正常湍流风模型（NTM）

正常湍流风模型（Normal Turbulence Model, NTM）是用于评估风力机在典型湍流风况下结构载荷的核心模型之一。

1. 定义与适用范围

目的：NTM用于模拟风力机在正常运行期间遭遇的自然湍流，通过统计方法描述风速的随机波动特性，为疲劳载荷和动态响应分析提供标准化的输入条件。

适用场景：适用于所有风力发电机组的设计认证。        

2. 湍流特性（IEC 61400-1 Ed.4）

(1)湍流强度（Turbulence Intensity, I）

定义：湍流标准偏差代表值σ₁，定义为轮毂高度处风速的90%分位数。纵向湍流强度 I是风速标准差σ₁与轮毂高度处10分钟平均风速V_hub的比值：

I=σ₁/ V_hub

湍流标准差σ1和湍流强度I与轮毂高度处10分钟平均风速V_hub的关系曲线如图所示。    

标准值：IEC根据风电场类别（I类/II类/III类）和轮毂高度给出了I的参考值。

对于IEC Class A（高湍流）：

I_ref= 0.16（轮毂高度处）

实际I可能随平均风速变化，公式为：

I =I_ref(0.75 + 5.6/ V_hub)

    （其中 V_hub为轮毂高度平均风速，单位m/s）。

(2)湍流功率谱

模型选择：IEC推荐使用Kaimal谱或von Kármán谱描述湍流能量分布。      

  Kaimal谱公式（纵向风速分量）：

f ：频率（Hz）；  

K：指速度分量方向的指数（即纵向1，横向2，垂向3）；

S_k：单侧速度分量谱；

σ_k：为速度分量的标准差；

L_k：湍流积分尺度参数。

湍流谱参数见下表。

参数的详细解释可参考IEC 61400-1标准。

3. 风电场类别与NTM参数

IEC 61400-1根据风电场特性定义了不同类别，NTM的参数需对应选择：    

参数的详细解释可参考IEC 61400-1标准。

4. 空间相关性

横向与垂直湍流：除纵向分量外，NTM还需考虑横向和垂直分量的谱模型。  

相干函数：不同空间点的湍流相关性通过相干函数描述：

 r ：两点之间的分离矢量在垂直于平均风向的平面上的投影大小。  

5. 新旧标准比较（Ed.4 vs Ed.3）

Ed.4（2019） 进一步细化了湍流尺度参数的定义，并优化了风电场类别划分。      

Ed.3（2005）中NTM的I 公式为I = I₁₅ (15/ V_hub + 1) \)，Ed.4改为更通用的形式。

总结

在IEC 61400-1中，NTM是风力机设计认证的基准湍流模型，其核心是：

（1）随机性：通过功率谱和相干函数模拟自然湍流的统计特性。  

（2）标准化：参数（如I、L_k）与风电场类别严格绑定，确保设计可比性。  

（3）工程适用性：平衡计算复杂度与实际风场特性，为载荷分析提供合理输入。

这是轮毂处平均风速为3米每秒的NTM模型。

在IEC61400-1标准的工况表里，NTM模型主要用在正常发电、正常发电兼故障、空转工况疲劳统计、紧急停机、故障疲劳统计。