CN116341410B - 一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法及系统 - Google Patents

一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法及系统，方法包括：获取典型地形的目标地形数据；根据目标地形数据生成典型地形的三维数字模型，其中，三维数字模型为连续的封闭曲面，且三维数字模型上的每一个坐标点均有切线和法线；根据三维数字模型生成典型地形的三维空间网格模型；根据边界条件、控制方程确定用于仿真计算的大气CFD模式；其中，用于确定第一边界条件的步骤包括：获取典型地形的大气观测数据；根据大气观测数据确定风廓线模型、壁面函数；通过数值仿真方法对典型地形结构网格模型进行仿真以计算得到典型地形的风场数据。本发明可以有效提高对连续丘陵等复杂地形进行风场模拟的准确性。

Description

一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法及系统
技术领域
本发明涉及风场模拟技术领域，具体涉及一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法及系统。
背景技术
现有的风场模拟方法一般有大气模式和CFD模拟两种模拟方式，随着当前对于风场模拟精准度要求的进一步提高，还提出了一种将大气模式和CFD模拟进行耦合的风场模拟方法。然而，申请人发现大气模式和CFD模拟的耦合过程实际上也产生了许多新的问题。例如，两种模式相耦合之后将涉及到计算数据量的增大(由此对计算机的算力提出更高的要求)、参数调节难度增大甚至还可能引入新的误差影响仿真准确性等等。
例如，专利申请公布号为CN112685977A的中国发明专利申请，其公开了一种风电场风资源非定常数值模拟方法和装置。该模拟方法在面对复杂地形(例如，连续丘陵、连续平原或者复杂山地时)的多变天气状况时，将难以对边界条件进行准确地计算或设定(例如，该专利中的边界条件-风廓线计算的准确度较低)。又例如，专利申请公布号为CN112241612A的中国发明专利申请，其公开了一种考虑大气热稳定性的风资源评估综合计算外推方法。该方法在面对复杂地形的多变天气状况时，同样难以获取到准确的边界条件，进而在后续的仿真过程中也将存在难以规避的误差。
又例如，专利申请公布号为CN115618756A的中国专利申请，其公开了一种基于测风数据优化模型的复杂地形风资源计算方法。该方法在风场模拟的边界设置中单一地考虑了大气热稳定度的影响，难以真实地反应出复杂地形的多变天气(例如，晴天、阴雨天等等)对于风场变化的影响。
因此，亟需一种能够对大气模式和CFD模拟进行准确耦合的风场模拟方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法及系统，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够提高仿真效率和准确性。
为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：
本发明的第一方面，在于提供一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法，包括步骤：
S101获取典型地形的目标地形数据，所述目标地形数据包括：所述典型地形的坐标点数据；
S102根据所述目标地形数据生成所述典型地形的三维数字模型，其中，所述三维数字模型为连续的封闭曲面，且所述三维数字模型上的每一个坐标点均有切线和法线；
S103根据所述三维数字模型生成所述典型地形的三维空间网格模型；
