摘 要：本文尝试从风速的湍流强度与风向的变化关系进行分析，说明风向的变化与横向湍流强度有关。在大气稳定度为中性的条件下对风速场的模型进行论证，并对复杂地形条件下的风速场进行了探索，为更精确的预测风向变化提供了方向。
关键词：横向湍流强度；风向变化；风速模型；风向模型
1.引言
风向的变化是由其所在地理位置、全球和当地的气候状况以及地球自转的影响决定的，特别在临海、山谷甚至城郊相邻地区，风向在白天和黑夜会发生变化。
以“山谷风”为例，白天山坡及山顶上接受较多的太阳辐射，空气温度升高较快，因温差效应导致山坡上的热空气不断膨胀上升，在山顶近地面处形成低压，流向谷地上空，谷地上层空气不断下沉，在山谷地面形成高压，谷地的空气则沿山坡向山顶补充，即在山坡与山谷之间形成热力环流，即为山谷风。到了夜间，热力环流正好相反，即风向发生与白天完全相反的变化。
风向不仅在时间上发生较大变化，在任一位置和其他位置也不尽相同，为研究风电场中风向在空间上和时间的变化，需要建立风速（风向）的变化模型。在风电场中，确定场内各机位在时间和空间上的风向对风电场的设计、运行具有重要意义。
2.风速和湍流强度表示方法
尽管风力发电机的偏航系统会保持风轮始终对准平均风速的主导风向，但风向的短期波动会增加疲劳荷载。特别是在大风的情况下（>12m/s），风力发电机的风向突然变化会造成极端荷载快速增加。
决定风电机组负荷的风况特性通常是由现场所测的10min平均风速U10min结合其标准偏差来表示，10min中的平均风速的变化往往服从威布尔（weibull）分布，而风速的标准偏差反映了10min内风速的自然变化，即指风速的湍流强度的标准偏差，U10min为当前风速对应的湍流强度，一般而言，服从对数正态分布，即式中：为标准高斯累积分布函数，b0、b1为受U10min影响的场址有关系数，受地表粗糙度和地形高度的影响。
3.横向和垂直方向的湍流强度模型研究
在10min时间内，假设静态的风况是主要的，即较短的时间内认为U10min和是恒定的，这在工程上认为是可靠的和满足技术要求的，但在特殊的风况下，如台风、飓风甚至当某些特定的微地形加速条件下，仅靠U10min和表示是不够的。
在复杂的CFD流体模型建模时，就要考虑风向变化的影响，在粗略的计算中，风速的标准差和湍流强度都指10min时间内的稳定条件下恒定风向上的风速，实际上，在此10min时间段内，在横向和垂直方向上也会产生风速、风向变化，即湍流强度。
根据Dyrbye和Hansen在1977年的研究，当横向平均风速为0时，横向平均风速对应的标准差为=0.75[1]，而根据Panofsky等人的研究，=0.8。当垂直风速为0时，风速垂直标准偏差为=0.5，以上分项的标准偏差，均适应于均匀的地形，粗糙度也要相对平稳，大气稳定度也不能发生显著变化的条件。对于复杂地形来说，风速的矢量场分布更加各向同性化，和的大小更更接近，对于复杂地形的风向计算时，如果采用均匀地形有效的和值，就会出现较大的误差。
通常，在风电场所设立的测风塔中，风向和风速的测量仅仅为标量值，即认定为恒定风向上的风速U10min和，而在无测风塔的位置，风速U10min往往可以通过质量、动量和能量方程通过CFD方法很好的模拟出来，但不通过测量的话却很难准确的推算，因为的值很大程度上取决于当地的粗糙度条件所决定，理论上各位置的粗糙度无法严格测定，所以不能通过附近位置已知的风速条件来推算特定位置的标准偏差，在一些不能测量风速条件的位置，风速标准偏差的分别，常常不能准确确定，设计的时候，一般通过一个保守的比较大的值来考虑这种模糊性，在IEC61400-1和DS472中均给出一个经验推算值。
在IEC61400-1中，采用凯莫尔谱来表示功率密度模型，通过理想化和简单化的模型建立，能够在一个相对有限的频率谱范围内提供一个拟合较好的校准。
在同质地形中，在一段较短的时间段内如10min，风速U的分布模型通常为U10min和标准偏差所决定的高斯过程，即风速U由U10min和标准偏差决定的正态分布[2]。依实际测风结果看，对风向的湍流实际强度和风速的湍流强度进行计算，见下图1，即风向随横向湍流强度变化。上述主要为大气稳定度为中性的情况，在不同的稳定度下，风切变不同，导致的湍流强度也会发生变化，在更窄的频谱范围内，即通过风速的湍流模型来来对极端风速进行预测是可以通过一系列频矩来实现的。一段时间内，任一点的风速和风向都和其他点不同，两点之间距离越近，相关性越大，即产生的随机场可以通过相干谱公式描述，而在复杂地形条件下，相关性较差，风向的变化模型也需要进一步研究[3]。
图1 湍流强度和风向的变化关系
4.结论
在大气稳定度为中性的条件下，风向的变化与横向的湍流强度有关，在简单地区，往往容易通过相关性建立风速的场量来进行计算，横向的湍流强度可通过同质地形的相似性确定恒定风速方向的湍流强度，在复杂地形地区，湍流强度变得各向同性，湍流场也变得复杂，横向湍流强度确定更加复杂，即风向的变化受粗糙度的不确定性较大，但通过更多的理论与实验结果拟合，逐步建立依据粗糙度理论的风向模型，可对风机设计、安全运行，甚至风功率预测提供更多的技术指导。
参考文献：
[1]Dyrbye，C.，and S.O. Hansen ，Wind Loads onStructures，John Wiley and Sons，Chichester，England，1997.
[2]曹娜，赵海翔，任普春. 风电场动态分析中风速模型的建立及应用[J].中国电机工程学报，2007，（3 6）：68-71.
[3]Shamshad A，Bawadi M A，Hussin W. First and second order Markov chain models for synthetic generation of wind speed time series[J].Energy，2005，（05）：693-708.doi：10.1016/j.energy，2004.05.026.
