Tecnologia / Guida tecnica
Spettri della turbolenza eolica, scale temporali e spaziali
Due segnali di vento possono avere la stessa media e varianza distribuendo le fluttuazioni fra frequenze diverse. Lo spettro della turbolenza descrive tale distribuzione. La correlazione spaziale aggiunge un'altra dimensione: punti vicini non devono necessariamente subire cambiamenti identici negli stessi istanti.
Descrivere più di un numero della turbolenza.
Spettro, correlazione e advezione media descrivono aspetti fisici diversi di un flusso variabile. Queste distinzioni spiegano perché la stessa intensità di turbolenza possa produrre serie temporali diverse, senza dimostrare una particolare risposta di una turbina reale.
01 / Fluttuazioni
La velocità media non contiene l'intero segnale.
Per un intervallo e una componente scelti, scrivere u(t) = U + u′(t), definendo la fluttuazione con media nulla su quell'intervallo.
Per un intervallo e una componente scelti, scrivere u(t) = U + u′(t), definendo la fluttuazione con media nulla su quell'intervallo. La sua varianza descrive il valore medio del quadrato della fluttuazione. Un intervallo diverso può modificare sia la media sia la varianza.
Variazioni coerenti più lente e cambiamenti rapidi di scala minore possono coesistere. Una sola deviazione standard riduce la loro struttura temporale a un numero. Non mostra se gran parte della variazione si trovi vicino alla frequenza caratteristica di risposta di una struttura o su una scala temporale sostanzialmente diversa.
02 / Significato spettrale
Uno spettro ripartisce la varianza delle fluttuazioni.
Per uno spettro monolaterale di velocità compatibile S(f), la varianza è l'integrale di S(f) sulle frequenze positive.
Per uno spettro monolaterale di velocità compatibile S(f), la varianza è l'integrale di S(f) sulle frequenze positive. Le unità sono (m/s)² per hertz. La guida TurbSim usa esplicitamente gli spettri per rappresentare la turbolenza e ne collega l'integrazione alla deviazione standard.
Considerare due spettri ipotetici con integrali entrambi pari a 4 (m/s)². Ognuno ha una deviazione standard di 2 m/s, ma uno può collocare più varianza alle basse frequenze e l'altro alle alte. Una varianza uguale non rende uguali le serie temporali o gli effetti strutturali.
03 / Correlazione temporale
La persistenza differisce dall'entità delle fluttuazioni.
Un'autocorrelazione descrive la relazione fra una fluttuazione e la stessa componente dopo un ritardo temporale.
Un'autocorrelazione descrive la relazione fra una fluttuazione e la stessa componente dopo un ritardo temporale. Un segnale che rimane simile per ritardi più lunghi ha una struttura temporale diversa da uno che varia rapidamente, anche a varianza uguale.
Una scala temporale integrale è associata all'integrazione di una correlazione normalizzata definita, secondo una convenzione di ritardo specificata. Il trattamento dipende dalla stazionarietà e dal modello di correlazione. Non va confusa con un periodo di oscillazione né dichiarata una durata universale di ogni raffica.
04 / Scala spaziale
Una registrazione temporale non è automaticamente una mappa spaziale.
Un'approssimazione di flusso congelato tratta una configurazione come traslante a una velocità media specificata, senza cambiare durante il passaggio.
Un'approssimazione di flusso congelato tratta una configurazione come traslante a una velocità media specificata, senza cambiare durante il passaggio. In tali condizioni, una scala temporale τ corrisponde approssimativamente a una distanza Uτ. Analogamente, una frequenza trasportata per advezione può corrispondere a una scala dell'ordine di U/f.
Assumendo U = 8 m/s, una traslazione di un secondo corrisponde a 8 m. È cinematica ipotetica, non il diametro misurato di un vortice. Evoluzione del flusso, gradiente e advezione non uniforme possono impedire che una registrazione puntuale ricostruisca l'intero campo nel piano del rotore.
05 / Coerenza
Posizioni diverse possono fluttuare insieme solo parzialmente.