S104根据边界条件、控制方程确定用于仿真计算的大气CFD模式；
其中，所述边界条件包括：第一边界条件，用于确定所述第一边界条件的步骤包括：
S401获取所述典型地形的大气观测数据；
S402根据所述大气观测数据确定所述第一边界条件，所述第一边界条件包括：风廓线模型，以及壁面函数；其中，
当所述典型地形处于中性条件时，所述风廓线模型为：
当所述典型地形处于非中性条件时，所述风廓线模型为：
其中，u*为地表摩擦速度，κ为卡门常数，z为网格的竖直高度，z0为地表粗糙度，L为莫宁-奥布霍夫长度，Ψm为反应所述典型地形稳定条件的特征函数；
S105采用数值仿真方法根据所述CFD模式和所述三维空间网格模型对所述典型地形进行风场模拟，以计算得到所述典型地形的风场数据。
在一些实施例中，S402包括：
根据所述大气观测数据计算所述典型地形的特征参数，所述特征参数包括：典型地形的大气稳定度、地表粗糙度、地表摩擦速度以及湍流混合长度；
根据所述大气稳定度选定所述风廓线模型，并分别将所述地表粗糙度、所述地表摩擦速度输入所述风廓线模型，将所述地表粗糙度、所述地表摩擦速度以及所述湍流混合长度输入所述壁面函数，从而确定所述第一边界条件。
在一些实施例中，所述大气观测数据包括：典型地形的测风数据，所述测风数据包括：风速、风向、温度；
在一些实施例中，所述大气观测数据包括：所述典型地形的中尺度数据。
在一些实施例中，所述壁面函数包括：
用于定义所述三维空间网格模型的第一层网格的壁面函数：
用于表征速度的壁面切应力模型；其中，所述切应力模型：
其中，z为网格的竖直高度，uτ0为壁面的摩擦速度，z0为地表粗糙度，κ为卡门常数；ρ为当地空气密度，Cμ是湍流模型参数，Δz为从网格单元底面到网格单元中心zp的距离。
在一些实施例中，所述控制方程为：
其中，ρ为典型地形处的空气密度；t为时间；Ui为第i个方向的速度分量，Uj为第j个方向的速度分量，其中，U1＝u,U2＝v；xi为笛卡尔坐标系中的第i个方向，xj为笛卡尔坐标系中的第j个方向；Sv为源项；σθ为温度的施密特数；θ为位势温度；μ为流体动力粘度；μt为湍流涡粘；为z处的静压；fc为科氏力系数；M为干燥空气的平均摩尔质量；P0为标准大气压；R为通用气体常数；gz为z处的重力加速度；θ0为参考点温度。
在一些实施例中，所述边界条件还包括：第二边界条件，且所述第二边界条件包括：被设定为对称边界条件的顶部边界条件、被设定为自由压力出口的出口边界条件以及被设定为k-ε模型的地形面；
所述k-ε模型为：
其中；κ为卡门常数；t为时间；xi为笛卡尔坐标系中的第i个方向；μt为湍流涡粘；σk、σε分别为湍动能k和耗散度ε的施密特数；Pk为湍动能k的剪切产生速率；Ui为第i个方向的速度分量；B、D为修正项；ε是湍动能耗散率；Cε1、Cε2为常数系数。
在一些实施例中，S103包括：
S31通过网格划分方法将所述三维数字模型转化为所述典型地形的三维空间网格模型，其中，所述典型地形包括以下一种或多种：连续平原、连续丘陵、山地；
S32对S31中的所述三维空间网格模型的至少一侧边缘进行延拓以生成过渡网格区，且所述过渡网格区为用于模拟平坦地形的网格模型，所述至少一侧边缘为S31中的所述三维空间网格模型的第一风入口侧和/或第一风出口侧。
在一些实施例中，所述风场数据包括：所述典型地形中若干坐标点的仿真合风速；相应地，所述方法还包括步骤：
S106获取所述第一风入口侧、所述第一风出口侧的第一仿真合风速、第二仿真合风速；
S107判断所述第一仿真合风速、第二仿真合风速与对应的准确合风速的差值是否属于预设的第一阈值范围；若否，则对所述三维空间网格模型和/或所述边界条件进行修正，并再次执行S105；
其中，所述准确合风速为预先获取的所述第一风入口侧、第一风出口侧的准确风场数据。
