1.1　風(fēng)

1.1.1　風(fēng)的形成

地球被一個數(shù)公里厚的空氣層包圍著，地球上的氣候變化是由大氣對流引起的。大氣對流層相應(yīng)的厚度約可達12km，由于密度不同或氣壓不同造成空氣對流運動。水平運動的空氣就是風(fēng)，空氣流動形成的動能稱為風(fēng)能，風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式。太陽輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，在不均壓力作用下，空氣沿水平方向運動就形成風(fēng)。風(fēng)的形成是空氣流動的結(jié)果。

空氣運動主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強度不同形成的。赤道和低緯度地區(qū)，太陽高度角大，日照時間長，太陽輻射強度大，地面和大氣接受的熱量多、溫度較高；高緯度地區(qū)，太陽高度角小，日照時間短，地面和大氣接受的熱量少，溫度低。這種高緯度與低緯度之間的溫度差異，形成了南北之間的氣壓梯度，使空氣做水平運動，風(fēng)沿垂直于等壓線的方向從高壓向低壓吹。地球自轉(zhuǎn)，使空氣水平運動發(fā)生偏向的力，稱為地轉(zhuǎn)偏向力。這種力使北半球氣流向右偏轉(zhuǎn)，南半球氣流向左偏轉(zhuǎn)，所以地球大氣運動除受氣壓梯度力外，還要受地轉(zhuǎn)偏向力的影響。大氣真實運動是這兩種力綜合影響的結(jié)果。如圖1-1所示。

地面上的風(fēng)不僅受這兩種力的支配，而且還受海洋、地形的影響。山坳和海峽能改變氣流運動的方向，還能使風(fēng)速增大；而丘陵、山地摩擦大，使風(fēng)速減小；孤立山峰因海拔高而使風(fēng)速增大。

由于地球自身產(chǎn)生的復(fù)合向心加速度的阻礙作用，也產(chǎn)生從高向低壓區(qū)的對流。這種加速度由地球的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生，而且它在地球表面開始，垂直于運轉(zhuǎn)方向，北半球向右，南半球向左。從衛(wèi)星云圖的旋渦云圖可看出，氣體對流是沿一個螺旋軌道旋轉(zhuǎn)運行的。風(fēng)在高空中，氣壓相等的線（等壓線）相互平行，而近地層由于地表摩擦，風(fēng)速下降，復(fù)合向心加速度的作用變得很小。地面上風(fēng)向隨著高度的變化大約是30°，地轉(zhuǎn)風(fēng)向左旋轉(zhuǎn)。由于海面平滑，摩擦力小，方向的偏轉(zhuǎn)也就小，降低到約10°。不同氣壓產(chǎn)生的對流，主要反映為地面偏轉(zhuǎn)風(fēng)。海面渦流圖可以表示出其渦流較長，比陸地風(fēng)速高，特別情況時出現(xiàn)渦流暴，達到極點而產(chǎn)生相當(dāng)大的風(fēng)速。

不僅這種高度空間上的對流產(chǎn)生可利用的風(fēng)，而且由于地區(qū)受熱不同，也產(chǎn)生地區(qū)風(fēng)，典型的情況是山谷風(fēng)。由于山谷與山脊受熱不同，即加熱與冷卻速度不同，也會產(chǎn)生風(fēng)。海平面與陸地之間的加熱和冷卻速度不同，也產(chǎn)生海陸風(fēng)。

在有海陸差異的地區(qū)，海陸差異對氣流運動也有影響。冬季，大陸比海洋冷，大陸氣壓比海洋高，風(fēng)從大陸吹向海洋；夏季相反，大陸比海洋熱，風(fēng)從海洋吹向內(nèi)陸。這種隨季節(jié)轉(zhuǎn)換的風(fēng)，稱為季風(fēng)。

有海陸差異的地區(qū)，白晝時，大陸上的氣流受熱膨脹上升至高空流向海洋，到海洋上空冷卻下沉，在近地層海洋上的氣流吹向大陸，補償大陸的上升氣流，低層風(fēng)從海洋吹向大陸，稱為海風(fēng)；夜間（冬季）時，情況相反，低層風(fēng)從大陸吹向海洋，稱為陸風(fēng)。

