Непрерывные порывы ветра - Википедия - Continuous gusts

Непрерывные порывы или же стохастические порывы ветры, которые беспорядочно меняются в пространстве и времени. Модели непрерывных порывов ветра используются для представления атмосферная турбулентность, особенно турбулентность при ясном небе и бурные ветры в штормы. В Федеральная авиационная администрация (FAA) и Министерство обороны США предоставить требования к моделям непрерывных порывов ветра, используемым при проектировании и моделировании летательных аппаратов.^[1][2]

Модели непрерывных порывов ветра

Для порывов ветра существует множество моделей.^[3] но только две, модели Драйдена и фон Кармана, обычно используются для непрерывных порывов ветра. динамика полета Приложения.^[2][4] Обе эти модели определяют порывы с точки зрения спектральные плотности мощности для линейной и угловой составляющих скорости, параметризованных масштабами длины и интенсивности турбулентности. Компоненты скорости этих моделей непрерывных порывов ветра могут быть включены в уравнения движения самолета как ветровое возмущение.^[5] Пока эти модели непрерывных порывов ветра не белый шум, можно разработать фильтры, которые принимают на входе белый шум и выводят случайный процесс с помощью моделей Драйдена или фон Кармана.^[6][7]

Допущения моделей непрерывных порывов ветра

Модели, принятые FAA и Министерством обороны США, представляют непрерывные порывы ветра в виде поля линейных и угловых скоростей ветра, который представляет собой случайный процесс, и делают ряд упрощающих предположений для их математического описания. В частности, предполагается, что непрерывные порывы ветра:^[8]

• А Гауссовский процесс
• А стационарный процесс, поэтому статистика постоянна во времени
• Однородный, поэтому статистика не зависит от пути транспорта
• Эргодический
• Изотропный на большой высоте, поэтому статистика не зависит от положения автомобиля
• Меняется в пространстве, но застывает во времени

Эти предположения, хотя и нереалистичны, дают приемлемые модели для приложений динамики полета.^[9] Последнее предположение о поле скорости, которое не меняется со временем, особенно нереалистично, поскольку измерения атмосферной турбулентности в одной точке пространства всегда меняются со временем. Эти модели полагаются на движение самолета через порывы ветра для создания временных изменений скорости ветра, что делает их непригодными для использования в качестве входных данных для моделей зависания, ветряных турбин или других приложений, которые фиксируются в космосе.

Модели также делают предположения о том, как непрерывные порывы ветра меняются с высотой. Модели Драйдена и фон Кармана, определенные Министерством обороны, определяют три различных диапазона высот: низкий, от 10 футов до 1000 футов. AGL; средний / высокий, 2000 футов над уровнем моря и выше; и между ними. Интенсивность турбулентности, ее масштабы и оси турбулентности зависят от высоты.^[10] Министерство обороны также предоставляет модели угловой скорости порыва, но дает критерии, основанные на самолетах. производные стабильности когда их можно опустить.^[11]

Модель Драйдена

Модель Драйдена - одна из наиболее часто используемых моделей непрерывных порывов ветра. Впервые он был опубликован в 1952 году.^[12] Спектральная плотность мощности продольной линейной компоненты скорости равна

${ displaystyle Phi _ {u_ {g}} ( Omega) = sigma _ {u} ^ {2} { frac {2L_ {u}} { pi}} { frac {1} {1+ (L_ {u} Omega) ^ {2}}}}$

куда ты_грамм - продольная линейная составляющая скорости порывов, σ_ты - интенсивность турбулентности, L_ты - масштабная длина турбулентности, а Ω - пространственная частота.^[13]

Модель Драйдена имеет рациональный спектральные плотности мощности для каждой компоненты скорости. Это означает, что может быть сформирован точный фильтр, который принимает белый шум на входе и выводит случайный процесс со спектральными плотностями мощности модели Драйдена.^[6]

модель фон Кармана

Модель фон Кармана является предпочтительной моделью непрерывных порывов ветра для Министерства обороны и FAA.^[1][2] Модель впервые появилась в 1957 году. NACA отчет^[14] на основе более ранней работы Теодор фон Карман.^[15][16][17] В этой модели спектральная плотность мощности продольной линейной компоненты скорости равна