在一些实施例中，在对所述三维网格模型和/或所述边界条件进行修正的步骤之前，还包括：
分别获取所述过渡网格区的第二风入口侧、第二风出口侧所对应的第三仿真合风速、第四仿真合风速；
判断所述第三仿真合风速、第四仿真合风速的差值是否属于预设的第二阈值范围，若是，则在S107中对所述三维空间网格模型进行修正，若否，则在S107中对所述边界条件进行修正。
本发明第二方面还提供了一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟系统，包括：
地形数据获取模块，被配置为用于获取典型地形的目标地形数据，所述目标地形数据包括：所述典型地形的坐标点数据；
数字模型生成模块，被配置为用于根据所述目标地形数据生成所述典型地形的三维数字模型，其中，所述三维数字模型为连续的封闭曲面，且所述三维数字模型上的每一个坐标点均有切线和法线；
网格模型生成模块，被配置为用于根据所述三维数字模型生成所述典型地形的三维空间网格模型；
大气CFD模式确定模块，被配置为用于根据边界条件、控制方程确定用于仿真计算的大气CFD模式；
其中，所述边界条件包括：第一边界条件，用于确定所述第一边界条件的步骤包括：
获取所述典型地形的大气观测数据；
根据所述大气观测数据确定所述第一边界条件，所述第一边界条件包括：风廓线模型，以及壁面函数；其中，
当所述典型地形处于中性条件时，所述风廓线模型为：
当所述典型地形处于非中性条件时，所述风廓线模型为：
其中，u*为地表摩擦速度，κ为卡门常数，z为网格的竖直高度，z0为地表粗糙度，L为莫宁-奥布霍夫长度；
仿真模块，被配置为用于采用数值仿真方法根据所述CFD模式和所述三维空间网格模型对所述典型地形进行风场模拟，以计算得到所述典型地形的风场数据。
有益技术效果：
为了能够应对典型地形的复杂大气环境变化，本发明提出了一种适用于典型地形的大气-CFD模式复杂风场计算方法。首先，本发明通过采用数字模型生成网格模型的网格生成路线，提供一种便于在大气-CFD模式中进行参数调整(如网格加密、过渡区延长等操作)的新型网格模型。同时，本发明针对该新型网格模型以及典型地形大气环境复杂多变的特点提出了一种适应性的边界条件设定模式(例如，提出了新的风廓线等边界条件的设定方案)，将大气稳定度引入到CFD数值仿真过程中，提高了计算模型的准确性。
进一步地，本发明针对这一新型的耦合方式还提供了一种提高数值仿真准确性的网格调整方式，即对网格模型进行延拓以及局部加密。并且，在提高仿真准确性的基础之上，延拓区域(也即过渡区)还可以对边界条件的合格性/准确性进行快速验证，以在第一时间向工程人员给出最优的调整建议，提高仿真全程的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1a为本发明一示例性实施例中的方法流程示意图；
图1b为本发明一具体实施例中的方法流程示意图；
图2为一连续丘陵的网格拓展模型示意图；
图3为本发明一示例性实施例中网格拓展模型的核心区、过渡区的分区示意图；
图4为图2所示网格拓展模型的网格竖直方向分布示意图；
图5为真实数据、基于本发明所提供方法获取的仿真数据与现有商业CFD软件仿真数值的对比图；
图6为本发明一示例实施例中的系统装置示意图。
附图标记标识汇总：
10为过渡区，20为核心区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
本文中，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”、“后”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本文中“和/或”包括任何和所有一个或多个列出的相关项的组合。
