[發明專利]一種適用于復雜地形風場流動數值模擬的側向邊界條件設置方法

在審

• 申請號: 202011026915.1
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112163381A
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發明（設計）人: 韓毅;宋子琛;趙勇;童博;趙文超;馮仰敏;高晨;陳臣
• 申請（專利權）人: 西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14;G06F111/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 賀小停

本發明提供的一種適用于復雜地形風場流動數值模擬的側向邊界條件設置方法，方法基于計算流體力學模擬中求解不可壓縮流體控制方程的有限體積法，根據計算域側向邊界面(即與主流動方向平行布置的計算域邊界)中每個面元對應有限體積單元體心上的氣流通量方向，判定氣流在該面元處的入流或出流情況，進而建立相應的速度和壓強耦合邊界條件。本發明考慮到由于復雜地表對風向的局部改變效應以及地轉偏向力對氣流的宏觀轉向作用，可以在同一側向邊界面上，模擬出不同空間位置處的大氣入流和出流并存的真實物理現象，較好地克服了現有單向、簡化型側向邊界條件的局限性，建立了與風場流動實際情況更為吻合、適用于各類常用湍流模式、且能夠保持數值計算穩定與收斂性的復合型側向邊界條件。

技術領域

本發明屬于計算流體力學技術領域，具體涉及一種適用于復雜地形風場流動數值模擬的側向邊界條件設置方法。

背景技術

我國內陸地形復雜，潛在和現役的大型陸上風電場大多坐落于山地、高原、丘陵、盆地等地帶的風資源聚集區域，以計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)為基礎的數值模擬方法已成為研究復雜地形風場風資源評估的重要工具。通常，風場計算范圍的選取是以地表下墊面為基準面，豎直向上延伸至大氣邊界層高度(一公里量級)而形成的六面體區域，在數值計算中需要在不同邊界面對風速、壓強等變量的邊界條件進行合理的選定與設置，從而確保流動控制方程在計算區域內的可解性。研究表明，風場計算區域的邊界條件設置方法作為數值模擬中的關鍵因素，直接影響著整個運算過程的收斂性與穩定性，進而決定著數值求解算法的可行性與精確度。

目前，有關復雜地形風場CFD數值模擬邊界條件的研究主要集中在入口邊界生成與地表邊界的處理兩個方向上。由于側向邊界條件對數值模擬的空間離散格式、下墊面邊緣的不規則程度以及風速-壓強耦合算法的敏感型，對其最優化設置一直以來是CFD領域的一個開放性的研究課題。目前，國內外對風場CFD數值模擬中風速與壓強條件在側向邊界上的選取與設置，通常是以求解流體力學偏微分(Partial Deferential Equation，PDE)控制方程組(即Navier-Stokes方程組)的兩大類邊界條件為基礎，對第一類Dirichlet邊界條件(即待求變量在邊界面上的值被直接給定)與第二類Neumann邊界條件(即待求變量在邊界面外法線的方向導數被指定)進行直接選用、修正或組合使用。

例如，Churchfield M.J.等在側向邊界面采用以Dirichlet邊界條件為基礎建立的連續性周期(Periodic)邊界條件，即兩個(一對)側向邊界上所有的變量值對應相等，對山丘與山谷相結合的風場地形上空的大氣邊界流動進行模擬。然而，周期邊界條件要求兩個側向邊界中的源邊界與目標邊界在幾何形狀與網格劃分上必須完全一致，從而實現流動變量從源界面到目標界面的完整映射，這就使得該邊界條件僅適用于典型二維地形下流場的模擬驗證，無法應用在實際的三維復雜地形中。Peralta C.等在側向邊界面采用以Neumann邊界條件為基礎的滑移(Slip)邊界條件，即流體在側向邊界面上的法向速度為零，切向速度與沿邊界面內側第一層網格的切向速度相等，對坐落于海中的陡崖獨立山丘的風場流動進行模擬。然而，滑移邊界條件在機理上不允許流體穿過邊界面，無法反映現實中流體通量的交換，造成流場模擬在邊界區域的不準確性。Balogh M.等在側向邊界面采用Dirichlet與Neumann相結合的對稱(Symmetry)邊界條件，對緩坡獨立山丘周圍的風場進行模擬，在一定程度上減少了計算量，但仍舊對實際流動情況做了相應的簡化而無法反映氣流在邊界的真實狀態。

綜合而言，上述常用的側向邊界條件在計算程序實現上較為簡潔，但是在遇到不規則幾何邊界(如山區、丘陵地帶等復雜地形)時，存在著無法適用導致求解發散，或者使用后無法準確模擬邊界處風場的實際流動狀態，從而對計算域整體的求解準確性造成影響。

發明內容