[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

本發明公開了基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法及系統，屬于大氣風場測量領域，基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法及系統，在進行邊界條件離散時，根據目標區域風速風向的概率分布來進行邊界條件離散，可減少計算工況并節約計算成本，在測風激光雷達實測數據與CFD數據庫匹配前，先根據測風激光雷達實測結果進行分塊處理，充分考慮了實際風場常常出現風速風向轉變情況，在進行CFD數據匹配時，根據反演精度來確定加權系數，提高了匹配精度，充分利用了測風激光雷達測風精度高的特點和CFD模擬風場信息全的特點，彌補了測風激光雷達采樣空間有限，容易受擋的缺點，彌補了CFD難以模擬多變的復雜環境的缺點。

技術領域

本發明涉及大氣風場測量領域，更具體地說，涉及基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法及系統。

背景技術

傳統數值天氣預防方法系統如WRF，常用全球或跨區域的三維風場預報，而針對局部區域（工業園區、城市、機場等）的精細風場建立，是目前很多工程和科學問題的關鍵。例如，惡臭異味污染是指一切能夠通過刺激嗅覺感官從而引起人類心理厭惡感的氣體，它往往是由多種有機物組分構成的混合物，是一種典型的大氣環境污染。惡臭異味污染不僅對人體健康造成傷害，而且對社會穩定和經濟發展都會產生影響。實現工業園區三維風場重建，可用于深入研究化工園區的惡臭異味污染的時空分布特征，并對惡臭異味污染進行溯源和未來軌跡的分析，在經濟和社會效益上都具有重要意義。隨著航空運輸總量的不斷增長，飛機的飛行密度也迅速膨脹，而機場風切變事故也不斷地報道出來，低空風切變嚴重威脅飛行安全。由于風場具有隨機性、變化快等特點，機場三維空間風場建立，對威脅飛機飛行的安全危險事件（風切變、大風、陣風、順風、側風、湍流等）的實時預警和預報具有重大意義。此外，局部三維精細風場的重建和預報，對風力發電場、城市風場、山地風場、橋梁建筑風工程都有重大應用價值。

目前針對局部區域三維風場的實驗測量手段包括探空氣球、風廓線儀、測風激光雷達、地基風速儀等等，但是這探測設備只能對局部的空間的風場采樣，覆蓋面低。雖然遙感測風設備如測風激光雷達能通過掃描來對空間風場進行采樣，但是耗時長、光束常被地表建筑或地形遮擋，且只能獲得較為準確的徑向速度，其他分速度的反演精度有限。現有的探測手段都無法直接獲得局部區域的三維精細風場。計算流體動力學（CFD）模擬通過求解控制流體流動的微分方程，可以模擬精細的風場流動情況，具有成本低，信息全、距離分辨率高和能模擬實際過程中各種狀態的優點，隨著高性能計算機的發展，CFD被廣泛應用于城市風場研究中。而實際風場情況非常復雜，CFD模型的復雜初始條件和邊界條件難以準確獲取，難以適應不同的物理場景，且CFD模擬的計算量大，實時性較差。將探測技術和模擬技術的優缺點結合起來實現三維精細風場重建，具有重大意義。

發明內容

1．要解決的技術問題

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法及系統，它能夠根據測風激光雷達測量數據，結合CFD數據庫，實現局部區域精細風場的重建，可用于機場氣象保障、城市風場、山地風場研究，以及化工園區的污染和異味溯源和擴散追蹤。

2．技術方案

為解決上述問題，本發明采用如下的技術方案。

基于CFD模擬和測風激光雷達的風場重建方法，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；