本文中“多个”意指两个或两个以上，即其包含两个、三个、四个、五个等。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
如在本说明书中使用的，术语“大约”，典型地表示为所述值的+/-5％，更典型的是所述值的+/-4％，更典型的是所述值的+/-3％，更典型的是所述值的+/-2％，甚至更典型的是所述值的+/-1％，甚至更典型的是所述值的+/-0.5％。
在本说明书中，某些实施方式可能以一种处于某个范围的格式公开。应该理解，这种“处于某个范围”的描述仅仅是为了方便和简洁，且不应该被解释为对所公开范围的僵化限制。因此，范围的描述应该被认为是已经具体地公开了所有可能的子范围以及在此范围内的独立数字值。例如，范围的描述应该被看作已经具体地公开了子范围如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及此范围内的单独数字，例如1，2，3，4，5和6。无论该范围的广度如何，均适用以上规则。
名词释义：
本文中，大气稳定度(Atmospheric stability)为叠加在大气背景场上的扰动能否随时间增强的量度。也指空中某大气团由于与周围空气存在密度、温度和流速等的强度差而产生的浮力使其产生加速度而上升或下降的程度。例如，大气稳定度可以分为中性条件和非中性条件(也即稳定条件、不稳定条件)。
本文中，“大气CFD模式”指的是在对典型地面进行数值仿真或模拟计算的过程中，所需要仿真或模拟的环境条件(或者说，限制条件)。换句话说，“大气CFD模式”实际上为用于对三维空间网格模型进行数值仿真所需要的多个限制条件(例如，边界条件、控制方程等)的集合或耦合。例如，大气CFD模式为与所述典型地面对应的风廓线模型、壁面函数、顶部边界条件、出口边界条件、地形面模型等的集合。
本文中，数值仿真方法，也被称为数值模拟方法或数值分析方法。其中，数值仿真方法一种定量分析方法，其通过建立某一过程或某一系统的模式(例如，适用于当前风场求解问题的控制方程)，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件(例如，由决策者的边界条件)的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供关于这一过程或系统的定量分析结果(例如，求解出各个位置处的风场数据，如风速等)，作为决策的理论依据。例如，本发明的数值仿真过程如下：首先控制方程为一组偏微分方程组，基于离散数学方法对该偏微分方程组进行离散求解，首先将计算空间进行几何离散(生成空间离散网格)；在空间网格上，对控制方程进行时间离散和空间离散，控制方程的离散采用隐式的有限体积法，对无坐标变换的方法，使用斜网格修正方法修正斜网格对结果的影响；求解时采用修正QUICK类迎风类格式保证格式在边界区域的精度，并用压力修正算法迭代求解修正压力和修正速度，最后收敛得到典型地形的风场结果，包括风矢量、压力等。离散后得到一系列代数方程组，可以通过迭代的方法进行求解，收敛后得到该组控制方程的数值解。
下面对本发明的数值仿真过程中所涉及的主要参数进行说明：
z为竖直高度；
uτ0是壁面的摩擦速度；
z0是地表粗糙度；
κ是卡门常数；
τ0是壁面切应力；
ρ为当地空气密度；
zp为单元中心；
Δz是从单元底面到单元中心zp的距离；
k是湍动能；
Pk为湍动能k的剪切产生速率；
u*是地表摩擦速度；
Cμ是湍流模型参数；
ε是湍动能耗散率；
t是时间；
ρk、σε分别为湍动能k和耗散度ε的施密特数；
xi是指笛卡尔坐标系中的第i个方向，例如，x轴方向，y轴方向，z轴方向(或垂向)；
Ui是指第i个方向的速度分量，Ui(U1＝u,U2＝v,U3＝w)；
