湍流对风力机的影响及阵风系数的确定

风速特性的观察记录表明，风具有湍流特性，即风向和风速在不停地发生改变。甚至在极短的时间内，会有相当大的变化，这种在极短的时间产生的50%或者更高的风速突变为阵风。突变的风速有时增大，有时减小。通常把速度突然减小的阵风称为负阵风。

图2-19所示为8min内风速风向随时间的瞬时变化过程。对于风力机而言，计算载荷、设计功率调节系统和设计对风系统等，都需要准确地了解瞬时风速、风向的变化。

风向和风速的瞬时变化可以看成是均匀气流和旋流的叠加。一个切向速度Δv的简单旋流，被速度为vm的均匀气流所夹带，其方向和速度的变化规律为

图2-19　8min内风速风向随时间的瞬时变化过程

当vm和Δv的方向相同时，速度最大；当vm和Δv的方向相反时，速度最小。据实际统计，Δv／vm的值一般为0.15～0.4。设Δv的大小固定，则可写为

图2-20　阵风的产生

由此可得

设β为vm和瞬时风速v之间的最大夹角，则风向波动的最大幅度为

观察表明，风速、风向在垂直方向的变化很小，仅为水平方向变化的1／10～1／9，所以在风能利用中应该更加关注风在水平方向上的速度波动。

在实际测试风的紊流脉动变化时，应有足够快的采样速度（最小1Hz），且常采用标准差与某一测试时间内平均值的关系式来计算脉动，即

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典型的紊流特性是在平均风速的上下10%～20%内浮动。

在某一时间段内，最大风速估算的理论公式为

式中 vm——平均风速；

z——离地面某一高度的粗糙度；

z0——地面粗糙度。

风向突变在暴风雨发生前更加明显。表2-2给出了一组风场实测的风向数据。这种情况出现的时间频率为2年／次，故在设计风力机时，必须计算几分钟内180°的风向突变及相应的风速突变。

表2-2　风向随风速变化的突变情况

对于风速突变，要考虑阵风的产生。通常用阵风系数G来表示阵风的大小，即最大风速vmax对于平均风速vm的比值，G=。一般定义是阵风风速与时距10min的平均风速之间的比值，以确定任意给定时间内的最大（最小）阵风风速。一般地，湍流强度越大，阵风系数也越大；阵风持续时间越长，阵风系数越小。在气象学中，常用阵风系数G以及阵风时间t来描述阵风。阵风大小取决于平均时间、采样速率、采样频率、平滑性、风杯常数或预平均值等，见表2-3。

表2-3　不同平均时间的阵风系数

在风能计算中，阵风的考虑仅限于风速的最大值。对于载荷计算和控制系统设计时，则主要考虑阵风随时间的变化过程。阵风系数必须在阵风之前确定下来，平均时间的长短取决于阵风的大小，阵风对风力机影响还应考虑风力机容量的大小。

阵风系数用于对阵风变化过程的分析，风能梯度用来定义阵风能量的变化速率。图2-21表示某海岸风速与所有阵风的风能梯度值的统计平均值关系。图2-21纵坐标表示单位过风面积上的风能量梯度变化，即风能变化率。从图2-21中看出，对于19～20m／s平均风速的阵风，具有近5000W／（m2·s）的风能变化率，当直径25m的风力机遇到这样的阵风，需要在1s内将2453kW多余的功率卸掉。

图2-21　某海岸风速与风能变化率