Градиент ветра

Обычно используется градиент ветра, более конкретно градиент скорости ветра или градиент скорости ветра или, альтернативно, поперечный ветер, представляет собой вертикальный градиент средней горизонтальной скорости ветра в нижней атмосфере. Это скорость увеличения силы ветра с увеличением высоты над уровнем земли. В метрических единицах это часто измеряется в метрах в секунду скорости на километр высоты (м / с / км), что сокращается до стандартной единицы скорости сдвига, обратных секунд (с)..

• 1 Простое объяснение
• 2 Предпосылки
• 3 Инженерное дело
  • 3.1 Ветряные турбины
• 4 Планирование
• 5 Парусный спорт
• 6 Распространение звука
• 7 Парящий градиент ветра
• 8 См. Также
• 9 Ссылки

заставляет поверхность ветер замедляться и поворачиваться у поверхности Земли, дуя прямо к низкому давлению по сравнению с ветрами в потоке почти без трения над поверхностью Земли. Этот слой, в котором поверхностное трение замедляет ветер и изменяет направление ветра, известен как планетарный пограничный слой. Дневное солнечное нагревание из-за инсоляции утолщает пограничный слой, поскольку ветры, нагретые от контакта с горячей поверхностью земли, поднимаются вверх и все больше смешиваются с ветрами наверху. Радиационное охлаждение в течение ночи постепенно отделяет ветры на поверхности от ветров над пограничным слоем, увеличивая вертикальный сдвиг ветра у поверхности, также известный как градиент ветра.

Обычно из-за аэродинамического сопротивления в ветровом потоке возникает градиент ветра, особенно в первые несколько сотен метров выше поверхность Земли - поверхностный слой из планетарного пограничного слоя. Скорость ветра увеличивается с увеличением высоты над землей, начиная с нуля, из-за условия отсутствия проскальзывания. Поток у поверхности сталкивается с препятствиями, которые снижают скорость ветра и вносят случайные вертикальные и горизонтальные составляющие скорости под прямым углом к ​​основному направлению потока. Эта турбулентность вызывает вертикальное перемешивание между воздухом, движущимся горизонтально на разных уровнях, что влияет на рассеивание загрязняющих веществ, пыли и переносимого по воздуху песка и частицы почвы.

Снижение скорости у поверхности является функцией шероховатости поверхности. Профили скорости ветра сильно различаются для разных типов местности. Неровная, неровная земля и искусственные препятствия на земле замедляют движение воздуха у поверхности, уменьшая скорость ветра. Из-за относительно гладкой водной поверхности скорость ветра у моря не уменьшается так сильно, как на суше. Над городом или пересеченной местностью эффект градиента ветра может вызвать снижение скорости геострофического ветра на высоте от 40% до 50%; в то время как на открытой воде или льду уменьшение может составлять всего от 20% до 30%.

Для инженерных целей градиент ветра моделируется как простой сдвиг, демонстрирующий профиль вертикальной скорости, изменяющийся согласно степенному закону с постоянным экспоненциальным коэффициентом в зависимости от типа поверхности. Высота над землей, на которой поверхностное трение оказывает незначительное влияние на скорость ветра, называется «градиентной высотой», а скорость ветра выше этой высоты считается постоянной, называемой «градиентной скоростью ветра». Например, типичные значения для прогнозируемой высоты градиента составляют 457 м для больших городов, 366 м для пригородов, 274 м для открытой местности и 213 м для открытого моря.

Хотя аппроксимация степенного закона удобна, у него нет теоретической основы. Когда температурный профиль является адиабатическим, скорость ветра должна изменяться логарифмически с высотой. Измерения на открытой местности в 1961 году показали хорошее согласие с логарифмической аппроксимацией до 100 м или около того, при почти постоянной средней скорости ветра до 1000 м.

