粵東近地風(fēng)場(chǎng)風(fēng)特性實(shí)測(cè)研究

粵東近地風(fēng)場(chǎng)風(fēng)特性實(shí)測(cè)研究

0環(huán)境特性的研究作為世界上的清潔能源，它受到了全世界的高度重視。發(fā)展趨勢(shì)和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整是中國(guó)能源戰(zhàn)略和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要舉措之一。改革開放以來(lái)，在開展近海岸、海島及海上風(fēng)環(huán)境特性的研究中，風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)建設(shè)中的抗風(fēng)特性成為必須考慮的問題風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展與前期風(fēng)資源數(shù)據(jù)的獲取與分析關(guān)聯(lián)密切。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)陸上風(fēng)能資源的分析居多，由于海島或近海岸地區(qū)觀測(cè)資料相對(duì)缺乏，開展的分析研究較少目前，針對(duì)東南沿海、海島地區(qū)風(fēng)特性的研究較少，仍需開展相關(guān)分析研究。鑒于此，本文利用實(shí)驗(yàn)基地實(shí)測(cè)風(fēng)資源數(shù)據(jù)，分析粵東海島地區(qū)近地面的平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)特性，以期為粵東海島風(fēng)資源評(píng)估、風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。1測(cè)試場(chǎng)地南澳臨海試驗(yàn)站位于廣東省東端海面，目前安裝有測(cè)風(fēng)塔、風(fēng)速儀、風(fēng)向儀等風(fēng)速監(jiān)測(cè)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)站所處地理位置有較小的坡度起伏，植被高度為0.5～1.8m。根據(jù)IEC-61400-2規(guī)范中的地形分類，試驗(yàn)站所處位置應(yīng)屬于B類地形。圖1為南澳臨海試驗(yàn)站測(cè)試場(chǎng)地測(cè)風(fēng)塔現(xiàn)場(chǎng)圖。為使測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)更全面、可靠，使用測(cè)風(fēng)塔與機(jī)位測(cè)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)資源數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2017年8月-2018年9月，通過對(duì)風(fēng)速樣本進(jìn)行選取與分析，得到南澳近地面風(fēng)場(chǎng)風(fēng)特性參數(shù)。2分析樣本的確定本文選取觀測(cè)期間主風(fēng)向中風(fēng)速較大、風(fēng)向波動(dòng)小的來(lái)自測(cè)風(fēng)塔（測(cè)點(diǎn)A）和機(jī)位測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)B）的2018年1月12日全天24h的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為分析樣本。將分析樣本以10min為基本時(shí)距，做出風(fēng)向曲線與風(fēng)速曲線（圖2）。圖2中兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)的相關(guān)性均達(dá)97%，表明測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與機(jī)位測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)向和風(fēng)速差異性小，風(fēng)向全天變化幅度小，主風(fēng)向較穩(wěn)定，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，可作為分析海島近地風(fēng)場(chǎng)風(fēng)特性的研究樣本。2.1動(dòng)風(fēng)速時(shí)程確定基本時(shí)距內(nèi)的主風(fēng)向，風(fēng)特性分析通過矢量分解法獲得順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程與橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程。水平主風(fēng)向基本時(shí)距內(nèi)的平均風(fēng)速和風(fēng)向角分別為U和θ，u式中：基本時(shí)距內(nèi)橫風(fēng)向與順風(fēng)向風(fēng)速分量的脈動(dòng)風(fēng)速u(t）與v(t）的計(jì)算式為通過式（1)～(6）計(jì)算得到選取樣本的順風(fēng)向和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速，脈動(dòng)風(fēng)速曲線的分析結(jié)果如圖3,4所示。2.2湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)湍流強(qiáng)度反映了風(fēng)脈動(dòng)分量平均變化幅值，是描述湍流特性的重要參數(shù)。式中：ISongL由圖5,6可知，同一高度處不同方向的湍流強(qiáng)度存在一定差異，順風(fēng)向風(fēng)速湍流強(qiáng)度大于橫向湍流強(qiáng)度，夜間順風(fēng)向與橫風(fēng)向湍流強(qiáng)度變化幅值較大，這與海上夜間風(fēng)速較大有關(guān)。將湍流強(qiáng)度按照不同風(fēng)速段進(jìn)行分析，計(jì)算順風(fēng)向與橫風(fēng)向湍流強(qiáng)度比值，結(jié)果如表1所示。兩方向湍流強(qiáng)度比值隨風(fēng)速的增加而降低，在6.0～8.0m/s風(fēng)速段，湍流強(qiáng)度比值為1∶0.53，結(jié)果與Solari和Priccardo總結(jié)的比值公式相比有一定差異；在8.0～14.0m/s風(fēng)速區(qū)間，所有風(fēng)速段的比值差異較小，比值在1∶0.44上下波動(dòng)。