Spectral Gap and Wind Averaging Period


Spectral Gap and Wind Averaging Period

K.Kurojjanawong

15-June-2017

โดยปกติ Wind ถือเป็น Random Vibration ชนิดหนึ่ง โดยที่มัน Random ทั้งใน Time และ Space งั้นการที่จะวิเคราะห์โครงสร้างจาก Wind Excitation ต้องใช้หลักการของ Random Vibration Theory เพราะเมื่อ Excitation ซึ่งคือ Wind มัน Random ตัว Structural Response มันก็จะ Random ไปด้วย

โดยหลักการคือ เราสามารถที่จะแยก Signal ของ Wind ออกได้เป็นสองส่วนหลักๆ คือ

  • Mean Wind,
  • Gust Wind บางครั้งเราจะเรียกส่วนนี้ว่า Wind Turbulence, ซึ่งส่วนนี้ล่ะที่ก่อให้เกิด Wind Spectrum ขึ้นมา

โดยหลักการของ Random Vibration ก็คือ เราต้องหาค่าทางสถิติ มาเป็นตัวแทนของ Random Signal นั้น ซึ่งการที่จะหาค่าทางสถิติได้เราต้อง คำนวณค่าทางสถิติที่ช่วงเวลาใดๆ เวลาหนึ่งเป็นตัวแทน เช่นในคลื่นอาจจะใช้ที่ 3 ชม หรือที่ เราเรียกว่า Stationary Period

งั้นใน Wind คำถามก้คือ จะใช้ค่า Averaging Period ที่เท่าไรดี ??

Spectral Gap 1

Ref.[1]

มันก็มีคนไปทำวิจัย คือ Van der Hoven (1957) ทำการวิเคราะห์ข้อมูลลมที่มีหลายๆ สถานี โดยใช้หลักการของ Frequency Domain เพื่อสร้าง Wind Power Spectrum ออกมาเค้าพบว่า Wind Spectrum สามารถจะแยกออกมาได้ 2 ช่วง คือ

  • Short Period ที่มีศูนย์กลาง อยู่ประมาณ 1 min เค้าอธิบายว่าลมเกิดการรบกวนโดย Surface friction ใกล้ๆ พื้นโลก ทำให้เกิดการแกว่งรอบค่าเฉลี่ย (Gust หรือ Terbulence) เค้าเรียกช่วงนี้ว่า Micrometeorological Peak
  • Long Period ที่มีศูนย์กลาง อยู่ประมาณ 4 days ที่เค้าอธิบายว่าเกิดจากการที่ลมสามารถที่จะผ่านไปได้โดยไม่ถูกรบกวน (The passage of a complete isobar system) เค้าเรียกช่วงนี้ว่า Macrometeorological Peak

โดยทั้งสองช่วงประกอบไปด้วย Wind Energy ที่ค่อนข้างสูง แต่จะมีช่วง Low Energy อยู่ตรงกลาง ซึ่งเค้าเรียกช่วงนี้ว่า Spectral Gap ที่จะมีค่าอยู่ประมาณ 15 min ถึง 2 hours

งั้นถ้าเราเลือกช่วง Stationary Period อยุ่ในช่วงนี้ จำทำให้เราได้ ‘Stable Averaging Wind’ แล้วก็เป็นการแยก ลม ทั้งสองชนิดออกจากกันได้ด้วย ซึ่งเลยเป็นที่มาของการใช้ค่า Averaging Period ที่ 1 ชม หรือ 1-Hour Mean Wind ที่เราใช้กันอยู่ในปัจจุบัน นั่นเอง

Spectral Gap 2

Ref.[1]

Ref.

[1] N.D.P. Barltrop (1991), “Dynamic of Fixed Marine Structure”

[2] Y.Tamura and A.Kareem (2013), “Advance Structural Wind Engineering”

[3] P.Sandahl (1994), “Analysis Sensitivity for Wind-related Fatigue in Lattice Structures”

[4] Van Der Hoven I. (1975), “Power Spectrum of Horizontal Wind Speed in the Frequency Range from 0.0007 to 900 cycles per hour”

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s