2.2 湍流
风脉动可以引起结构物的顺风向振动，这种形式的振动在一般工程结构中都要考虑。结构物背后的涡旋引起结构物的横风向的振动，对风电机组塔筒等一些自立式细长柱结构物，特别是圆形截面结构物，都不可忽视这种形式的振动。风电场中还特别附加了叶轮转动尾流引起的振动以及由空气负阻尼引起的横向失稳式振动。风荷载使得结构物或结构构件受到过大的风力致不稳定；使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形；反复风振动作用引起结构或结构构件的疲劳损坏；气动弹性的不稳定，致使结构物在风运动中产生加剧的气动力。
台风强湍流常常是风电机组振动失效的主要原因。湍流强度（Turbulence Intensity, TI）是指10min内风速随机变化幅度大小，是10min平均风速的标准偏差与同期平均风速的比率，是风电机组运行中承受的正常疲劳荷载，是IEC 61400—1中风电机组安全等级分级的重要参数之一。从IEC 61400—1的第二版和第三版都可以看出，湍流强度指标都是决定风电机组安全等级或者设计标准的重要参数之一，也是风场风资源评估的重要内容，其评估结果直接影响到风电机组的选型。湍流对风电机组性能的不利影响主要是减少功率输出，增加风电机组的疲劳荷载，最终削弱和破坏风电机组。
湍流产生的主要原因有两个：一个是当气流流动时，气流会受到地面粗糙度的摩擦或者阻滞作用；另一个是由于空气密度差异和大气温度差异引起的气流垂直运动。通常情况下，上述两个原因同时导致湍流的发生。在中性大气中，空气会随着自身的上升而发生绝热冷却，并与周围环境温度达到热平衡，因此在中性大气中，湍流强度大小完全取决于地表粗糙度情况。
2.2.1 湍流强度
（1）特征湍流强度。计算某段时间范围内风速的湍流强度时，该段风速区间内每10min平均风速的标准偏差值是一个随机变量，其一般服从正态分布规律。每10min湍流强度的算术平均仅为50%分位数湍流强度结果，不能表征该时段内风速湍流强度特征。IEC 61400—1的第二版规定在平均风速式标准偏差值基础上再加上一个平均风速标准偏差的标准偏差，相当于84%分位数结果表征系列湍流强度。
（2）代表湍流强度。IEC 61400—1的第三版规定在平均风速式标准偏差值基础上再加上1.28个平均风速标准偏差的标准偏差，相当于90%分位数结果表征系列湍流强度。
（3）环境湍流强度和有效湍流强度。其中：①环境湍流强度是指风电场中单独一台风电机组承受的正常湍流强度，该湍流强度没有受其他风电机组或者障碍物的尾流影响；②风电场中机组承受的有效湍流强度由环境湍流强度和因机组彼此之间尾流产生的湍流强度两部分组成。确定风电机组湍流强度等级不仅取决于环境湍流强度，更应考虑因为风电机组尾流产出的湍流强度。风电机组微观位置确定后通过计算风电机组之间尾流产生的湍流强度，并与环境湍流强度叠加得出每台机位的有效湍流强度。根据IEC 61400—1的要求，每一个风速区间下风电机组承受的有效湍流强度均不能超过设计湍流强度。有效湍流强度过大，可降低风电机组的出力水平，使风电机组承受更多的疲劳荷载，还可能引起极端荷载，降低风电机组的使用寿命。有效湍流强度不仅与风场当地地形、地貌、障碍物有关，还与每台风电机组的具体位置、风场主导风向以及机组轮毂高度有关。
不同设计湍流强度等级对等效疲劳荷载的影响相对来说要大很多，基本上降一个湍流强度等级，等效疲劳荷载就会相应地降低10%。湍流强度对等效疲劳荷载的影响非常大。另外，风轮直径越大，降低湍流强度等级对降低等效疲劳荷载的作用越明显。因此叶轮直径和机组的设计湍流强度等级对机组交变荷载的承受能力影响很大。
2.2.2 台风影响情况下的湍流强度
台风经过时，台风湍流强度明显高于正常风的湍流强度。如福建省气候中心对1013号超强台风“鲇鱼”的风速计算报告显示湍流强度达0.3，但也有非常多的台风的湍流强度低于正常风湍流强度。2009年，日本的Kogaki等详细分析了日本复杂地形和台风影响下的风况与IEC标准的差异，指出多数情况下湍流强度分布与标准湍流模型（NTM）相似，但有60%的湍流强度超过了IEC最强湍流强度级别。