B、D是修正项；
Cε1和Cε2为常数；
μt为湍流涡粘；
ρ0、gz分别为空气标准密度和z处的重力加速度；
为z处的静压；
lt为混合长度；
le为全局长度；
αB为稳定相关系数；
Rig为理查德数；
G为地转风速；
fc为科氏力系数；
α为系数；
θ0为参考点温度；
μ为流体动力粘度；
θ为位势温度；
CP为干燥空气比热容；
σθ为温度的施密特数；
M为干燥空气的平均摩尔质量；
R为通用气体常数；
P0为标准大气压；
Sv为源项。
实施例一
如图1a-图5所示，为了提高大气模式与CFD模拟两种方式在耦合过程的准确性与有效性，本发明第一方面提供了一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法，包括步骤：
S101获取典型地形的目标地形数据，所述目标地形数据包括：所述典型地形的坐标点数据。
在一些实施例中，典型地形为连续丘陵或连续平原。
例如，在一些实施例中，S101包括步骤：选取典型地形的原始地形数据(例如，原始地形数据可以包括连续丘陵和平原的具体经度和纬度)。随后，将所得到的经度和纬度输入到地理信息系统GIS软件中，根据需要计算的风场长度(或者说，所需计算的风场区域，可以由工程人员根据实际需求自行设定)，获得目标地形数据。
或者，在另一些实施例中，也可以直接从各类商用地图软件、网站中下载得到典型地形的目标地形数据。
S102根据所述目标地形数据生成所述典型地形的三维数字模型(本文中也简称为“数字模型”)，其中，所述三维数字模型为连续的封闭曲面，且所述三维数字模型上的每一个坐标点均有切线和法线。
S103根据所述三维数字模型生成所述典型地形的三维空间网格模型(本文中也简称为“网格模型”)。
本发明实施例中，采用先生成数字模型再生成网格模型的网格生成路径，最终生成得到具有连续的封闭曲面且参数易调节的网格模型。因此，本发明实施例在大气模式和CFD模拟的耦合过程中，可以更为便捷地对网格模型进行快速调整(例如，执行网格加密等操作)。
例如，在一些实施例中，首先将所获取到的目标地形数据导入到实体软件(如三维实体造型软件等数值仿真软件)中生成三维网格stl格式文件。随后，将所得的三维网格stl文件导入到网格划分软件中，按照核心区20和过渡区10分类处理并输出三维结构网格文件(如图3所示)，以获得三维空间网格模型。
S104根据边界条件、控制方程确定用于仿真计算的大气CFD模式。其中，大气CFD模式即为数值仿真过程中的输入条件。
优选地，在一些实施例中，所述边界条件包括：第一边界条件，用于确定所述第一边界条件的步骤包括：
S401获取所述典型地形的大气观测数据；
S402根据所述大气观测数据确定所述第一边界条件，所述第一边界条件包括：风廓线模型，以及壁面函数。
优选地，在一些实施例中，当所述典型地形处于中性条件时，所述风廓线模型为：
当所述典型地形处于非中性条件(例如，包括稳定和不稳定条件)时，对莫宁-奥布霍夫相似理论进行修正以提出一种新的风廓线模型：
其中，u*为地表磨擦速度，κ为卡门常数，z为网格的竖直高度，z0为地表粗糙度，L为莫宁-奥布霍夫长度。
或者，在另一些实施例中，当所述典型地形为地势起伏相对较小或者气候环境相对简单的地形区域时，也可以直接采用模型
进一步地，在一些实施例中，当大气稳定度属于不稳定条件时：
Ψ_m＝2ln((1+x)/2)+ln((1+x^2)/2)-2arctan(x)+π/2，
x＝(1-16z/L)1/4；
进一步地，在一些实施例中，当大气稳定度属于稳定条件时：
其中a＝5，A＝1，B＝2/3，C＝5，D＝0.35，其余参数已在上文说明。
为了实现与S103步骤中所得网格模型的准确耦合，本发明实施例中在面对典型地形的中性条件、非中性条件提出了针对性的风廓线模型，以保证大气模式与CFD模式耦合过程中边界条件的准确性和有效性。
