CN109635317B - 一种高海拔地区cfd仿真地形拓扑方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复杂地形的风场仿真领域，并公开了一种高海拔地区CFD仿真地形拓扑方法。该方法包括：(a)从地理信息系统中获取待研究地形区域中每个离散点对应的高程数据，并转化为实际高程坐标；(b)计算每个离散点的拓扑地形高度；(c)建立平坦地形网络结构，每个离散点的拓扑地形高度插值到平坦地形网络结构中获得拓扑网格模型，然后进行计算流体动力学仿真，以此获得该待研究地形区域的风场分布实现拓扑仿真。通过本发明，更合理的模拟高海拔地区地形风场，简单快捷。

Description

一种高海拔地区CFD仿真地形拓扑方法
技术领域
本发明属于复杂地形的风场仿真领域，更具体地，涉及一种高海拔地区CFD仿真地形拓扑方法。
背景技术
近年来，风力发电作为一种清洁、可再生能源越来越受到重视，而高海拔地区风资源丰富，常常作为风电场的选址地带。风力机作为风力发电的主要设备，其所处地形平均海拔通常在2500m以上，为了准确模拟高海拔地区地形风场环境，在建立实际地形模型时，地形拓扑方法显得尤为重要。
刘新新基于GIS(Geographic Information System，地理信息系统)地形数据建立实际地形模型时从待研究地形区域平缓过渡到地面划分实际地形网格，但当待研究地形区域地形海拔过高时，直接以实际地形高程数据建模进行计算流体动力学仿真(CFD)仿真时会由于海拔高度产生较大的风加速，这与实际不符。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高海拔地区CFD仿真地形拓扑方法，通过构建高海拔地区的拓扑地形高度的关系式，然后根据拓扑地形高度建立待研究地形区域的拓扑模型，最后采用拓扑模型进行CFD仿真，由此解决直接以实际地形高程数据进行建模或者对待研究地形区域进行45°过渡仿真时的误差大与实际不符的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种高海拔地区CFD仿真地形拓扑方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)将待研究地形区域离散为多个离散点，从地理信息系统中获取该待研究地形区域中每个离散点对应的高程数据，将每个离散点对应的高程数据转化为三维坐标，以此获得每个离散点的实际高程坐标；
(b)构建每个所述离散点的拓扑地形高度关于该离散点的实际高程坐标、待研究地形区域的体积和面积的关系式，然后根据步骤(a)获得的每个离散点的实际高度计算每个离散点的拓扑地形高度；
(c)建立平坦地形网络结构，将步骤(b)中获得的每个离散点的拓扑地形高度插值到所述平坦地形网络结构中，以此获得待研究地形区域的拓扑网格模型，将该拓扑网格模型进行计算流体动力学仿真，以此获得该待研究地形区域的风场分布图，即实现该待研究地形区域的拓扑仿真。
进一步优选地，在步骤(b)中，构建每个所述离散点的拓扑地形高度关于该离散点实际高程坐标、待研究地形区域的体积和面积的关系式优选按照下列步骤进行：
(b1)根据待研究地形区域的面积和体积构建体积平均高度的关系式(一)；
(b2)构建拓扑地形高度关于体积平均高度的关系式(二)。
进一步优选地，在步骤(b1)中，所述关系式(一)优选按照下列表达式：
Figure BDA0001846482780000021
其中，∫HidS是待研究地形区域的体积，S是待研究地形区域的面积，Ht是第i个离散点的体积平均高度，i是离散点的数量。
进一步优选地，在步骤(b2)中，所述关系式(二)优选按照下列表达式：
H’i＝Hi-Ht
其中，Hi’是拓扑地形高度，Hi是第i个离散点的实际高程坐标。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过直接从地理信息系统中获取待研究地形区域的高程数据，通过计算拓扑地形高度后在平面网格中进行差值即获得待研究地形区域拓扑网格模型，方法简单，可操作性强；
2、本发明提出的地形拓扑方法与现有的对待研究地形区域进行45°过渡仿真时，模拟获得的风场分布，更加符合实际；相比于直接以实际地形高程数据进行大范围建模仿真时，能大量减少网格数量，提高计算效率；
3、本发明采用待研究地形区域的拓扑地形高度建立拓扑模型，合理建立待研究地形区域拓扑高度，有效解决了由于待研究地形区域海拔高度造成与实际不符的风加速效应。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的拓扑建模的示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的拓扑建模后采用CFD仿真获得的流场速度云示意图；
图3是现有技术中直接以实际地形高程数据进行大范围建模的示意图；
图4是现有技术中对待研究地形区域进行45°过渡建模的示意图
图5是现有技术中直接以实际地形高程数据进行建模后CFD仿真获得的流场速度云示意图；
图6是现有技术中对待研究地形区域进行45°过渡建模后CFD仿真获得的流场速度云示意图；
图7是现有技术建模和本发明的拓扑建模风场的计算结果在最高山顶处风剖面对比图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种高海拔地区CFD仿真地形拓扑方法，该方法包括下列步骤：
