CN107885964A - 一种顾及复杂地形的风能cfd模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顾及复杂地形的风能CFD模拟方法，通过建立三维模型模拟风能的分布情况，采用CFD数值模拟复杂山地地形中的风能分布，具有省时、经济、高效的特点，由于流场的模拟准确程度将直接影响到风电场建成后的效益问题，进一步降低了风电场的建设成本，而且使风电场的选址更加准确，提高后期经济效益。
Description
技术领域
本发明属于风能模拟领域，更具体地说，尤其涉及一种顾及复杂地形的风能CFD模拟方法。
背景技术
现有的风能资源的评估方法虽然能解决部分地形的风能评估，但该方法并不适用于复杂山地地形风场，位于复杂地形中风电场的风能评估难点在于风力发电机的微观选址，这需要对场地中风速分布有完整、详实的准确估计，目前获取复杂地形中风场分布情况的方法主要有2类：(1)现场实测，在现场关键位置安装测风塔，开展1-3年风速、风向的连续观测后,进行风资源的评估，现场实测能够真实反映现场的风资源状况，在风电场前期建设中必不可少，但限于测风塔数量,对风机微观选址的帮助有限；(2)风洞试验，建立复杂地形的缩尺模型，在大气边界层风洞中测量风场分布，综合考虑费用、周期以及试验精度，风洞试验较之现场实测方法并不具明显优势，因此常用于典型地形的风场验证研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种顾及复杂地形的风能CFD模拟方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种顾及复杂地形的风能CFD模拟方法，包括如下步骤：
S1、山地地形模型的边界基于地理信息系统的数据建立，在该场地的上下游截取了足够的区域以确保计算域中大气湍流的充分发展，采用了六面体结构化网格系统，对于没有突兀的凸起或者凹陷的边界条件，结构化网格生成速度快，网格倾斜率小，计算收敛迅速，结果精确；
S2、通过流场的控制方程采用有限体积法离散，并加入低雷诺数流动粘性的解析公式，提高了近壁区域流场的精度，离散后的非线性方程组的求解采用不可压缩低速流动的全隐式分离求解器；
S3、地面采用无滑移边界条件，引入非平衡壁面函数近似求解壁面湍流边界层，既节省了近壁面的网格量又保证了壁面边界层流动的精度；
S4、建立不同的三维山地模型，数量不少于3个，分别在不同的三维山地模型上进行模拟，并采用与三维模型相同的分析方式，对目标山地前后外延尺寸，水平过渡高度和过渡形式，并为实际地形计算域的选取与边界处理提供依据；
S5、选取实际山地地形，测量选取的山地风资源数据，根据模型，选择合适的计算域，对边界选取相应的过渡形式，进行CFD模拟，研究分析出数据与所测量的山地风资源数据进行对比，根据数据差异，修整所建模型，使根据模型得出的结果更加准确；
S6、对目标地形进行参数设置，输入合适的计算域，并选取相应的过渡形式，通过CFD模拟，分析得出目标地形的风资源分布。
优选的，S1中为比较水平方向上的网格分辨率对计算精度的影响，在水平方向的网格分辨率选择了两种方案进行对比分析，间距分别为20m和40m，在垂直高度方向，统一划分为70段，其中第1层网格高度按照所使用的标准壁面函数要求设定，网格间距沿高度等比递增。
优选的，S5山地风资源数据测量选取时的环境条件均为晴朗天气，且无雾、无露，避免环境影响模拟结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用CFD数值模拟复杂山地地形中的风能分布，具有省时、经济、高效的特点，由于流场的模拟准确程度将直接影响到风电场建成后的效益问题，进一步降低了风电场的建设成本，而且使风电场的选址更加准确，提高后期经济效益。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种顾及复杂地形的风能CFD模拟方法，包括如下步骤：
