【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及獲得一種更能精確表達城市近郊地區不同高度下湍流強度的經驗公式，其屬于氣象學、物理學、力學、可再生能源應用基礎理論及其應用技術研究領域。
技術介紹
1、近年來，由于全球變暖等問題的加劇，以及人們對可持續發展的需求，可再生能源逐漸受到人們的關注，風能作為發展最快的清潔能源，具有廣闊的發展前景。我國城郊地區風能資源豐富，有效利用城郊地區風能，是減少城市空氣污染、緩解城市能源短缺的措施之一。然而，對于城郊風能的利用，目前還存在諸多問題，如風力發電機組的設計基礎薄弱、選型不準確等導致風力發電機組受損。想要對風能進行更有效的利用，則需計算出不同高度下的湍流強度大小，以對風力發電機組進行合理、準確的選型，保證風力發電機組的正常運行及日常維護。
2、湍流強度是描述風速隨時間和空間的變化程度，反映了脈動風速的相對強度，是描述大氣湍流運動特性最重要的特征量。關于湍流強度的研究，過去均以現場實驗實測為主，但影響湍流強度的因素較多，利用高度計算湍流強度的經驗公式適用范圍較單一，考慮多種因素影響情況下對適用于計算城郊地區湍流強度的計算公式較少。基于此，本文采用不同的指數律函數對城郊地區采集的實驗風速數據進行擬合分析，從而選取出擬合優度較好的指數律函數進行研究。所以，本文是基于城郊地區不同高度下湍流強度的計算為核心問題所提出的一種新方法。
3、基于城郊地區湍流強度計算新方法的提出，對解決實踐問題是極為重要的。通過高度研究湍流強度，可以為風力發電機組的選型提供科學依據，從而為風力發電機組的正常運行提供保障。基于此，本文提
技術實現思路
1、本專利技術針對無法準確得出不同高度下的湍流強度值而提供一種新型的適用于計算城郊地區湍流強度的經驗公式。
2、本專利技術解決上述技術問題的技術方案如下：
3、1.實驗平臺搭建
4、本次采用zephir?300激光雷達測風系統平臺為實驗主要設備，測量位置布置于內蒙古工業大學風洞實驗室，設置3種不同調節激光雷達的測試高度范圍，對觀測站點10-38m、10-99m和10-199m的高度進行風速、風向數據收集。
5、2.實驗數據測量
6、實驗數據通過調節雷達的測試高度來給出參數的物理意義。第一階段：測試點高度為10-38m，采集時間由2017年4月至2018年3月，時間周期約一年，一年內應采集風速、風向數據578160個，其中有效數據為492147個。第二階段：測試點高度為10-99m，采集時間由2018年7月至2019年6月，時間周期約一年，一年內應采集數據風速、風向數據578160個，其中有效數據為367920個。第三階段：測試點高度為10-199m，采集時間由2019年7月至2020年6月，時間周期約一年，一年內應采集數據風速、風向數據578160個，其中有效數據為492147個。
7、3.函數確定
8、湍流強度的定義為風速的標準偏差與平均風速之比，用同一組測量數據和規定的周期進行計算。10min湍流強度公式見（1-3）。
9、?（1-3）
10、式（1-3）中：ti為湍流強度；σ為脈動風速均方根，m/s；v為平均風速，m/s。
11、根據2005版iec?61400-1將湍流強度分為a、b、c三級，其中a級為高湍流強度，b級為中等湍流強度，c級為低湍流強度。多個國家的風荷載規范提出順風向湍流強度iu(z)可以表示為指數律形式，函數見公式（1-4）。
12、?（1-4）
13、式（1-4）中：z為測點高度。
14、結合先前研究，以不同的指數律函數作為函數源，把實測數據代入函數源進行擬合，研究湍流強度與測點高度之間的關系，并對比不同指數律函數的擬合優度值，總結得出一種適用于計算不同高度下的湍流強度值的函數公式，對實測風場有較高的擬合優度。將此指數函數作為城市近郊湍流強度的研究對象，命名為th（turbulence?intensity?-height）型湍流強度函數，此函數見公式（1-5）。
15、函數公式：
16、?（1-5）
17、式（1-5）中：ti為th型湍流強度；x為測點高度，m；a為湍流強度；b為參考高度，m；c為校正高度，m。
18、根據量綱分析方法，x為高度，參數b和參數c均為高度參數。且經擬合后發現，該函數公式在不同的高度下計算湍流強度，具有一定的適用范圍。在不同的高度下，對參數a的取值有一定的范圍其擬合優度較高。
19、分析式（1-5），當b/(x+c)趨于0時，即x越大或b趨于0時，ti值近似等于a值，而a值為湍流強度的大小，即得到與高度相關的th型湍流強度ti的值。
20、由于三個參數a、b、c屬于多因素相互作用的關系，即其中一個參數的變化必然導致其他兩個參數的變化。