在山區(qū)，由于熱力原因引起的白天由谷地吹向平原或山坡，稱為谷風(fēng)；夜間由平原或山坡吹向谷地，稱為山風(fēng)。這是由于白天山坡受熱快，溫度高于山谷上方同高度的空氣溫度，坡地上的暖空氣從山坡流向谷地上方，谷地的空氣則沿著山坡向上補充流失的空氣，這時由山谷吹向山坡的風(fēng)，稱為谷風(fēng)。夜間，山坡因輻射冷卻，其降溫速度比同高度的空氣較快，冷空氣沿坡地向下流入山谷，稱為山風(fēng)。

局部地區(qū)，例如，在高山和深谷，白天，高山頂上空氣受到陽光加熱而上升，深谷中冷空氣取而代之，因此，風(fēng)由深谷吹向高山；夜晚，高山上空氣散熱較快，于是風(fēng)由高山吹向深谷。如在沿海地區(qū)，白天由于陸地與海洋的溫度差而形成海風(fēng)吹向陸地；反之，晚上陸風(fēng)吹向海上。

1.1.2　風(fēng)向與風(fēng)速

風(fēng)向和風(fēng)速是描述風(fēng)特性的兩個重要參數(shù)。風(fēng)向是指風(fēng)吹來的方向，如果風(fēng)是從北方吹來，就稱為北風(fēng)；風(fēng)從東方吹來，就稱為東風(fēng)。風(fēng)速是表示風(fēng)移動的速度，即單位時間空氣流動所經(jīng)過的距離。

風(fēng)向和風(fēng)速隨時、隨地都不同，風(fēng)隨時間的變化包括每日的變化和各季節(jié)的變化。季節(jié)不同，太陽和地球的相對位置就不同，地球上的季節(jié)性溫差，形成風(fēng)向和風(fēng)速的季節(jié)性變化。我國大部分地區(qū)風(fēng)的季節(jié)性變化情況是，春季最強，冬季次之，夏季最弱。當(dāng)然也有部分地區(qū)例外，如沿海溫州地區(qū)，夏季季風(fēng)最強，春季季風(fēng)最弱。

（1）風(fēng)廓線和風(fēng)切變律　風(fēng)速隨地面高度變化的曲線稱為風(fēng)廓線，變化規(guī)律稱為風(fēng)切變律。風(fēng)隨高度變化的經(jīng)驗公式很多，通常采用“對數(shù)公式”（對數(shù)風(fēng)廓線）和“指數(shù)公式”（指數(shù)風(fēng)廓線），見式（1-1）和式（1-2）。

　　 對數(shù)風(fēng)廓線 　　 　　 （1-1）

　　 指數(shù)風(fēng)廓線 　　 　　 （1-2）

式中，V（Z）為高度Z處風(fēng)速；Z為離地面高度；Z_r為用于擬合風(fēng)廓線的離地面標準高度；Z₀為粗糙長度；n為風(fēng)切變指數(shù)，經(jīng)驗指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度，其值約為1/2～1/8。

地球上風(fēng)的方向和速度的時空分布隨時都在變，非常復(fù)雜。

（2）平均風(fēng)速的分布　平均風(fēng)速的分布是用數(shù)學(xué)概率分布來描述的。它有兩種表達方式：一種是概率密度分布，可用來描述平均風(fēng)速的概率分布；另一種是累積分布函數(shù)，可用來描述平均風(fēng)速的累積分布。此處僅對累積分布函數(shù)進行說明，對分布函數(shù)求導(dǎo)，就能得出相應(yīng)的概率密度函數(shù)。對于平均風(fēng)速的累積分布，一般采用威布爾（Weibull）和瑞利（Rayeigh）分布。通常應(yīng)用瑞利累積分布函數(shù)P_R（V₀）和威布爾累積分布函數(shù)P_W（V₀）。威布爾累積分布函數(shù)：

P_W（V₀）=1-exp［-（V₀/C）^k］　　（1-3）

這里k和C分別為尺度參數(shù)和形狀參數(shù)，C=V₀/Γ（1+1/k）

當(dāng)k=2時，時，即為瑞利累積分布函數(shù)：

P_R（V₀）=1-exp［-π（V₀/2）²］　　（1-4）

式中，P（V₀）為累積概率函數(shù)，也即V<V₀的概率；V₀為風(fēng)速（平均風(fēng)速）；Γ為伽馬函數(shù)。

（3）風(fēng)力機設(shè)計要求的風(fēng)況　風(fēng)力機應(yīng)設(shè)計成能安全承受相應(yīng)等級定義的風(fēng)況。風(fēng)況的設(shè)計值需在設(shè)計文件中明確規(guī)定。

