terreno que dependem da direção do vento, deve ser simulado o tipo de terreno mais representativo para cada direção do fluxo. A norma DIN EN 1991-1-4 fornece valores de referência para a rugosidade do terreno, comprimento de rugosidade e exponentes de perfil, além dos valores na Tabela 1.
Tabela 1: Constantes A a E das diferentes abordagens e a definição da frequência adimensional de acordo com [18] a [23] e [26] baseada em [2]
| Classe | Descrição do terreno | Z0 [m] | α [-] | [BUG.DESCRIPTION]0 [m] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Mar aberto ou lagos, lodas, planícies cobertas de neve, deserto sem características especiais, asfalto e betão, com uma distância de deformação de vários quilómetros | 0,0002 to 0,005 | 0,08 a 0,09 | 0 |
| 2 | Terreno sem características especiais e sem obstáculos perceptíveis, bem como com uma cobertura superficial da terra; por exemplo, areias finas, gelo sem elevação em grande escala, pântanos, terrenos abertos cobertos de neve ou assimpoados | 0,005 to 0,01 | 0,09 a 0,13 | 0 |
| 3 | Zona plana com cobertura de floresta baixa (por exemplo, relva) e com obstáculos individuais colocados em distâncias de, pelo menos, 50 vezes a altura do obstáculo; por exemplo, prados sem quebra-ventos, roturas, zonas húmidas, tundres, caminhos em aeroportos | 0,03 a 0,1 | 0,1 a 0,16 | 0 |
| 4 | Terreno húmido com cobertura de floresta uniformemente baixa ou terreno moderadamente aberto com obstáculos ocasionais (por exemplo, secções baixas, árvores individuais, casas individuais) em distâncias horizontais relativas de, pelo menos, 20 vezes a altura do obstáculo | 0,1 a 0,25 | 0,14 a 0,22 | 0 |
| 5 | Paisagem "jovem" recentemente desenvolvida com cobertura de floresta alta ou de altura variável e obstáculos dispersos (por exemplo, quebra-ventos densos, vinhas) em distâncias relativas de cerca de 15 alturas de obstáculos | 0,25 a 0,5 | 0,16 a 0,27 | 2/3 h |
| 6 |
|
0,5 para 1 | 0,18 a 0,33 | 2/3 h |
| 7 | Terreno coberto de forma completa e uniforme com obstáculos em grande escala de tamanho semelhante e com áreas abertas quase da mesma altura dos obstáculos; por exemplo, florestais uniformes, cidades homogéneas | 0,23 a 0,43 | 0,23 a 0,43 | 2/3 h |
| 8 | Centros de grandes cidades com uma mistura de edifícios baixos e altos; da mesma forma, grandes florestas irregulares com muitas clareiras | ≥ 2 | 0,27 a 0,62 | 0 |
O expoente de perfil α é calculado a partir de z₀ de acordo com Wieringa [8] utilizando a equação aproximada:
onde um intervalo de altura de 10-80 m é escolhido para z1 e z2.
Os componentes flutuantes da velocidade do vento são cativados pelo desvio padrão σi (z). Assim, a intensidade de turbulência Ii (z) é definida como a relação do componente flutuante com a velocidade média:
A partir da proporcionalidade dos desvios padrão das flutuações de velocidade individuais e da velocidade de atrito, as intensidades de turbulência para um perfil de vento logarítmico são dadas por:
A anisotropia forte da turbulência é descrita por Ai, que é derivada da seguinte forma:
análogo ao perfil de velocidade média, a distribuição vertical da intensidade de turbulência também pode ser descrita por uma lei de potência:
O modelo de camada limite de acordo com Deevs e Archiv [30],[31] é válido para toda a camada limite atmosférica e inclui equações para o perfil de velocidade e a intensidade de turbulência longitudinal, conforme fornecido no Capítulo 8.2.
A distribuição de frequência da componente longitudinal da turbulência é representada pela função de densidade espectral adimensional, ou espectro de turbulência, da seguinte forma:
| F | Frequência de flutuações de velocidade |
| Suu | Função de densidade espectral |
| fdim | Frequência adimensional |
| A, B, C, D, E | Constantes selecionáveis, de acordo com parâmetros específicos do modelo |
Tabela 2: Constantes A a E de diferentes abordagens e definição da frequência adimensional de acordo com [18] a [23] e [26] como em [2]
| Livro técnico | A | B | C | D | E | fdim |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kaimal et al. (1972) | 16,8 | 33,0 | 1 | 5/3 | 1 | fz/ū(z) |
| Simiu eScanlan (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 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) |
A dependência da altura do espectro de turbulência adimensional é considerada sob várias abordagens, incluindo a EN 1991-1-4, onde a frequência adimensional pode ser formada quer com a altura z ou com a dependência da altura da escala de comprimento integral do componente u em a direção do fluxo (Lux ). A Tabela 2 oferece uma visão geral dessas abordagens, cuja validade é principalmente limitada à camada Prandtl.
As escalas de comprimento integral, tais como a escala de comprimento integral do componente u na direção do fluxo XLux, servem como índices da correlação espacial da turbulência e podem ser interpretadas como tamanhos médios de turbulências. Estas variam em função do tipo de terreno e da altura acima do solo, com Lux a diminuir à medida que o comprimento de rugosidade z₀ aumenta; no entanto, este comportamento inverte-se a partir da altura dos 200 metros. A norma EN 1991-1-4 descreve o aumento da escala de comprimento integral com a altura utilizando uma abordagem de lei de potência, limitada a uma altura máxima de 200 metros. Existem três abordagens comuns para o cálculo de Lux :
- Definição do coeficiente de correlação das flutuações de velocidade:
- Na camada Prandtl:
- A partir da função de densidade espectral:
Além de Lux, existem oito outras escalas de comprimento integrais para os componentes lateral e vertical, que podem ser aproximadamente dadas como frações de Lux, de acordo com Counihan [1] para os componentes laterais e verticais da seguinte forma:
A hipótese deTayler da "turbulênciacongelante" desempenha um papel importante nestas considerações, uma vez que assume que as flutuações de velocidade permanecem inalteradas durante o movimento do centro do vórtice entre dois pontos espaciais.