S105采用数值仿真方法根据所述CFD模式和所述三维空间网格模型对所述典型地形进行风场模拟，以计算得到所述典型地形的风场数据。
进一步地，在一些实施例中，S402包括：
根据所述大气观测数据计算所述典型地形的特征参数，所述特征参数包括：典型地形的大气稳定度、地表粗糙度、地表摩擦速度以及湍流混合长度；
将根据所述大气稳定度选定所述风廓线模型，并分别将所述地表粗糙度输入所述风廓线模型，将所述地表粗糙度、所述地表摩擦速度以及所述湍流混合长度输入所述壁面函数，从而确定所述第一边界条件。
在一些实施例中，大气观测数据可以从典型地形处的气象观测站获取得到。
本发明实施例中通过对大气观测数据进行计算与判别，以将大气稳定度这一因素引入风廓线模型(也即第一边界条件)的设定/计算过程，从而将CFD模拟和大气模式进行耦合。
具体地，在一些实施例中，当大气稳定度为5时，典型地形处的天气稳定(一般为阴雨天气)，此时可以选用常规的风廓线模型作为输入第一边界条件之一。当大气稳定度为1时天气不稳定(一般为晴天)，则选用非中性条件下所对应的风廓线模型作为输入的第一边界条件之一。
具体地，在一些实施例中，可以通过典型地形当地太阳辐射等级和地面风速等参数进行大气稳定度的判定，此时大气观测数据包括：典型地形处的太阳辐射等级、地面风速等等。
具体地，在一些实施例中，大气稳定度可以由气象测得结果并根据常用的经验公式判断。
具体地，在一些实施例中，上述的一个或多个特征参数都将可以根据常用经验公式或者商业软件进行计算获取。例如，可以选用帕斯奎尔稳定度软件计算典型地形的大气稳定度；可基于ArcGIS软件和SU协同计算地表粗糙度；可采用壁面相似方法(wallsimilarity method)计算地表摩擦速度；可采用湍流参数商业软件(如简易湍流参数计算程序1.0，或者湍流系数计算软件1.0等等)计算湍流混合长度。
在一些实施例中，所述大气观测数据可以为典型地形的测风数据，所述测风数据包括：风速、风向、温度。
或者，在一些实施例中，所述大气观测数据可以为所述典型地形的中尺度数据。
在一些实施例中，所述壁面函数包括：
用于定义所述三维空间网格模型的第一层网格的壁面函数：
用于表征速度的壁面切应力模型；其中，所述切应力模型：
其中，z为竖直高度，uτ0为壁面的摩擦速度，z0为地表粗糙度，κ为卡门常数；ρ为当地空气密度，Cμ是湍流模型参数，Δz为从网格单元底面到网格单元中心zp的距离。
在一些实施例中，湍动能k使用纽曼边界条件：
其中Pk为湍动能k的剪切产生速率，湍流模型参数和湍动能k，u*是地表摩擦速度，k，u*可通过测量得到。
在一些实施例中，湍动能耗散率ε；传统的大气边界层表面层的湍动能耗散率第一个网格单元中的湍动能耗散率/>
在一些实施例中，所述控制方程为：
其中，ρ为典型地形处的空气密度；t为时间；Ui为第i个方向的速度分量，Uj为第j个方向的速度分量，其中，U1＝u,U2＝v；xi为笛卡尔坐标系中的第i个方向，xj为笛卡尔坐标系中的第j个方向；Sv为源项；σθ为温度的施密特数；θ为位势温度；μ为流体动力粘度；μt为湍流涡粘；为z处的静压；fc为科氏力系数；M为干燥空气的平均摩尔质量；P0为标准大气压；R为通用气体常数；gz为z处的重力加速度；θ0为参考点温度。
本发明实施例中优选地考虑浮力和科氏力的影响对N-S动量方程中的源项进行修正。根据两个条件对CFD模型进行修正，得到大气CFD模式。具体地，为适应这一新型的大气CFD模式，N-S方程等号右侧源项相应的浮力项及热力项，如式(1)、(2)所示，其中部分参数的计算方法和建议取值如下所示：