1、选取研究地形区域，从GIS地理信息系统中获取研究地形区域的高程数据；利用ArcMap将获取的地形数据转化为可直接调用的x、y、z三维坐标形式的文件。
(1)以假想二维小山丘为例，确定待研究地形区域，如图3中所示的待研究地形区域，待研究地形区域地形山丘最高点实际海拔1500m，在地理空间数据云下载得到ASTERGDEM 30m分辨率数字高程数据。
(2)将下载得到的高程数据导入至ArcMap中，转换成包含x、y、z三维坐标形式的数据文件，以此获取小山丘地形点的实际高程坐标。
2、通过地形拓扑方法，计算拓扑地形高度。
(1)根据本发明提出的体积平均高度法计算待研究地形区域体积平均高度。采用待研究地形区域地形体积比面积求得体积平均高度，以该平均高度作为体积平均高度，关系式如下：
Figure BDA0001846482780000041
式中，∫HidS表示待研究地形区域地形体积，S表示待研究地形区域面积，Ht表示第i个离散点的体积平均高度，i是离散点的数量。本实施例中采用二维模型，此时计算的为面积平均高度。
(2)根据拓扑方法计算拓扑地形高度，具体如下式：
H’i＝Hi-Ht
其中，Hi’是拓扑地形高度，Hi是第i个离散点的实际高程坐标。
3、建立待研究地形区域模型并进行计算流体动力学仿真计算。
(1)设定平坦地形网格的计算域尺寸、网格分辨率、加密区网格尺寸等参数，以此建立平坦地形网格，本实施例中计算域长20km×高15km，水平网格尺寸20m、竖向网格尺寸10m，竖向贴近山体处网格加密，网格尺寸5m；
(2)将步骤2中拓扑计算得到的拓扑地形高度插值到平坦地形网格中，以此建立拓扑后的高海拔地区拓扑地形模型；图1是按照本发明的优选实施例所构建的拓扑建模的示意图，如图1中的
(3)导入至CFD流体计算软件，本实施例中采用Fluent软件进行仿真模拟，模拟时采用均一风速入口，入口风速为V0，图2是按照本发明的优选实施例所构建的拓扑建模后采用CFD仿真获得的流场速度云示意图，如图2所示的按照本发明的方法最终获得的流场速度云结果。
图3是现有技术中直接以实际地形高程数据进行大范围建模的示意图，按照如图3中的方法建立模型后，进行CFD仿真获得的流场速度云示意图分布如图5所示。在实际情况中，风不是直接经过待研究地形区域，而是从足够大的地形范围外逐渐经过待研究地形区域。在图5中，可以看到，选取包含待研究地形区域的足够大范围地形进行模拟，可认为待研究地形区域处的风场可代表实际真实风场情况，虽然符合实际情况，但该模型需包含相比于待研究地形区域较大范围的地形，会使得模型网格数量过大，计算效率过低；
图4是现有技术中对待研究地形区域进行45°过渡建模的示意图，按照如图4中的方法建立模型后，进行CFD仿真获得的流场速度云示意图分布如图6所示，在图6中，山顶处风速明显大于来流风速，风经过山顶后产生的产生风加速效应导致山顶风速增大，结合图2、5和6，可以看到，图6由于地形海拔高度导致风经过山体之后产生过大的风加速，山顶速度明显比图5大，这与实际不符；图2采用地形体积平均高度进行地形拓扑，计算结果有效消除了由于海拔高度造成的过大风加速效应。
图7是现有技术建模和本发明的拓扑建模风场的计算结果在最高山顶处风剖面对比图，如图7所示，对比三种地形拓扑方法计算结果，可以发现直接对待研究地形区域地形进行45°过渡时，由于高海拔造成的过大的山顶风加速效应，使得山顶风速明显偏大，图7中表现为相比于真实情况下的山顶风剖面曲线右移，显然与实际不符。而本发明提出的地形拓扑方法计算结果风剖面曲线与真实结果基本吻合，能有效改善常规地形拓扑方法的不足，体现了该方法的有效性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高海拔地区CFD仿真地形拓扑方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)将待研究地形区域离散为多个离散点，从地理信息系统中获取该待研究地形区域中每个离散点对应的高程数据，将每个离散点对应的高程数据转化为三维坐标，以此获得每个离散点的实际高程坐标；
(b)构建每个所述离散点的拓扑地形高度关于该离散点的实际高程坐标、待研究地形区域的体积和面积的关系式，然后根据步骤(a)获得的每个离散点的实际高度计算每个离散点的拓扑地形高度；
(c)建立平坦地形网络结构，将步骤(b)中获得的每个离散点的拓扑地形高度插值到所述平坦地形网络结构中，以此获得待研究地形区域的拓扑网格模型，将该拓扑网格模型进行计算流体动力学仿真，以此获得该待研究地形区域的风场分布，即实现该待研究地形区域的拓扑仿真；
在步骤(b)中，构建每个所述离散点的拓扑地形高度关于该离散点实际高程坐标、待研究地形区域的体积和面积的关系式按照下列步骤进行：
(b1)根据待研究地形区域的面积和体积构建体积平均高度的关系式(一)；
(b2)构建拓扑地形高度关于体积平均高度的关系式(二)；
在步骤(b1)中，所述关系式(一)；按照下列表达式：
Figure FDA0004041778970000011
其中，∫HidS是待研究地形区域的体积，S是待研究地形区域的面积，Ht是第i个离散点的体积平均高度，i是离散点的数量；
在步骤(b2)中，所述关系式(二)按照下列表达式：
H’i＝Hi-Ht
其中，Hi’是拓扑地形高度，Hi是第i个离散点的实际高程坐标。
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