${ displaystyle Phi _ {u_ {g}} ( Omega) = sigma _ {u} ^ {2} { frac {2L_ {u}} { pi}} { frac {1} { left (1+ (1.339L_ {u} Omega) ^ {2} right) ^ { frac {5} {6}}}}}$

куда ты_грамм - продольная линейная составляющая скорости, σ_ты - интенсивность турбулентности, L_ты - масштабная длина турбулентности, а Ω - пространственная частота.^[2]

Модель фон Кармана имеет иррациональные спектральные плотности мощности. Таким образом, фильтр со входом белого шума, который выводит случайный процесс со спектральными плотностями мощности модели фон Кармана, может быть только аппроксимирован.^[7]

Зависимость от высоты

И модели Драйдена, и фон Кармана параметризованы масштабом длины и интенсивностью турбулентности. Комбинация этих двух параметров определяет форму спектральных плотностей мощности и, следовательно, качество соответствия моделей спектрам наблюдаемой турбулентности. Многие комбинации масштаба длины и интенсивности турбулентности дают реалистичные спектральные плотности мощности в желаемых диапазонах частот.^[4] Спецификации Министерства обороны включают выбор обоих параметров, включая их зависимость от высоты, которые кратко описаны ниже.^[10]

Низкая высота

Малая высота определяется как высота от 10 футов над уровнем моря до 1000 футов над уровнем моря.

Шкалы длины

На малой высоте масштабы зависят от высоты,

${ displaystyle 2L_ {w} = h}$

${ displaystyle L_ {u} = 2L_ {v} = { frac {h} {(0,177 + 0,000823h) ^ {1,2}}}}$

куда час это высота над уровнем моря. На высоте 1000 футов над уровнем моря L_ты = 2L_v = 2L_ш = 1000 футов.

Интенсивность турбулентности

На малой высоте интенсивность турбулентности параметризуется следующим образом: W₂₀, скорость ветра на высоте 20 футов.

Степень турбулентности	${ displaystyle W_ {20}}$
Свет	15 узлов
Умеренный	30 узлов
Суровый	45 узлов

${ displaystyle sigma _ {w} = 0,1 Вт_ {20}}$

${ displaystyle { frac { sigma _ {u}} { sigma _ {w}}} = { frac { sigma _ {v}} { sigma _ {w}}} = { frac {1 } {(0,177 + 0,000823h) ^ {0,4}}}}$

На высоте 1000 футов над уровнем моря

${ Displaystyle sigma _ {u} = sigma _ {v} = sigma _ {w} = 0,1 Вт_ {20}}$

Средняя / большая высота

Средняя / большая высота определяется как 2000 футов над уровнем моря и выше.

Интенсивность турбулентности в зависимости от высоты для средних / больших высот.

Шкалы длины

Для модели Драйдена

${ displaystyle L_ {u} = 2L_ {v} = 2L_ {w} = 1750 { text {ft}}}$

Для модели фон Кармана

${ displaystyle L_ {u} = 2L_ {v} = 2L_ {w} = 2500 { text {ft}}}$

Интенсивность турбулентности

На большой высоте,

${ Displaystyle sigma _ {u} = sigma _ {v} = sigma _ {w}}$

Они параметризованы вероятность превышения или тяжесть турбулентности. График зависимости интенсивности турбулентности от высоты, показывающий линии постоянной вероятности превышения и диапазоны, соответствующие разной степени турбулентности, предоставляется в военных спецификациях.^[18]

Между низкой и средней / большой высотой

От 1000 футов над уровнем моря до 2000 футов над уровнем моря масштаб длины и интенсивность турбулентности определяются линейная интерполяция между значением низкой высоты на высоте 1000 футов и значением средней / большой высоты на высоте 2000 футов.^[6][7]

Оси турбулентности

Выше 1750 футов оси турбулентности совпадают с ветровая рама топоры. Ниже 1750 футов вертикальная ось турбулентности совпадает с Земляной каркас z-ось продольной оси турбулентности совмещена с проекцией вектора среднего ветра на горизонтальную плоскость кадра Земли, а ось поперечной турбулентности определяется правило правой руки.^[19]

Смотрите также

• Турбулентность ясного воздуха
• Модель турбулентности ветра Драйдена
• Модель ветровой турбулентности фон Кармана

Примечания

Рекомендации