21、對式（1-5）而言，參數b和參數c共同影響參數a，公式（1-6）的擬合度最高，能較好的體現參數b和參數c之間的關系。
22、參數b、c之間的關系可用公式（1-6）表示：
23、?（1-6）
24、式（1-6）中：m、n、k為相關參數。
25、4.經驗公式的空間特性分析
26、為了獲取更為精準的經驗公式，結合zephir?300激光雷達測試系統，獲得連續三年的實驗測量數據，對不同的指數律函數進行擬合，并對比分析。
27、采用逐年增加高度的測量方式，從2017.4-2018.3期間的測量范圍10-38m，到2018.7-2019.6期間的測量范圍10-99m，再到2019.7-2020.6期間的測量范圍10-199m，分別調節不同測量高度范圍的分布精度，測量精度從1m增至10m。采用定量分析的方法，結合判定系數r2、卡方x2、殘差平方和sse檢驗，判定系數r2越接近1，x2和sse越接近于0，擬合精度越高。三年擬合r2、x2、sse值分布圖1表明，采用該函數公式的擬合優度滿足該區域下對實際測量的風速分布情況。因此，綜合各觀測點的函數擬合情況，結果一致表明，該指數函數可以作為計算城市近郊地區不同高度下的湍流強度經驗公式。
28、5.經驗公式的時間特性分析
29、對風廓線的研究，多采用全年測量數據進行擬合。為深入研究該指數函數在城市近郊地區的吻合度，采用時間特性分析方法，通過zephir?300型激光雷達采集的風速、風向數據來研究呼和浩特地區風環境，布置不同的測量高度，將呼和浩特市近郊風環境當地風速按照不同月份進行擬合。采用逐年增加高度的測量方式，從2017.4-2018.3測量范圍10-38m，到2018.7-2019.6測量范圍10-99m，至2019.7-2020.6測量范圍10-199m，來分析經驗公式的擬合情況。
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1.一種適用于計算城市郊區不同高度下湍流強度的經驗公式，其函數確定的特征在于：根據先前研究，以不同的指數律函數作為函數源，將三年實測數據代入函數源進行擬合，并對比分析各函數的擬合優度。總結得出一種適用于不同高度的計算湍流強度的經驗公式，對實測風場有較高的擬合優度。將此指數函數作為計算城市郊區湍流強度的經驗公式，分析總結出函數中各參數在不同高度下的取值范圍。通過擬合得出公式中參數間的函數關系式。
2.函數公式：?（1-1）。
3.見式（1-1）中：Ti為TH型湍流強度；x為測點高度，m；a為湍流強度；b為參考高度，m；c為校正高度，m。
4.參數間函數關系：?（1-2）。
5.見式（1-2）中：M、N、K為相關參數。
6.一種適用于計算城市郊區不同高度下湍流強度的經驗公式，對其空間特性分析，其特征在于：分別對不同的指數律函數進行擬合，并對比分析。采用逐年增加高度的測量方式，分別調節不同測量高度范圍的分布精度，測量精度從1m增至10m。采用定量分析的方法，通過分析去除個別壞值，結合判定系數R2、卡方X2、殘差平方和SSE檢驗
7.一種適用于計算城市郊區不同高度下湍流強度的經驗公式，對其時間特性分析，其特征在于：對湍流強度的研究，采用全年測量數據進行擬合。為深入研究計算湍流強度的經驗公式在城市近郊地區的吻合度，采用時間特性分析的方法，通過ZephIR?300型激光雷達采集的風速、風向的數據來研究呼和浩特近郊地區的風環境，布置不同的測量高度，將呼和浩特市近郊風環境當地風速按照不同月份進行擬合。采用逐年增加高度的測量方式，來分析經驗公式的擬合情況并進行對比分析。
...【技術特征摘要】
1.一種適用于計算城市郊區不同高度下湍流強度的經驗公式，其函數確定的特征在于：根據先前研究，以不同的指數律函數作為函數源，將三年實測數據代入函數源進行擬合，并對比分析各函數的擬合優度。總結得出一種適用于不同高度的計算湍流強度的經驗公式，對實測風場有較高的擬合優度。將此指數函數作為計算城市郊區湍流強度的經驗公式，分析總結出函數中各參數在不同高度下的取值范圍。通過擬合得出公式中參數間的函數關系式。
2.函數公式：?（1-1）。
3.見式（1-1）中：ti為th型湍流強度；x為測點高度，m；a為湍流強度；b為參考高度，m；c為校正高度，m。
4.參數間函數關系：?（1-2）。
5.見式（1-2）中：m、n、k為相關參數。
6.一種適用于計算城市郊區不同高度下湍流強度的經驗公式，對其空間特性分析，其特征在于：分別對不同的指數律函數進行擬合，并對比分析。采用逐年增加高度的測量...
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