[發明專利]基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法及系統

有效

• 申請號: 202211362731.1
• 申請日: 2022-11-02
• 公開（公告）號: CN115408962B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 袁金龍;夏海云;舒志峰;董晶晶
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F16/21;G06T17/20;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳國強

1.基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法，其特征在于：包括以下步驟：

S1、根據局部區域的地形和建筑，進行網格劃分，對計算域進行離散化，建立CFD模型；

S2、根據測風激光雷達歷史探測數據和當地氣象日志，統計出計算域的風速風向概率密度分布；

S3、對CFD模型的邊界條件進行離散化，覆蓋所有可能出現的來流條件，對風速風向概率密度分布大的工況進行加密離散化，建立CFD數據庫；

在進行邊界條件離散時，對風速風向概率密度分布大的工況進行加密離散化處理；對于風速風向概率密度低的情況，設置梯度更稀疏的計算工況；僅保留目標區域網格節點位置(x,y,z)和風場數據（u,v,w）,x為水平方向坐標、y側向坐標，z為豎直方向坐標，u為南北方向分速度、v東西分速度、w為豎直分速度，并記錄目標區域的平均風速；

S4、測風激光雷達進行不同仰角的實時PPI掃描，反演出徑向風速、水平風速和風向，根據風速風向對計算域的風場進行分塊處理（V1，V2...Vn）,對每個分塊分別匹配出最接近的CFD數據庫，對于均勻風場則直接匹配不需要分塊處理；

S5、多源數據融合，用匹配的數據庫，填補激光雷達盲區和其未為探測區域的風場結果，從而獲得整個計算域內的完整的精細三維風場數據S0；

S6、根據雷達實測邊界條件和三維風場S0作為初始場，激活CFD模擬程序可對未來三維風場分布進行預測。

2.根據權利要求1所述的基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法，其特征在于：S1中，所述CFD模型包括計算網格、邊界條件、計算域、湍流模型和CFD求解器。

3.根據權利要求2所述的基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法，其特征在于：所述CFD模型的計算域為圓柱形，下邊界為無滑移壁面邊界條件，上邊界條件為對稱邊界條件，前方來流為速度入口。

4.根據權利要求1所述的基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法，其特征在于：S2中，通過當地氣象局獲得氣象日志中風速風向數據。

5.根據權利要求1所述的基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法，其特征在于：S2中，通過提前布置測風激光雷達進行長期觀測試驗，統計出目標區域的風速風向概率密度分布。

6.根據權利要求1所述的基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法，其特征在于：S4中，對于存在風速風向突變、陣風情況下，不同區域的風場流入情況不同，此時則根據目標區域的風速和風向分布進行分塊處理，相鄰距離門風速差異小于第一閾值W1且風向差異小于第二閾值D1，分類為同一塊區域，將探測區域分為（V1，V2...Vn），對每個分塊分別匹配出最接近的CFD數據庫（C1，C2...Cn）；

罰函數為：

其中：

其中，/和/分別為分速度項和徑向速度項，/和/為對應的加權系數，/，/，/和/分別為雷達反演的南北方向分速度、東西方向分速度，豎直方向分速度和徑向速度，/，和/分別為CFD模擬數據庫中的南北方向分速度、東西方向分速度和豎直方向分速度，/和/分別為方位角和俯仰角，/為網格節點三維坐標的標號；

所示加權系數和/由雷達反演的南北方向分速度、東西方向分速度，豎直方向分速度和徑向速度的反演精度決定，反演精度越高，則對應的加權系數應設置的越大。

7.根據權利要求1所述的基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法，其特征在于：S5中，所述完整的精細三維風場數據S0包括實測風場數據和CFD模擬數據，所述完整的精細三維風場數據S0中有實測風場數據計算網格節點，直接保留實測數據，沒有實測風場數據的計算網格節點，則采用匹配的CFD模擬數據。

8.應用于如權利要求1-7任一所述的基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法的系統，其特征在于：包括：

CFD模型模塊，用于根據目標區域的地形和建筑的幾何參數建立目標區；

CFD數據庫建立模塊，根據目標區域的風速風向分布的概率分布，對CFD邊界條件進行離散化，并分別求解這些計算工況，批量輸出節點坐標和風速，建立目標區域的CFD風場數據庫；

風場實時采集模塊，基于測風激光雷達實時對目標區域的風場進行采樣；

CFD數據庫匹配模塊，用于實測數據和CFD數據庫匹配；

多源數據融合模塊，用于實測數據和CFD模擬數據的融合；

三維風場預測模塊，基于初始場，求解未來風場變化。