Turbulenssi

Turbulenssi on virtauksen nopeata epäsäännöllistä vaihtelua ajan suhteen. Vaihtelut ovat kolmiulotteisia ja lisäävät ilman sisäistä sekoittumista, jolloin muun muassa lämmönsiirto ja pitoisuuksien tasaantuminen tehostuvat huomattavasti.

Turbulenssin syntymekanismit voidaan jakaa termiseen ja mekaaniseen turbulenssiin. Terminen turbulenssi aiheutuu ilman tiheyden pystysuuntaisista vaihteluista. Niitä aiheutuu erityisesti silloin kuin maan tai merenpinta on ilmaa lämpimämpi, ja pinnan lähellä lämmennyt ilma pyrkii kohoamaan ylöspäin. Myös ilman jäähtyminen esimerkiksi pilven ylärajalla saa aikaan termistä turbulenssia; silloin jäähtynyt ilma pyrkii vajoamaan alaspäin. Termisen turbulenssin osuus on olematon suurilla tuulen nopeuksilla. Mekaaninen turbulenssi riippuu maaston rosoisuudesta ja siitä miten tuulen nopeus muuttuu korkeuden mukana.

Turbulenssin intensiteetti

Turbulenssin intensiteettiä kuvataan yleisesti tietyn mittausajan (10-30 minuuttia) hetkellisten (0,01-3 s) tuulennopeuksien hajonnan (σ) suhteena ko. mittausajan tuulennopeuden keskiarvoon (V). Tavallisilla sääasemilla tuulimittarin hitaudesta johtuen lyhyin merkitsevä mittausarvo edustaa 1-3 sekunnin tuulennopeutta. Esimerkiksi akustisissa tuulimittareissa ei ole samanlaista hitautta kuin kuppianemometreissä, joten niissä mittaukset tehdään 1-20 Hz taajuudella.

Neutraalissa säätilanteessa turbulenssin intensiteetti korkeudella z voidaan kuvata yhtälöllä

ks. Yhtälö 1.

jossa c~2,2, k~0,4 ja z0 on maaston aerodynaaminen rosoisuusparametri (m). Jos z0 on sama laajalla alueella, turbulenssin intensiteetti siis pienenee korkeuden kasvaessa.

Kun tuulivoimalan sijoituspaikka on rannikolla, turbulenssin intensiteetti riippuu huomattavasti tuulen suunnasta. Mereltä (pieni z0) tulevan tuulen turbulenssin intensiteetti on huomattavasti pienempi (suuruusluokkaa 0,1) kuin mantereelta korkean metsän (suuri z0) yli tulevassa tuulessa (suuruusluokkaa 0,2 - 0,4).

Jos oletetaan, että kaikilla kolmella turbulenttisilla tuulikomponenteilla (vertikaaliset, pitkittäiset ja poikittaiset) on sama intensiteetti (eli samat θ/V), mikä on karkea approksimaatio, turbulenssin intensiteetti ja turbulenssin kineettinen energia (TKE) ovat määritelmiensä mukaisesti seuraavassa yhteydessä toisiinsa:

ks. Yhtälö 2.

AROME-malli laskee turbulenssin kineettisen energian, ja Tuuliatlaksen dynaamisten karttojen yhteydessä olevissa taulukoissa esitetty turbulenssin intensiteetti perustuu yllä olevaan yhtälöön.


Esimerkki akustisella tuulimittarilla mitatusta tuulen nopeuden (punainen viiva) ja pystysuoran nopeuden (sininen viiva) vaihtelusta rannikolla Kopparnäsissä. Mittausjakson pituus 31 minuuttia. Mittarin mittaustaajuus 20 Hz, eli 20 tuulennopeusarvoa sekunnissa. Otoksesta laskettu tuulen keskinopeus on 6,09 m/s, minimi 3,95 m/s ja maksimi 8,87 m/s. Turbulenssin intensiteetin arvo on I=0,13. Pystysuoran tuulennopeuskomponentin keskiarvo on 0,07 m/s ja maksimi 1,18 m/s. Mittaus tehty 29.7.2009.


Yhtälö 1.


Esimerkki keskimääräisestä turbulenssin intensiteetin jakaumasta tuulensuunnittain lähellä rantaviivaa Suomenlahden rannikolla Kopparnäsissa. Tuulta on mitattu kahdessa mastossa, joista K2 sijaitsee 65metriä rantaviivasta ja 12,5 metrin korkeudella merenpinnasta, ja masto K3 124 metriä rantaviivasta 19 metrin korkeudella merenpinnasta. Tuulimittareiden korkeus maanpinnasta on esitetty kuvan alaosassa.


Yhtälö 2.