CN111563349B - 一种微地形风速预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微地形风速预测方法，包括以下步骤：步骤S1:通过solidworks建立待测微地形的理想模型;步骤S2:根据待测微地形的理想模型，确定计算流体力学的控制方程；步骤S3:在质量守恒跟动量守恒的条件下，添加湍流模型使控制方程封闭，进行计算流体力学的控制方程的求解，得到待测微地形湍流特性；步骤S4:设置不同的风向角，并设定对应的边界条件；步骤S5:进行地形抬升型微地形参数的建模，并根据待测地形山脉高度H与山脉底部直径D，得到不同风向角下的最大风速和加速比。本发明可以解决目前输电线抗风设计不标准的问题。

Description

一种微地形风速预测方法
技术领域
本发明涉及流体力学的环境技术领域，具体涉及一种微地形风速预测方法。
背景技术
福建省处于我国的东南沿海，平均每年有2～5个台风在福建沿海登陆，对沿海输电线路造成严重冲击，比如倒塔、断线，直接或间接造成巨大的经济损失。灾后分析原因表明，除了台风风速远超常规设计风速，微地形环境导致的局部地区风速突变也不容忽视。福建台风与山地微地形共同影响下，可能引发杆塔破坏，从而威胁到电网的安全运行。线路沿线地貌复杂多变，气流经过时，该地区地形、地貌将显著改变近地流动风的风速、风压和湍流结构，使得这些地区的风流场呈现与平坦地区较明显的差异，造成风速和风压的分布很不规则。目前基于气象站的实测数据，不足以准确把握山地风场，各级气象站一般位于地势平坦的城镇，气象站周边大量的建筑物对实测数据有一定影响，且常年气象观测数据远低于山地输电线路承受的极端情况，所以各级气象站实测数据，不适合推广应用至各类山地。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微地形风速预测方法，可以解决目前输电线抗风设计不标准的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种微地形风速预测方法，包括以下步骤：
步骤S1:通过solidworks建立待测微地形的理想模型；
步骤S2:根据待测微地形的理想模型，确定计算流体力学的控制方程；
步骤S3:在质量守恒跟动量守恒的条件下，添加湍流模型使控制方程封闭，进行计算流体力学的控制方程的求解，得到待测微地形湍流特性；
步骤S4:设置不同的风向角，并设定对应的边界条件；
步骤S5:进行地形抬升型微地形参数的建模，并根据待测地形山脉高度H与山脉底部直径D，得到不同风向角下的最大风速和加速比。
进一步的，所述计算流体力学的控制方程具体为
质量守恒方程形式为：
Figure RE-GDA0002553960270000021
式中：ρ为密度；t为时间；ui为速度张量；xi为坐标张量；
动量守恒方程在惯性坐标系下，i方向的动量守恒方程为：
Figure RE-GDA0002553960270000022
式中：uj为速度张量；xj为坐标张量；ρgi为重力体积力，p为静压力；Fi为重力质量力和其他质量力；τij是应力张量，定义为：
Figure RE-GDA0002553960270000023
式中：μ为流体粘性系数。
进一步的，所述湍流模型采用标准k-ε模型，具体如下：
湍动能k和耗散率ε的方程如下式:
Figure RE-GDA0002553960270000024
Figure RE-GDA0002553960270000031
式中，k为湍动能；ε为耗散率；Gk表示由平均速度梯度引起的湍动能，Gb表示由于浮力影响引起的湍动能；σk、C1ε、C2ε、C3ε为常系数；μt为湍流粘性系数，且有：
Figure RE-GDA0002553960270000032
进一步的，所述步骤S4具体为：
步骤S41:以45°为一个步长，从0°开始，计算八个角度的风向角；
步骤S42:进行边界条件的设定,当风向角为0°，90°，180°，270°时，将垂直于风向角的侧边界面设置为速度入口，对应的侧边界面为自由出口，剩下的侧面与顶面采用对称面，地面与山体采用壁面；当风向角为45°，135°，225°，315°时，将风向角入口靠近的两个侧面设置为速度入口，另外两个侧面为自由出口，地面与山体采用壁面，顶面采用对称面。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明建立实际微地形的理想模型采用不同风向角进行CFD仿真计算，模拟微地形对风速的加速作用，从而改善杆塔抗风设计取值，可以解决目前输电线抗风设计的执行标准偏低的问题。在铁塔抗风设计时，可以根据不同高度的最大风速和加速比进行不同的优化设计。
附图说明
图1是本发明一实施例中风向角定义图；
图2是本发明一实施例中地形抬升型微地形模型图
图3是本发明一实施例中不同地形气压云图图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种微地形风速预测方法，包括以下步骤：
步骤S1:通过solidworks建立待测微地形的理想模型；
步骤S2:根据待测微地形的理想模型，确定计算流体力学的控制方程；
步骤S3:在质量守恒跟动量守恒的条件下，添加湍流模型使控制方程封闭，进行计算流体力学的控制方程的求解，得到待测微地形湍流特性；
步骤S4:设置不同的风向角，并设定对应的边界条件；
步骤S5:进行地形抬升型微地形参数的建模，并根据待测地形山脉高度H与山脉底部直径D，得到不同风向角下的最大风速和加速比。
在本实施例中，所述计算流体力学的控制方程具体为
质量守恒方程形式为：
Figure RE-GDA0002553960270000041
式中：ρ为密度；t为时间；ui为速度张量；xi为坐标张量；
动量守恒方程在惯性坐标系下，i方向的动量守恒方程为：
Figure RE-GDA0002553960270000042
式中：uj为速度张量；xj为坐标张量；ρgi为重力体积力，p为静压力；Fi为重力质量力和其他质量力；τij是应力张量，定义为：