台风湍流强度U、V、W三个方向的大小之比也与正常风湍流强度不同。IEC标准中定义正常风湍流强度在U、V、W三个方向的比为1∶0.8∶0.5，而台风湍流强度并不遵循这样的规律，其V方向的湍流强度往往要比正常风的要大。如在2010年，宋丽莉在澳门友谊大桥上测得的0812号台风“鹦鹉”的V方向的湍流强度就达到U方向的0.96倍，W方向的湍流强度也有增大。2009年，Cao等对0314号超强台风“鸣蝉”的观测数据进行了详细的分析，得出了相同的结论并给出了台风湍流三个方向的分量σu/σv/σw=1.8/1.5/1.0的比值关系。2015年，张秀芝等通过对国内近海大量台风观测数据进行分析，得出结论：当风速不断增大时，在台风中心及附近的纵向湍流强度逐步降低趋于稳定，台风的三维湍流大于IEC 61400—1标准的规定；台风湍流三个方向（纵向、横向、垂向）的比例关系为1/0.86/0.51。
跟湍流强度大小一样，也有非常多的台风3个方向的湍流强度之比小于正常风湍流强度之比。究其原因，可能是由台风经过地方的下垫面、本身的结构、成熟度、强度以及测风设备距离台风中心远近等因素的综合作用才导致湍流强度变化差异较大。
2.2.2.1 沿海测风塔统计湍流强度
统计分析台风影响下沿海风电场湍流强度特征，分析2003年以来我国东南沿海测风塔测得的台风过程，挑选数据的标准：①挑取风速大于15m/s且风向前后变化120°以上的时段；②挑取测风塔距台风中心不大于100km作为TC中心附近的样本。依据此标准，共挑选出73个研究个例。
分析某些台风发生时70m高度的湍流强度分布时，所有选取的台风个例湍流强度散点与IEC 61400—1标准A类湍流强度等级曲线对比如图2-4所示，图中红色曲线为IEC标准湍流强度曲线。台风侵袭前后或者台风外围风速小于切出风速时（小于25m/s），湍流强度绝大部分小于IEC标准曲线界定值，但也有部分观测资料超过标准值，即风电机组在停机之前实际承受的湍流强度和振动荷载超过标准，带来一定的疲劳荷载超过标准的安全隐患。风速介于25～32.6m/s之间时，呈现同样的规律。风速超过32.6m/s台风强度之后，湍流强度基本上低于IEC标准曲线，仅有极少数部分风速湍流强度超标准值。
图2-4 某些台风发生时湍流强度分布及曲线对比示意图
进一步计算这些台风案例90%、95%和98%分位数湍流强度及其拟合曲线，从图2-5中可以看到，10m/s以上湍流强度曲线随风速的增大不像标准线那样均匀减小，而是在13～23m/s区间，各分位数湍流强度曲线呈缓慢上升状态，湍流强度介于0.16～0.22之间，之后开始缓慢下降，30m/s之后降至IEC标准A类标准线之下。90%分位数曲线及其拟合曲线均低于IEC标准A类界定标准值，接近IEC标准B类。95%与98%分位数曲线在15～30m/s区间，湍流强度介于0.16～0.22之间。
图2-5 热带气旋中心附近和热带气旋外围湍流强度分布图
2.2.2.2 海上测风塔统计湍流强度
目前台风多发海域海上测风塔数量较少，获取台风过境的风速资料更少。部分测风塔建设在小型岛礁上，其周边环境为海洋，受大陆影响可以忽略不计，其观测结果基本可以代表海上风的状况。因此暂以海上测风塔和海岛测风塔实测资料作为分析近海环境条件下的湍流强度特性的数据源。图2-6为近海环境观测到的台风发生时湍流强度散点及与IEC 61400—1标准A类湍流强度等级曲线对比，可以看到与陆上不同的是，当风速大于15m/s以上成上翘趋势，这是由于风速越大海面粗糙度越大，湍流强度越强。
图2-6 台风影响期间海上湍流强度分布及曲线对比示意图
（1）通过对登陆台风的实测数据计算分析发现，在登陆台风中心附近近地层的湍流强度可异常增大达0.6～0.9，且湍强最大的层次不一定出现在底层。此外，台风中心靠近时底层和高层的湍强变化并不同步，而是存在十几到几十分钟的时间差。
（2）所有观测资料统计显示，95%分位数曲线在切出风速之前对应的湍流强度超过IEC标准A类界定值，切出风速之后与A类基本吻合。
（3）海上湍流强度与陆上不同的是，当风速大于15m/s以上成上翘趋势，这是由于风速越大海面粗糙度越大，湍流强度越强。
虽然统计发现风速超过切出风速后，湍流强度基本上低于IEC标准值，然而在这种强风作用情况下，在风速极限荷载与湍流振动荷载联合作用下，随着风速的增加，加载在风电机组上的力矩与荷载变化需要进一步加强研究。
此外，台风中心近地层特有的湍流特征，对风电机组的抗风设计提出了挑战：风的湍流扰动对风电机组这样的柔性结构系统会产生一种随机的强迫振动，对于线性结构系统，湍流脉动引起的结构振动响应均方根与湍流强度取值成正比，这意味着如果湍流强度增大了2～3倍，则结构动态响应或脉动风荷载的计算值也会成倍增加。而目前，典型的风电机组抗湍强设计参数一般不超过0.2，对于受台风影响地区的风电场，风电机组的抗风设计还需要进一步研究、实验，以适应这种特殊的抗风减灾需要。