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粗糙度即粗糙长度,在假定垂直风廓线随离地面高度按对数关系变化情况下,平均风速变为0时算出的高度。一般来讲,地表表面的粗糙度越大,对风的减速效果越明显。例如,森林和城市对风速影响很大,草地和灌木地带对风的影响相对较大,机场跑道对风的影响相对较小,而水面对风的影响更小。
在近地层中,风速随高度有显著的变化,造成风在近地层中的垂直变化的原因有动力因素和热力因素,前者主要来源于地面的摩擦效应,即地面的粗糙度,后者主要表现与近地层大气垂直稳定度的关系。当大气层结为中性时,风速随高度变化服从普朗特公式:
式中:
V*——摩擦速度,m/s;
K——卡门常数,其值为0.4左右;
Z0——粗糙度,m;
Z——离地高度,m;
V——高度Z处的风速,m/s。
图1为粗糙度为0.1米时风廓线的示意图。
一般情况下,风速随高度变化可以用幂指数公式来描述:
式中:
Vn,V0——分别是距离地面高度Hn和H0处的风速,m/s。
α——风切变指数,是衡量风速随高度变化快慢的指标。
风切变对于风电机组的设计非常重要,例如,一台风力发电机的轮毂高度为40 m,叶轮直径为40 m,则叶轮扫风面最上端(60 m高度)的风速可达9.3 m /s,最下端(20 m高度)的风速为7.7 m/s,这就意味着叶轮扫风面承受巨大的压力差。
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