При сильном ветре на среднюю скорость ветра в основном влияют два коэффициента: высота над уровнем земли и шероховатость поверхности. Последняя, характеризуется аэродинамическим параметром шероховатости z₀, представляет собой текстуру поверхности местности. В случае достаточно большой площади с однородным шероховатым и равнинным рельефом образуется равновесный граничный слой. Данный граничный слой образуется тогда, когда воздушный поток может беспрепятственно проходить на достаточном расстоянии, обеспечивая тем самым баланс между действующими силами. Вертикальное распределение средней скорости ветра затем можно описать с помощью степенного закона следующей формы
| ū(z) | средняя скорость ветра на высоте z |
| ūref |
средняя скорость ветра в исходной высоте zref
|
|
Z
|
высота над поверхностью земли |
| Zref | исходная высота |
| d0 | высота перемещения |
| α | экспонента профиля |
В слое Прандтля профиль скорости также можно описать с помощью логарифмического метода. В метеорологии степенной закон больше не используется. В данном контексте данные термины означают:
|
u* |
скорость трения |
|
κ |
постоянная фон Кармана, κ ≈ 0,41 |
| z0 | длина шероховатости |
Для определения высоты смещения d0 можно использовать различные методы, описанные Куниханом, Куком и Каримпур. При нейтральной стратификации воздуха турбулентность накладывается на среднюю скорость ветра. Эта турбулентность обычно характеризуется интенсивностью турбулентности, спектрами и интегральными масштабами длин. У типов местности, зависящих от направления ветра, необходимо смоделировать наиболее репрезентативный тип местности для каждого направления набегающего потока. Норма DIN EN 1991-1-4 содержит в себе контрольные значения шероховатости местности, длины шероховатости и экспоненты профиля, в дополнение к значениям в таблице 1.
Таблица 1: Константы от A до E для различных методов и определение безразмерной частоты по [18] - [23] и [26] на основе [2]
| Класс | Описание рельефа | Z[LinkToImage02] [м] | α [-] | d[LinkToImage02] [м] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Открытое море или озера, илистые отмели, заснеженные плоские равнины, пустыни без особых изменений, асфальт и бетон, с открытым стартом на несколько километров | 0,0002 to 0,005 | от 0,08 до 0,09 | 0 |
| 2 | Участок без особенностей и заметных препятствий, а также с незначительной Растительностью; например, берега, лёд без крупномасштабных возвышенностей, болтания, заснеженная или покрытая паром открытая местность | 0,005 to 0,01 | от 0,09 до 0,13 | 0 |
| 3 | Равнина с низкой Растительностью (например, травой) и отдельными препятствиями на расстоянии, по крайней мере, в 50 раз превышающем их высоту; напр., сенокосные угодия, лесоматериалы, пустоши, пустоши, тундра, взлётно- равностные полосы в аэропортах | от 0,03 до 0,1 | от 0,1 до 0,16 | 0 |
| 4 | Сельскохозяйственные угодия с равномерно низкой растениями или умеренно открытой землей с редкими препятствиями (например, низкими изгородями, отдельными деревьями, отдельными фермами) на относительном горизонтальном расстоянии, хотя бы в 20 раз превышающем высоту препятствия | от 0,1 до 0,25 | от 0,14 до 0,22 | 0 |
| 5 | Новый «молодой» ландшафт с высокой или переменной высотой растений и редкими препятствиями (например, плотные ветрозащитные ограждения, виноградники) на относительном расстоянии около 15 высот препятствий | от 0,25 до 0,5 | от 0,16 до 0,27 | 2/3 ч |
| 6 |
|
от 0,5 до 1 | от 0,18 до 0,33 | 2/3 ч |
| 7 | Полностью и довольно равномерно покрытая местность с крупными препятствиями аналогичного размера и открытыми участками, почти равными по высоте препятствиям; напр., возмужающие однородные леса, однородные города | от 0,23 до 0,43 | от 0,23 до 0,43 | 2/3 ч |
| 8 | Центры крупных городов со сочетанием низкой и высокой застройки; точно также, большие леса неправильной формы с большим количеством высвобождений | ≥2 | от 0,27 до 0,62 | 0 |
Экспонента профиля α рассчитывается по z₀ по методу Виринга [8] с помощью приближенного уравнения:
где для z1 и z2 выбран диапазон высот 10-80 м.
Колеблющиеся составляющие скорости ветра фиксируются с помощью стандартного отклонения σi (z). Таким образом, интенсивность турбулентности Ii (z) определяется как отношение колебательной составляющей к средней скорости:
Из-за пропорциональности стандартных отклонений отдельных колебаний скорости и скорости трения, определяется интенсивность турбулентности для логарифмического профиля ветра:
Сильная анизотропия турбулентности описывается Ai, который выводится следующим образом:
По аналогии с профилем средней скорости, вертикальное распределение интенсивности турбулентности также можно описать по степенному закону:
Модель граничного слоя по Дивсу и Харрису [30],[31] действительна для всего граничного слоя атмосферы и включает в себя уравнения как для профиля скорости, так и для интенсивности продольной турбулентности, как указано в Разделе 8.2.
Частотное распределение продольной составляющей турбулентности представлено безразмерной функцией спектральной плотности или спектром турбулентности в следующей форме:
| f | Частота колебаний скорости |
| Suu | Функция спектральной плотности |
| Размер f | Безразмерная частота |
| A, B, C, D, E | Выбор констант в соответствии с конкретными параметрами модели |
Таблица 2: Константы от A до E различных методов и задание безразмерной частоты по [18] - [23] и [26] по [2]
| Ориентир | одного | B | C | d | E | Размер f |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kaimal et al. (1972) | 16,8 | 33,0 | 1 | 5/3 | 1 | fz/ū(z) |
| Simiu und Scandinavian (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) |
| Тилеман (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) |
| фон Карман (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) |
Зависимость безразмерного спектра турбулентности от высоты учитывается в различных подходах, включая норму EN 1991-1-4, в котором безразмерная частота может быть образована либо с помощью высоты z, либо с помощью зависимости от высоты интегрального масштаба длины u-компонента в направление потока (Lux ). В таблице 2 представлен обзор этих подходов, применимость которых в основном ограничена слоем Прандтля.
Интегральные масштабы длин, такие как интегральная шкала длин u в направлении потока XLux, служат индексами пространственной корреляции турбулентности и могут быть интерпретированы как средние размеры вихрей. Они меняются в зависимости от типа местности и высоты над уровнем земли, при этом Lux уменьшается с увеличением длины шероховатости z₀; однако на высоте около 200 метров это поведение противоположно. Норма EN 1991-1-4 описывает увеличение интегральной длин с высотой по степенному закону и ограничена максимальной высотой 200 метров. Существует три общих подхода к расчету Lux :
- Задание коэффициента корреляции колебаний скорости:
- В слое Прандтля:
- По функции спектральной плотности:
Кроме Lux, существует восемь других интегральных масштабов длин для боковой и вертикальной составляющих, которые могут быть заданы в долях Lux по Кунихану [1] для боковых и вертикальной составляющих следующим образом:
Важную роль в этих рассуждениях играет гипотеза Тэйлора о «ледяной турбулентности», поскольку она предполагает, что колебания скорости остаются неизменными во время движения центра вихря между двумя точками пространства.