z处的静压ρ0、gz分别为空气标准密度和z处的重力加速度；源项/>位势温度/>干燥空气比热容CP≈1J/gK，M＝29g/mol是干燥空气的平均摩尔质量，R＝8.313J/(mol·K)是通用气体常数,标准大气压P0≈1×105Pa。
在一些实施例中，所述边界条件还包括：第二边界条件，且所述第二边界条件包括：被设定为对称边界条件的顶部边界条件、被设定为自由压力出口的出口边界条件以及被设定为k-ε模型的地形面；
修正之后的所述k-ε模型为：
其中；参数t是时间，计算模型坐标轴为三维笛卡尔坐标系，σk、σε分别为湍动能k和耗散度ε的施密特数，xi(x1＝x,x2＝y,x3＝z)三个方向，z是垂向，Ui(U1＝u,U2＝v,U3＝w)是x，y，z三个方向速度分量，修正项Cε3＝(Cε1-Cε2)αB+1，Cε1、Cε2为常数系数，修正项
在一些实施例中，湍流涡粘湍流混合长度全局长度/>
在一些实施例中，稳定相关系数
其中，Rig是理查德数，G是地转风速，fc是科氏力系数，系数α的选择，使得对于中性分层ABL流动，两个长度尺度是完全相同的(lMY＝l0)。经验值α＝0.075。
在一些实施例中，S103包括：
S31通过网格划分方法将所述三维数字模型转化为所述典型地形的三维空间网格模型，其中，所述典型地形包括以下一种或多种：连续平原、连续丘陵、山地；
S32对S31中的所述三维空间网格模型(原始典型地形所生成的网格模型相当于为核心区20)的至少一侧边缘进行延拓以生成过渡网格区(相当于过渡区10)且所述过渡网格区为用于模拟平坦地形的网格模型，所述至少一侧边缘为S31中的所述三维空间网格模型的第一风入口侧和/或第一风出口侧(如图3所示，风进入、离开网格模型的方向如图中箭头所示)。
可以理解的是，在步骤S32中，对过渡网格区的延拓长度可以根据工程人员的历史工作经验进行设定(例如，延长长度为核心区的一半)。或者，也可以通过以下判定步骤进行设定：
按照预设的第一长度(可以根据历史数据设定一个初始值)对所述三维空间网格模型的至少一侧边缘进行延拓；
根据当前延拓所得的三维空间网格模型执行S105；
获取S105中的风场数据，所述风场数据包括：所述典型地形压力场；
通过当前所得三维空间网格模型的风出口侧的压力场判断是否出现回流效应；
若是则对所述延拓长度进行加长处理，若否则认为当前的延拓长度符合要求。
在一些实施例中，本发明中延拓范围的判断可以通过数值仿真结果的压力场和速度场进行判断，如果没有产生回流效应即可以视作延拓范围适合。
例如，在一些实施例中，当风出口侧的压力场数值变化差异较大时(或者说，压力场数值不均匀时)，具体地，数值变化速度超过预定阈值则认为出现回流效应。
或者，在另一些实施例中，也可以由工作人员根据工作经验通过压力场数据判断是否出现回流效应。
在一些实施例中，进行延拓的边缘侧既可以是网格模型核心区的水平两侧的风入口处、风出口处，也可以为网格模型的顶部区域/顶层区域。
在一具体实施例中，优选的，网格划分软件根据典型地形海拔落差高度作为特征高度划分结构网格，网格高度设定为5倍特征高度以减少大气CFD模型顶层对地面流动的影响。由于地形复杂度不同，结构网格模型需要按照地形边长数据的一半长度进行延拓，在圆形计算域内划分结构型网格。第一层网格高度根据地形复杂度及壁面函数要求设定，网格间距根据计算要求精度设定。
本发明实施例中，采用对进风口或出风口进行延拓的方式进一步地提高耦合过程中的风场模拟准确性，减少或避免回流效应对耦合过程产生不利影响。并且，过渡区10优选设定为无起伏或者起伏极小的简单平坦地形，因此延拓之后对数值仿真过程中所带来的计算增量很小，并不会为计算机算力产生过大负担。
在一些实施例中，所述风场数据包括：所述典型地形中若干坐标点的仿真合风速(也即计算所得的速度场)；相应地，所述方法还包括步骤：
S106获取所述第一风入口侧、所述第一风出口侧的第一仿真合风速、第二仿真合风速。也即获取网格模型核心区的入口、出口侧的仿真数据。
