[發明專利]一種復雜地形風場數值模擬的入流條件生成方法及系統

在審

• 申請號: 202110998569.1
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113657055A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 韓毅;趙勇;宋子琛;童博;王新;王冰佳;張歡
• 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;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 馬貴香

本發明一種復雜地形風場數值模擬的入流條件生成方法及系統，該方法包括將穩態下的流動統計變量輪廓線進行采樣后，映射至復雜地形風場所在主模擬區域的入流邊界面處，在主模擬區域進行流場模擬計算；將主模擬區域內代表性測風塔處的模擬風速與實測平均風速進行對比；根據模擬風速與實測平均風速進行對比后的差值，反饋修正前導模擬的驅動風速參數，進而生成主模擬區域的穩態入流邊界條件；拓展至大渦模擬類大氣湍流模式，建立非定常瞬態風速的時間序列數據庫，并以此生成主模擬區域的瞬態風速入流邊界條件。本發明克服了現有的簡化型入流邊界條件對整個風場區域流動模擬精度與不確定度的影響，建立了適用于不同大氣湍流模式下的入流條件生成方法。

技術領域

本發明屬于計算流體力學技術領域，具體涉及一種復雜地形風場數值模擬的入流條件生成方法及系統。

背景技術

風資源儲量豐富，潛在、在建與現役的大型陸上風電場大多坐落于山地、丘陵、高原等復雜地形下的風能聚集區域。計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術作為現代計算技術賀大氣動力學相結合的一種流體力學數值求解模式，已成為復雜地形區域風電項目開發過程中風能資源評估環節的重要工具。

風電場所在區域風資源模擬計算的幾何建模范圍，通常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(1至2公里量級)形成的六面體區域。在風場的數值模擬中，需要在六個邊界面處對風速、氣壓等流動變量的邊界條件進行合理的設置，從而確保流動控制方程在計算區域內的可解性。研究表明，作為整場大氣流動模擬的驅動因子，入流界面處風速邊界條件的生成方法直接影響著風場區域內風況模擬與風資源預測的精確度。

目前，風資源工程計算中有關復雜地形風場流動CFD數值模擬在入流界面處的風速邊界條件，主要是基于求解流體力學控制方程組(即Navier-Stokes方程組)中的第一類邊界條件(Dirichlet邊界條件)進行直接或修正使用：(1)在整個入流邊界面上的平均風速和風速標準差(或湍流強度)被賦予為固定值；(2)入流邊界面上的平均風速設置為離地高度的空間函數，即平均風速值隨高度的變化符合大氣風速對數廓線(Logarithmicvelocity profile)理論模型，并給定合適量級的風速標準差(或湍流強度)。

綜合而言，上述入流邊界條件的設置方法在計算程序實現上較為便捷，但是當風場所在區域地形地貌較為復雜和崎嶇，其入流界面底邊為不規則幾何邊界時，風電場入流區域的實際風速在豎直方向的分布并非恒定值，或者并非完全符合大氣對數風廓線理論模型，使用上述入流條件設置方法存在著對實際入流風況的過度簡化問題，導致無法正確反映入流邊界處實際的流動統計狀態，對計算區域內風速求解的準確性造成影響；同時，使用均一化的平均風速與風速標準差邊界條件設定方式時，難以對風場區域內代表性測風塔實地測得的風統計數據進行復現，在一定程度上增加了目標區域內的風資源模擬預測的不確定度。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種復雜地形風場數值模擬的入流條件生成方法及系統，該方法在求解山地、丘陵等復雜地形地貌上空大氣流動時，通過利用前導模擬迭代方式與風場所在區域測風塔實測統計數據進行對比，反饋修正入流邊界面處的流動變量邊界條件，克服了現有的簡化型入流邊界條件對整個風場區域流動模擬精度與不確定度的影響。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種復雜地形風場數值模擬的入流條件生成方法，包括以下步驟：

將以雷諾平均類大氣湍流模式進行前導模擬得到的穩態下流動統計變量輪廓線進行采樣后，映射至復雜地形風場所在主模擬區域的入流邊界面處，進行主模擬區域的流場模擬計算；

將主模擬區域內代表性測風塔處的模擬風速與實測平均風速進行對比；根據模擬風速與實測平均風速的對比結果，反饋修正前導模擬的驅動風速參數，進而生成主模擬區域的穩態入流邊界條件；