Figure RE-GDA0002553960270000043
式中：μ为流体粘性系数。
在本实施例中，以东南沿海地区为例，根据提供的台风风剖面，取地表粗糙度指数＝0.12。空气的运动黏度ν＝1.46×105m2/s，雷诺数计算公式为：
Figure RE-GDA0002553960270000044
由此公式可以推算出，当特征长度取中心点高度超过4.38m时的雷诺数远远超出平板外部绕流的临界雷诺数5×105～3×106，此时应采取湍流模型模拟该流场。
所述湍流模型采用标准k-ε模型，具体如下：
湍动能k和耗散率ε的方程如下式:
Figure RE-GDA0002553960270000051
Figure RE-GDA0002553960270000052
式中，k为湍动能；ε为耗散率；Gk表示由平均速度梯度引起的湍动能，Gb表示由于浮力影响引起的湍动能；σk、C1ε、C2ε、C3ε为常系数；μt为湍流粘性系数，且有：
Figure RE-GDA0002553960270000053
在本实施例中，如图1所示，所述步骤S4具体为：
步骤S41:以45°为一个步长，从0°开始，计算八个角度的风向角；
步骤S42:进行边界条件的设定,当风向角为0°，90°，180°，270°时，将垂直于风向角的侧边界面设置为速度入口，对应的侧边界面为自由出口，剩下的侧面与顶面采用对称面，地面与山体采用壁面；当风向角为45°，135°，225°，315°时，将风向角入口靠近的两个侧面设置为速度入口，另外两个侧面为自由出口，地面与山体采用壁面，顶面采用对称面。
，进行地形抬升型微地形参数的建模研究。常见的山体模型轮廓有余弦形、高斯形、三角形等，本发明山脉横断面采用余弦形山体。
在本实施例中，余弦形山体在二维平面内的轮廓表达式为：
Figure RE-GDA0002553960270000054
式中：H为山脉高度；D为山脉底部直径；山脉坡度为2H/D。地形模型如图2 所示。
在本实施例中，改变山脉高度H与山脉底部直径D，研究山脉坡度对风场的影响。山脉高度H与山脉底部直径D的选择为三组，分为为山脉高度100m、山脉底部直径300m和山脉坡度0.66；山脉高度150m、山脉底部直径300m和山脉坡度1；山脉高度200m、山脉底部直径300m和山脉坡度4/3。
在本实施例中，入口风速设置为20m/s，进行仿真模拟，可以得到仿真结果如图3所示。由图3可以提取出最大风速，对于山脉高度150m、山脉底部直径300 m，入口速度为20m/s的地形，在风向角为0°、45°及90°时，得到的最大风速分别为35.79m/s、39.34m/s及25.88m/s，最大风速对应的加速比为1.79、1.97及1.29；对于山脉高度100m、山脉底部直径300m，入口速度为20m/s的地形，在风向角为0°、45°及90°时，得到的最大风速分别为21.19m/s、31.08m/s及34.36m/s，最大风速对应的加速比为1.26、1.55及1.72。
在本实施例中，在得到不同微地形条件下的最大风速以及加速比后，设计杆塔时，就可以根据杆塔所处位置的地形条件与仿真条件进行对比，得到在同样的地形条件下仿真得到的最大风速和加速比，根据不同风向角下的最大风速和加速比，可以对杆塔设计进行抗风设计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种微地形风速预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:通过solidworks建立待测微地形的理想模型；
步骤S2:根据待测微地形的理想模型，确定计算流体力学的控制方程；
步骤S3:在质量守恒跟动量守恒的条件下，添加湍流模型使控制方程封闭，进行计算流体力学的控制方程的求解，得到待测微地形湍流特性；
步骤S4:设置不同的风向角，并设定对应的边界条件；
所述步骤S4具体为：
步骤S41:以45°为一个步长，从0°开始，计算八个角度的风向角；
步骤S42:进行边界条件的设定,当风向角为0°，90°，180°，270°时，将垂直于风向角的侧边界面设置为速度入口，对应的侧边界面为自由出口，剩下的侧面与顶面采用对称面，地面与山体采用壁面；当风向角为45°，135°，225°，315°时，将风向角入口靠近的两个侧面设置为速度入口，另外两个侧面为自由出口，地面与山体采用壁面，顶面采用对称面；
步骤S5:进行地形抬升型微地形参数的建模，并根据待测地形山脉高度H与山脉底部直径D，得到不同风向角下的最大风速和加速比。
2.根据权利要求1所述的一种微地形风速预测方法，其特征在于，所述计算流体力学的控制方程具体为
质量守恒方程形式为：
Figure FDA0003597397890000011
式中：ρ为密度；t为时间；ui为i方向的速度张量；xi为i方向的坐标张量；
动量守恒方程在惯性坐标系下，i方向的动量守恒方程为：
Figure FDA0003597397890000021
式中：uj为j方向的速度张量；xj为j方向的坐标张量；ρgi为重力体积力，p为静压力；Fi为重力质量力和其他质量力；τij是应力张量，定义为：
Figure FDA0003597397890000022
式中：μ为流体粘性系数。
3.根据权利要求2所述的一种微地形风速预测方法，其特征在于，所述湍流模型采用标准k-ε模型，具体如下：
湍动能k和耗散率ε的方程如下式:
Figure FDA0003597397890000023
Figure FDA0003597397890000024
式中，k为湍动能；ε为耗散率；Gk表示由平均速度梯度引起的湍动能，Gb表示由于浮力影响引起的湍动能；σk、C1ε、C2ε、C3ε为常系数；μt为湍流粘性系数，μ为流体粘性系数,且有：
Figure FDA0003597397890000025
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