сдвиг ветра обычно является трехмерным, то есть также есть изменение направления между «свободным» геострофическим ветром, вызываемым давлением, и ветром близкого наземь. Это связано с эффектом спирали Экмана. Поперечный изобарный угол отклоненного агеострофического потока у поверхности колеблется от 10 ° над открытой водой до 30 ° над пересеченной холмистой местностью и может увеличиваться до 40 ° -50 ° над сушей ночью, когда скорость ветра очень низкая.

После захода солнца градиент ветра у поверхности увеличивается с увеличением устойчивости. Атмосферная стабильность, возникающая ночью при радиационном охлаждении, как правило, содержит турбулентные вихри по вертикали, увеличивая градиент ветра. На величину градиента ветра в значительной степени влияет высота конвективного пограничного слоя, и этот эффект еще больше над морем, где нет суточных изменений высоты пограничного слоя, как над сушей. В конвективном пограничном слое сильное перемешивание уменьшает вертикальный градиент ветра.

При проектировании зданий необходимо учитывать ветровые нагрузки, на которые влияет градиент ветра. Соответствующие уровни уклона, обычно предполагаемые в Строительных нормах, составляют 500 метров для городов, 400 метров для пригородов и 300 метров для плоской открытой местности. Для инженерных целей профиль скорости ветра по степенному закону может быть определен следующим образом:

где:

$vz\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; v\_\; \{z\}\}$= скорость ветра на высоте $z\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; z\}$

$vg\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; v\_\; \{g\}\}$= градиент ветра на высоте градиента $zg\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; z\_\; \{g\}\}$

$\alpha \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; \backslash \; alpha\}$= экспоненциальный коэффициент

Ветровые турбины

На работу ветряных турбин влияет градиент ветра. Вертикальные профили скорости ветра приводят к разным скоростям ветра у лопастей, ближайших к уровню земли, по сравнению с теми, которые находятся на вершине хода лопастей, что приводит к асимметричной нагрузке. Градиент ветра может создавать большой изгибающий момент в валу двухлопастной турбины, когда лопасти находятся в вертикальном положении. Уменьшенный градиент ветра над водой означает, что более короткие и менее дорогие башни ветряных турбин могут использоваться в ветряных электростанциях, которые расположены в (мелководных) морях. Было бы предпочтительно, чтобы ветряные турбины были испытаны в аэродинамической трубе, моделирующей градиент ветра, который они в конечном итоге увидят, но это делается редко.

Для ветроэнергетики - полиномиальная вариация. скорость ветра с высотой может быть определена относительно ветра, измеренного на исходной высоте 10 метров, как:

$vw\; (h)\; =\; v\; 10\; \cdot \; (hh\; 10)\; a\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; v\_\; \{w\}\; (h)\; =\; v\_\; \{10\}\; \backslash \; cdot\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{h\}\; \{h\_\; \{10\}\}\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{a\}\}$

где:

$vw\; (h)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; v\_\; \{w\}\; (\; h)\}$= скорость ветра [м / с] на высоте $h\; \{\backslash \; displaystyle\; h\}$

$v\; 10\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; v\_\; \{10\}\}$= скорость ветра [м / с] на высоте $h\; 10\; \{\backslash \; displaystyle\; h\_\; \{10\}\}$= 10 метров

$a\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; a\}$= показатель Хеллмана

Показатель Хеллмана зависит от расположения на берегу и формы местности на земле, а также устойчивости воздуха. Примеры значений показателя Гельмана приведены в таблице ниже:

местоположение	α
Нестабильный воздух над открытой водной поверхностью:	0,06
Нейтральный воздух над открытой водной поверхностью:	0,10
Нестабильный воздух над ровным открытым берегом:	0,11
Нейтральный воздух над ровным открытым берегом:	0,16
Стабильный воздух над открытой водной поверхностью:	0,27
Нестабильный воздух над местами проживания людей:	0,27
Нейтральный воздух над местами проживания людей:	0,34
Стабильный воздух над плоскими открытыми берегами:	0,40
Стабильный воздух над местами проживания людей:	0,60

Источник: «Возобновляемые источники энергии: технология, экономика и окружающая среда» Мартина Кальчмитта, Вольфганга Штрайхера, Андреаса Визе (Springer, 2007, ISBN 3-540-70947-9, ISBN 978-3-540-70947-3 ), стр. 55

Эффект градиента ветра при запуске планера с земли.