La correlazione fra punti descrive le variazioni condivise fra posizioni separate.
La correlazione fra punti descrive le variazioni condivise fra posizioni separate. Una variazione spazialmente coerente su ampia scala può influire su gran parte del rotore contemporaneamente, mentre una variazione di piccola scala può interessarne solo una parte. La guida alla media spaziale spiega come tale distinzione entra in una grandezza aggregata.
Gli spettri delle componenti e le ipotesi di coerenza di un modello sono dati di ingresso distinti. Specificare uno spettro non determina univocamente un campo fluttuante tridimensionale. Nemmeno scegliere un modello noto dimostra che rappresenti un terreno, una condizione meteorologica o una registrazione operativa reale specifici.
06 / Ambito
Tenere separati flusso modellato e risposta strutturale.
Uno spettro descrive la distribuzione dell'ingresso, mentre il moto strutturale dipende anche dalla dinamica e dagli accoppiamenti del sistema.
Uno spettro descrive la distribuzione dell'ingresso, mentre il moto strutturale dipende anche dalla dinamica e dagli accoppiamenti del sistema. Un picco spettrale non è quindi automaticamente una frequenza modale della pala né una risonanza misurata. Ingresso e risposta richiedono definizioni distinte.
Questa pagina spiega scale fisiche, non software di stima spettrale né una soglia di turbolenza ammissibile per apparecchiature MARSTON. La guida allo spettro dei segnali tratta il diverso tema della rappresentazione di registrazioni campionate e delle loro convenzioni di analisi.
Guide tecniche correlate: Media spaziale sul rotore: vento puntuale, media d'area e velocità equivalente · Flusso in ingresso a un rotore disallineato: componenti di velocità e scia obliqua · Densità spettrale di potenza: unità, integrazione e RMS.
Informazioni generali: Guida NREL TurbSim: spettri della turbolenza e condizioni dei modelli spaziali. Questi riferimenti spiegano concetti del settore; sono distinti dai documenti MARSTON di prodotto e di progetto applicabili.
Concetti e condizioni fondamentali.
Leggere ogni grandezza insieme al riferimento, alle unità e alle condizioni dichiarate. Una relazione generale non stabilisce un valore specifico di un modello.
| Concetto / grandezza | Significato / relazione | Condizioni / limiti |
|---|---|---|
| Varianza | Media del quadrato della fluttuazione | Dipende dalla componente e dall'intervallo di media. |
| S(f) monolaterale | (m/s)²/Hz | Il suo integrale rappresenta la varianza. |
| Scala temporale | Correlazione in funzione del ritardo | Non è una durata universale delle raffiche. |
| Scala di advezione | Uτ con flusso congelato | Richiede ipotesi esplicite sulla traslazione. |
| Coerenza spaziale | Fluttuazioni condivise fra posizioni | Diversa dalla varianza in un punto. |
Domande ingegneristiche.
Medie uguali implicano turbolenze uguali?
No. Varianza delle fluttuazioni, spettro e relazioni spaziali possono differire.
Integrali spettrali uguali implicano spettri uguali?
No. La stessa varianza può distribuirsi diversamente tra le frequenze.
Ogni ritardo temporale è il diametro di un vortice diviso per la velocità del vento?
No. Tale interpretazione richiede un'approssimazione di flusso congelato applicabile.
Uno spettro puntuale definisce tutto il flusso nel piano del rotore?
No. Contano anche le relazioni spaziali e le ipotesi sulle componenti.
Un picco spettrale dell'ingresso dimostra una risonanza?
No. La risposta strutturale dipende dalla propria dinamica e dagli accoppiamenti.
Fornisce un limite di turbolenza ammesso per MARSTON?
No. Spiega soltanto grandezze e ipotesi di modello.
Richiesta tecnica
Discutere la questione tecnica.
Due segnali di vento possono avere la stessa media e varianza distribuendo le fluttuazioni fra frequenze diverse. Condividi il modello e le informazioni operative o progettuali applicabili per una discussione ingegneristica.