根據(jù)載荷和安全條件，風(fēng)況可分為正常工作期間頻繁出現(xiàn)的標準風(fēng)況和一年或50年一遇的極端風(fēng)況兩種。在所有情況下，都要考慮平均氣流與水平面夾角達8°時的影響。

①正常風(fēng)況

a.風(fēng)速概率分布特性。風(fēng)場的風(fēng)速分布對風(fēng)力機的設(shè)計至關(guān)重要，它決定各級載荷出現(xiàn)的頻率。對標準等級的風(fēng)力機，計算設(shè)計載荷時，10min平均風(fēng)速按瑞利分布計算。此時輪轂中心高處風(fēng)速分布的累計概率分布為：

P_R（V_hub）=1-exp［-π（V_hub/2V_ave）2］　　（1-5）

b.正常風(fēng)廓線模型。風(fēng)廓線V（Z）表示平均風(fēng)速隨地高度Z變化的函數(shù)關(guān)系。對標準級風(fēng)力機，正常風(fēng)廓線函數(shù)按下式計算：

V（Z）=V_hub（Z/Z_hub）^a　　（1-6）

式中，指數(shù)a假定為0.2。

c.正常湍流模型。“風(fēng)湍流”表示10min內(nèi)平均風(fēng)速的隨機變化。標準級風(fēng)力機風(fēng)湍流值由隨機風(fēng)矢量場能譜強度S₁（f）表示。湍流縱向分量能譜強度S₁（f）由下式表示出：

S₁（f）=0.05（σ₁）²（Λ₁/V_hub）^-2/3f^-5/3　　（1-7）

式中，σ₁為縱向風(fēng)速分量標準偏差特性值，由下式給出：

σ₁=I₁₅（15m/s+aV_hub）/（a+1）　　（1-8）

湍流尺度參數(shù)Λ₁由下式計算：

　　 （1-9） 　　

②極端風(fēng)況　極端風(fēng)況用于確定風(fēng)力機的極端風(fēng)載荷。這種風(fēng)況包括由暴風(fēng)造成的風(fēng)速峰值及風(fēng)向和風(fēng)速的變化值。這種極端狀況含有湍流潛在影響，在設(shè)計計算中僅考慮其中確定的因素。

a.極端風(fēng)速模型。50年一遇和1年一遇極端風(fēng)速V_e50和V_e1，應(yīng)根據(jù)參考風(fēng)速V_ref確定。在標準級風(fēng)力機的設(shè)計中，V_e50和V_e1是高度Z的函數(shù)，分別用式（1-9）和（1-10）計算：

V_e50（Z）=1.4V_ref（Z/Z_hub）^0.11　　（1-10）

V_e1（Z）=0.75V_e50（Z）　　（1-11）

式中，Z_hub為輪轂中心高，假定與平均風(fēng)向的短期偏離為±15°。

b.極端工作陣風(fēng)。標準級的風(fēng)力機N年一遇輪轂高處陣風(fēng)值V_gustN由式（1-12）給出：

　　 （1-12） 　　

式中，σ₁為標準偏差，由公式（1-8）計算；Λ₁為湍流尺度參數(shù)，由公式（1-9）計算；D為風(fēng)輪直徑；β=4.8（一年一遇）；β=6.4（50年一遇）。

周期為N年一遇的風(fēng)速由式（1-13）確定：

　　 （1-13） 　　

式中，V（Z）由公式（1-6）進行計算；T=10.5s，N=1；T=14.0s，N=50。

c.極端風(fēng)向變化。N年一遇極端風(fēng)向變化值θ_eN用式（1-14）進行計算：

　　 （1-14） 　　

式中，θ_eN為限定在±180°范圍內(nèi)；Λ₁為湍流尺度參數(shù)，由公式（1-9）計算；D為風(fēng)輪直徑；β=4.8，N=1；β=6.4，N=50。

N年一遇風(fēng)向瞬時極端變化θ_N（t）由式（1-15）給出：

　　 （1-15） 　　

d.極端風(fēng)速切變。50年一遇極端風(fēng)速切變應(yīng)用下列兩種瞬時風(fēng)速來計算。

a）瞬時垂直切變

　　 （1-16） 　　

b）瞬時水平切變4

　　 （1-17） 　　

式中，α=0.2；β=6.4；T=12s；Λ₁為湍流尺度參數(shù)，由公式（1-9）計算；D為風(fēng)輪直徑；t=0，…，t=T/2。