При планировании градиент ветра влияет на фазы взлета и посадки планера . Градиент ветра может иметь заметное влияние на запуски с земли. Если градиент ветра значительный или внезапный, или и то, и другое, и пилот сохраняет ту же высоту тангажа, указанная воздушная скорость увеличится, возможно, превысив максимальную скорость буксировки с земли. Пилот должен регулировать воздушную скорость, чтобы справиться с эффектом градиента.

При приземлении градиент ветра также представляет опасность, особенно при сильном ветре. По мере того, как планер спускается через градиент ветра на конечном этапе захода на посадку, скорость полета уменьшается, а скорость снижения увеличивается, и времени для ускорения до контакта с землей недостаточно. Пилот должен предвидеть градиент ветра и использовать более высокую скорость захода на посадку для его компенсации.

Градиент ветра также представляет опасность для самолета, выполняющего крутые повороты у земли. Это особая проблема для планеров, которые имеют относительно большой размах крыла, что подвергает их большей разнице в скорости ветра для данного угла крена. Различная воздушная скорость каждой законцовки крыла может привести к аэродинамическому срыву на одном крыле, что приведет к аварии с потерей управления. Момент качения, создаваемый разным потоком воздуха над каждым крылом, может превышать элерон управляющего органа, в результате чего планер продолжает крениться под более крутым углом крена.

В парусный спорт, градиент ветра влияет на парусники, сообщая разную скорость ветра парусу на разной высоте вдоль мачты. Направление также меняется в зависимости от высоты, но моряки называют это «сдвигом ветра».

Приборы на головке мачты, показывающие скорость и направление кажущегося ветра, отличаются от того, что моряк видит и чувствует вблизи поверхности. Парусники могут ввести скручивание паруса в конструкцию паруса, где головная часть паруса установлена ​​под другим углом атаки относительно основания паруса, чтобы изменить Распределение подъема с высотой. Влияние градиента ветра может быть учтено при выборе крутки конструкции паруса, но это может быть трудно предсказать, поскольку градиент ветра может широко варьироваться в разных погодных условиях. Моряки также могут регулировать дифферент парус, чтобы учесть градиент ветра, например, с использованием отбойного болта.

Согласно одному источнику, градиент ветра не имеет значения для парусников, когда ветер превышает 6 узлов (потому что скорость ветра 10 узлов на поверхность соответствует 15 узлам на высоте 300 метров, поэтому изменение скорости незначительно по высоте мачты парусника). Согласно тому же источнику, ветер постоянно усиливается с высотой до 10 метров при скорости ветра 5 узлов, но меньше, если ветер слабее. Этот источник утверждает, что при ветре со средней скоростью шесть узлов и более изменение скорости с высотой почти полностью ограничивается одним или двумя метрами, ближайшими к поверхности. Это согласуется с другим источником, который показывает, что изменение скорости ветра очень мало для высот более 2 метров, и с заявлением Метеорологического бюро правительства Австралии, согласно которому различия могут составлять всего 5% в нестабильном воздухе.

В кайтсерфинге градиент ветра еще более важен, потому что кайт power kite летает на стропах 20-30 м, и кайтсерфер может использовать кайт для прыжка вода, поднимая кайт на еще большую высоту над поверхностью моря.

Градиент ветра может оказывать заметное влияние на распространение звука в нижних слоях атмосферы. Этот эффект важен для понимания распространения звука от удаленных источников, таких как туманные горны, гром, звуковые удары, выстрелы или другие явления, подобные туманы. Это также важно при изучении шумового загрязнения, например, от шума проезжей части и шума самолетов, и его необходимо учитывать при проектировании шумозащитных экранов. Когда скорость ветра увеличивается с высотой, ветер, дующий в направлении слушателя от источника, преломляет звуковые волны вниз, что приводит к увеличению уровня шума с подветренной стороны от барьера. Впервые эти эффекты были количественно оценены в области дорожного строительства в 1960-х годах для решения проблемы изменения эффективности шумовых барьеров.

