[发明专利]利用分形维数测量风场地表粗糙度的方法

说明书

本发明公开了一种利用分形维数测量风场地表粗糙度的方法，在多个已知地表粗糙度r_j的地点采集风速时间序列信息，计算平均风速，得到信息；然后利用结构函数法求风速时间序列的分形维数D_ij，得到将所得的散点进行拟合得到地表粗糙度r_j与平均风速以及分形维数D_ij的关系在测量地表粗糙度的地点收集风速时间序列，求出依据拟合关系，可以求出测量地表面粗糙度r。本发明提出一种利用分形维数测量风场地表粗糙度的方法，能够在保证测量地表粗糙度结果准确的同时显著降低测量工作量。

技术领域

本发明涉及风力机技术领域，具体是利用分形方法分析风场风速时间序列，求出分形维数，从而依据对应关系求出风场地表粗糙度的利用分形维数测量风场地表粗糙度的方法。

背景技术

地表粗糙度表示地球表面粗糙程度，是具有长度量纲的特征参数。空气动力学粗糙度并非仅仅指物体表面的粗糙程度，而主要是从流体力学的角度上指出物体表面对流经流体的影响的一个综合力学参数。空气动力学意义上的地面粗糙度表征的是地表与大气的相互作用，反映地表对风速的消减作用，以及对风沙活动的影响。地表粗糙度情况是评价风力资源的一个重要指标，所以确定地表粗糙度情况对于风力机的设计至关重要。

分形这个名词是Mandelbrot在20世纪70年代为了表征复杂图形和复杂过程首先引入自然科学领域，它的原意是不规则的，支离破碎的物体。具有分形的现象在自然界中普遍存在，例如海岸线，树枝，山脉，星系分布，聚合物结构，大脑皮层皱褶，肺部支气管分之以及血液微循环管道等等。分形几何最初的研究对象是欧式空间的一类复杂子集结构。但是随着分形几何的发展，分形作为一种复杂现象在自然科学研究中得到广泛研究。大量文献表明，风速时间序列由于包含大量湍流脉动项，从而表现出强烈的自相似性，可以用分形理论进行研究。一个几何对象点、线、面、体的维数是由表征它所需的独立坐标确定的。在欧凡里的空间中,维数是整数。但自年代创立分形的概念以来,人们认识到不规则形态的维数不一定是整数。具有分形特征的系统是复杂系统,其复杂程度在一定程度上可以用非整数维——分形维数来描述。

在确定某地区的地表粗糙度时，通常方法都需要实地测量建筑物高度或者勘测地形情况，根据划分原则，统计测量地区建筑物或者地形的高度分布，从而计算地表粗糙度，这些方法需要耗费大量人力物力资源。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种利用分形维数测量风场地表粗糙度的方法，该方法利用分形维数测量风场地表粗糙度可以有效的降低工作量，同时得到可靠的地表粗糙度结果，从而降低风力机设计建造成本。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种利用分形维数测量风场地表粗糙度的方法，包括以下步骤：

步骤S1，在多个已知地表粗糙度r_j的地点a_j采集风速时间序列信息，计算地点a_j平均风速得到已知地表粗糙度r_j和地点a_j平均风速的信息

步骤S2，利用结构函数法求地点a_j风速时间序列的分形维数D_ij，得到已知地表粗糙度r_j、地点a_j平均风速和地点a_j风速时间序列的分形维数D_ij的信息

步骤S3，将所得的信息散点进行拟合，得到已知地表粗糙度r_j与地点a_j平均风速以及地点a_j风速时间序列的分形维数D_ij的拟合关系；