S1、山地地形模型的边界基于地理信息系统的数据建立，在该场地的上下游截取了足够的区域以确保计算域中大气湍流的充分发展，采用了六面体结构化网格系统，对于没有突兀的凸起或者凹陷的边界条件，结构化网格生成速度快，网格倾斜率小，计算收敛迅速，结果精确；
S2、通过流场的控制方程采用有限体积法离散，并加入低雷诺数流动粘性的解析公式，提高了近壁区域流场的精度，离散后的非线性方程组的求解采用不可压缩低速流动的全隐式分离求解器；
S3、地面采用无滑移边界条件，引入非平衡壁面函数近似求解壁面湍流边界层，既节省了近壁面的网格量又保证了壁面边界层流动的精度；
S4、建立不同的三维山地模型，数量不少于3个，分别在不同的三维山地模型上进行模拟，并采用与三维模型相同的分析方式，对目标山地前后外延尺寸，水平过渡高度和过渡形式，并为实际地形计算域的选取与边界处理提供依据；
S5、选取实际山地地形，测量选取的山地风资源数据，根据模型，选择合适的计算域，对边界选取相应的过渡形式，进行CFD模拟，研究分析出数据与所测量的山地风资源数据进行对比，根据数据差异，修整所建模型，使根据模型得出的结果更加准确；
S6、对目标地形进行参数设置，输入合适的计算域，并选取相应的过渡形式，通过CFD模拟，分析得出目标地形的风资源分布。
具体的，S1中为比较水平方向上的网格分辨率对计算精度的影响，在水平方向的网格分辨率选择了两种方案进行对比分析，间距分别为20m和40m，在垂直高度方向，统一划分为70段，其中第1层网格高度按照所使用的标准壁面函数要求设定，网格间距沿高度等比递增。
具体的，S5山地风资源数据测量选取时的环境条件均为晴朗天气，且无雾、无露，避免环境影响模拟结果。
通过建立三维模型模拟风能的分布情况，采用CFD数值模拟复杂山地地形中的风能分布，具有省时、经济、高效的特点，由于流场的模拟准确程度将直接影响到风电场建成后的效益问题，进一步降低了风电场的建设成本，而且使风电场的选址更加准确，提高后期经济效益。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种顾及复杂地形的风能CFD模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、山地地形模型的边界基于地理信息系统的数据建立，在该场地的上下游截取了足够的区域以确保计算域中大气湍流的充分发展，采用了六面体结构化网格系统，对于没有突兀的凸起或者凹陷的边界条件，结构化网格生成速度快，网格倾斜率小，计算收敛迅速，结果精确；
S2、通过流场的控制方程采用有限体积法离散，并加入低雷诺数流动粘性的解析公式，提高了近壁区域流场的精度，离散后的非线性方程组的求解采用不可压缩低速流动的全隐式分离求解器；
S3、地面采用无滑移边界条件，引入非平衡壁面函数近似求解壁面湍流边界层，既节省了近壁面的网格量又保证了壁面边界层流动的精度；
S4、建立不同的三维山地模型，数量不少于3个，分别在不同的三维山地模型上进行模拟，并采用与三维模型相同的分析方式，对目标山地前后外延尺寸，水平过渡高度和过渡形式，并为实际地形计算域的选取与边界处理提供依据；
S5、选取实际山地地形，测量选取的山地风资源数据，根据模型，选择合适的计算域，对边界选取相应的过渡形式，进行CFD模拟，研究分析出数据与所测量的山地风资源数据进行对比，根据数据差异，修整所建模型，使根据模型得出的结果更加准确；
S6、对目标地形进行参数设置，输入合适的计算域，并选取相应的过渡形式，通过CFD模拟，分析得出目标地形的风资源分布。
2.根据权利要求1所述的一种顾及复杂地形的风能CFD模拟方法，其特征在于：S1中为比较水平方向上的网格分辨率对计算精度的影响，在水平方向的网格分辨率选择了两种方案进行对比分析，间距分别为20m和40m，在垂直高度方向，统一划分为70段，其中第1层网格高度按照所使用的标准壁面函数要求设定，网格间距沿高度等比递增。
3.根据权利要求1所述的一种顾及复杂地形的风能CFD模拟方法，其特征在于：S5山地风资源数据测量选取时的环境条件均为晴朗天气，且无雾、无露，避免环境影响模拟结果。
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