Когда солнце нагревает поверхность Земли, в атмосфере возникает отрицательный градиент температуры.. скорость звука уменьшается с понижением температуры, поэтому это также создает отрицательный градиент скорости звука. Фронт звуковой волны распространяется быстрее у земли, поэтому звук преломляется вверх, от слушателей на земле, создавая акустическую тень на некотором расстоянии от источника. Радиус кривизны пути прохождения звука обратно пропорционален градиенту скорости.

Градиент скорости ветра 4 (м / с) / км может вызвать рефракцию, равную типичной температуре градиент скорости 7,5 ° C / км. Более высокие значения градиента ветра будут преломлять звук вниз к поверхности в подветренном направлении, устраняя акустическую тень на подветренной стороне. Это повысит слышимость звуков с подветренной стороны. Этот эффект преломления по ветру возникает из-за градиента ветра; звук не уносится ветром.

Обычно бывает и градиент ветра, и градиент температуры. В этом случае эффекты обоих могут складываться или вычитаться в зависимости от ситуации и местоположения наблюдателя. Градиент ветра и градиент температуры также могут иметь сложное взаимодействие. Например, гудок может быть слышен в месте рядом с источником и в отдаленном месте, но не в звуковой тени между ними. В случае поперечного распространения звука градиенты ветра не оказывают заметного влияния на распространение звука по сравнению с безветренными условиями; эффект градиента, по-видимому, важен только в конфигурациях с подветренной и подветренной стороны.

Для распространения звука экспоненциальное изменение скорости ветра с высотой можно определить следующим образом:

$U\; (h)\; =\; U\; (0)\; час\; \zeta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; U\; (h)\; =\; U\; (0)\; h\; ^\; \{\backslash \; zeta\}\}$

$d\; U\; d\; H\; =\; \zeta \; U\; (h)\; h\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; \{\backslash \; frac\; \{dU\}\; \{dH\}\}\; =\; \backslash \; zeta\; \{\backslash \; frac\; \{U\; (h)\}\; \{h\}\}\}$

где:

$U\; (h)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; U\; (h)\}$= скорость ветра при высота $час\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; h\}$и $U\; (0)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; U\; (0)\}$является константой

$\zeta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; \backslash \; zeta\}$= экспоненциальный коэффициент, основанный на шероховатости поверхности земли, обычно от 0,08 до 0,52

$d\; U\; d\; H\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; \{\backslash \; frac\; \{dU\}\; \{dH\}\}\}$= ожидаемый градиент ветра на высоте $h\; \{\backslash \; displaystyle\; h\}$

В 1862 г. Гражданская война в США Битва при Юке, акустическая тень, предположительно усиленный северо-восточным ветром, не позволил двум дивизиям солдат Союза участвовать в битве, потому что они не могли слышать звуки битвы всего в шести милях по ветру.

Ученые понимали влияние градиента ветра на преломление звука с середины 1900-х годов; однако с появлением Закона США о контроле шума применение этого явления преломления стало широко применяться, начиная с начала 1970-х годов, главным образом в применении к распространению шума от автомагистралей и, как следствие, проектирование транспортных средств.

Этот альбатрос является экспертом в динамическом парении с использованием градиента ветра.

парящий градиент ветра, а также называется динамическим парением, это метод, используемый парящими птицами, включая альбатросов. Если градиент ветра имеет достаточную величину, птица может взобраться на градиент ветра, меняя скорость относительно земли на высоту, сохраняя при этом воздушную скорость. Затем, разворачиваясь по ветру и ныряя сквозь градиент ветра, они также могут получить энергию.

• Сдвиг ветра