海島近地實(shí)測(cè)縱向與橫向湍流強(qiáng)度與陸地建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范中規(guī)定的1∶0.88比值存在較大的差別。因此，設(shè)計(jì)海島近地面中小型風(fēng)力機(jī)時(shí)需要注意湍流強(qiáng)度的比值。分析數(shù)據(jù)表明，順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速增大而明顯減小。當(dāng)風(fēng)速為10m/s時(shí)，順風(fēng)向平均湍流度為0.15左右，高于規(guī)范中規(guī)定的陸地上湍流強(qiáng)度推薦值0.12，這可能是由于測(cè)風(fēng)塔周圍低矮灌木叢及測(cè)風(fēng)儀測(cè)量高度比較低。陣風(fēng)因子表述風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度，定義為陣風(fēng)持續(xù)周期內(nèi)平均風(fēng)速的最大值與基本時(shí)距內(nèi)平均風(fēng)速的比值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，t圖7,8分別為順風(fēng)向和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速的陣風(fēng)因子與時(shí)距內(nèi)平均風(fēng)速的關(guān)系。由圖7,8可知：順風(fēng)向和橫風(fēng)向陣風(fēng)因子隨風(fēng)速的增大而減少，順風(fēng)向陣風(fēng)因子在1.20～2.50內(nèi)波動(dòng)，集中于1.40～1.80；橫風(fēng)向陣風(fēng)因子在0.90～1.54內(nèi)波動(dòng)，集中于0.90～1.30。通過分析可知，順風(fēng)向風(fēng)的波動(dòng)性較強(qiáng)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》2.3自相關(guān)函數(shù)法湍流積分尺度反映脈動(dòng)風(fēng)速在空間內(nèi)的相關(guān)性，也是脈動(dòng)風(fēng)速中湍流漩渦尺寸大小的量度式中：R目前對(duì)于湍流積分尺度的計(jì)算方法有3種。第一種：利用式（10）從定義出發(fā)，用空間相關(guān)函數(shù)直接求解湍流積分尺度，是目前最理想的方法，但難點(diǎn)在于戶外測(cè)量時(shí)無(wú)法滿足空間多定點(diǎn)同時(shí)測(cè)量的要求。第二種：運(yùn)用Taylor假設(shè)，湍流漩渦以平均流速U移動(dòng)，將脈動(dòng)風(fēng)速u式中：R（τ）為各方向上脈動(dòng)風(fēng)速的自相關(guān)函數(shù)；σ第三種：Davenports通過研究，提出空間相關(guān)函數(shù)應(yīng)該服從指數(shù)衰減分布，因此，自相關(guān)函數(shù)根據(jù)Taylor假設(shè)也應(yīng)該服從衰減分布，將式（11）改寫成：式中：a為指數(shù)衰減系數(shù)。本文應(yīng)用式（13），利用自相關(guān)函數(shù)法研究湍流積分尺度，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流積分尺度最大值為60.15和33.15。順風(fēng)向與橫風(fēng)向湍流積分尺度有一定的差別，夜間風(fēng)速湍流波動(dòng)較大，湍流積分尺度大，主要是因?yàn)楹＿呉归g風(fēng)速較大。實(shí)測(cè)風(fēng)速與湍流積分尺度的關(guān)系如圖9所示。3脈動(dòng)功率譜密度功率譜密度函數(shù)是能夠準(zhǔn)確地反映脈動(dòng)風(fēng)特性的參數(shù)之一，根據(jù)Kolmogrove理論，各國(guó)學(xué)者提出各種形式的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜。目前，應(yīng)用廣泛的有Davenport譜、VonKarman譜、Harris譜。根據(jù)文獻(xiàn)式中：a=u,v;n為脈動(dòng)風(fēng)頻率；S本文選取樣本中相對(duì)比較強(qiáng)烈的1h數(shù)據(jù)進(jìn)行脈動(dòng)功率譜擬合分析，選取數(shù)據(jù)時(shí)間段為19:30-20:30，平均風(fēng)速達(dá)10.7m/s，平均風(fēng)向?yàn)?2.41°，圖10為順風(fēng)向風(fēng)功率譜密度圖。由圖10可知：通過不同的功率譜對(duì)比分析，得知VonKarman譜與實(shí)際脈動(dòng)風(fēng)頻率有較好的擬合效果，但后半部分存在能量微高估問題；Harris譜整體低估實(shí)際譜，Davenport譜前半部分存在低估實(shí)際譜，后半部分與實(shí)際譜存在明顯的能量高估問題。對(duì)于粵東海島近地面風(fēng)場(chǎng)，在針對(duì)中小型風(fēng)力機(jī)及低矮建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，風(fēng)載荷計(jì)算可以考慮應(yīng)用VonKarman譜。4脈動(dòng)風(fēng)速陣風(fēng)因子基于海島近地面風(fēng)場(chǎng)風(fēng)特性的實(shí)測(cè)強(qiáng)風(fēng)樣本研究，對(duì)風(fēng)特性參數(shù)進(jìn)行分析，并探討脈動(dòng)風(fēng)功率譜的擬合研究，得到如下結(jié)論。(1)統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)：白天風(fēng)速波動(dòng)小，比較平穩(wěn)，夜間波動(dòng)強(qiáng)烈，海洋氣候特征明顯；同一高度處不同方向的湍流強(qiáng)度存在差異，夜間風(fēng)速較大且湍流強(qiáng)度變化幅值大。順風(fēng)向與橫風(fēng)向湍流強(qiáng)度比值隨風(fēng)速的增加而降低，夜間強(qiáng)風(fēng)速段I(2)順風(fēng)向與橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速陣風(fēng)因子隨風(fēng)速增加而下降，順風(fēng)向陣風(fēng)因子集中在1.40～1.80，橫風(fēng)向陣風(fēng)因子在0.90～1.30內(nèi)波動(dòng)。規(guī)范中對(duì)近海海面、海岸、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、城市郊區(qū)等離地10m高度處的陣風(fēng)系數(shù)推薦值為1.60