S107判断所述第一仿真合风速、第二仿真合风速与对应的准确合风速的差值是否属于预设的第一阈值范围；若否，则对所述三维空间网格模型和/或所述边界条件进行修正，并再次执行S105。
其中，所述准确合风速为预先获取的所述第一风入口侧、第一风出口侧的准确风场数据(如实测数据)。
可以理解的是，实际的数值仿真过程通常需要经过多次迭代、验证或参数调整(例如，对网格模型进行调整，或对边界条件进行调整)，才能获取到最终的仿真计算结果。本发明实施例中，优先选取入口侧、出口侧两个区域的数据对数值仿真结果进行快速验证，若验证合格则可以直接输出仿真结果，若验证不合格则将通过调整参数的方式对典型地形的压力场或速度场进行再次仿真计算。
为了进一步地提高数值仿真过程中的计算效率，本发明实施例中在对仿真过程中所用参数或模型进行调整之前，还将对具体调整方案进行快速判断，以帮助工程人员准确地观测到问题核心(如当前哪一步的误差对仿真结果影响较大)。
在一些实施例中，在对所述三维网格模型和/或所述边界条件进行修正的步骤之前，还包括：
分别获取所述过渡网格区(例如，可以选取其中一个过渡区10)的第二风入口侧、第二风出口侧所对应的第三仿真合风速、第四仿真合风速。
判断所述第三仿真合风速、第四仿真合风速的差值是否属于预设的第二阈值范围，若是，则在S107中对所述三维空间网格模型进行修正，若否，则在S107中对所述边界条件进行修正。
在一些实施例中，对于边界条件的具体修正方式可以由工程人员进行自行选择与判断。
本发明实施例中，可以通过过渡区对边界条件的准确性进行快速地验证，以帮助用户判断是否需要对边界条件进行优先调整。
进一步地，在一些实施例中，当边界条件验证合格时，则优选地对网格模型进行调整，调整方式包括：对过渡网格区进行调整(如延长过渡区)，对网格进行局部加密。
并且，在选定调整方式之前，还可以通过风场结果对网格调整方式进行快速判断与选择。例如，当判断出数值仿真过程中发生回流效应时，则优先对过渡网格区进行延长(当然，同时也可以对核心区进行整体或局部加密)，如果未发生回流效应，则优先对核心区进行加密处理。
可以理解的是，本发明实施例中的各个预设值(如阈值或第一长度等等)均可以由工程人员根据历史工作经验进行自行设定。
在一些实施例中，还可以根据所述边界条件、控制模型使用Fortran语言编译软件编译成CFD求解器软件。也即提供一种新型的考虑大气稳定度的典型地形风场模拟软件。
在一些实施例中，将S103中所生成的三维网格文件(即三维空间网格模型)与所述CFD求解器软件放置于同一个文件夹下，并执行CFD求解器。
优选的，CFD求解器风向边界条件为36个，每个风向间隔10度。
优选的，在一些实施例中，该方法可以进行CFD求解器的批量计算，每个风向依次运行。
优选的，大气CFD模拟方法，CFD求解器输出结果高度，依据所述测风塔位置及高度坐标在所述计算域网格的三维坐标。
如图3-图5所示，本发明进一步地还通过仿真测试以对该方法的准确性和可靠性进行验证。
如图5所示，其出示了在大气稳定的条件下基于本方法(方法主要流程如图1b所述)、商业CFD软件针对图2所示的网格进行仿真模拟所得的仿真计算结果与实测数据结果对比。图5中的横坐标为归一化后的水平上的合风速，纵坐标为测点坐标竖直方向上高度。
可以看出，考虑到壁面函数对于近地面的湍动能k及耗散率ε参数影响，本发明对图4所示网格模型在近地面处进行加密，以提高计算精度，而在过渡区及地形到一定高处的网格则无需加密(网格尺寸相对较大)，以提高计算效率(相较于常规CFD计算网格模型能大大节省计算成本，省时高效)。从图5中可以看出，本方法所得的仿真数据与实测数据在曲线上的变化趋势一致。由此可见，本方法所得的仿真结果相比于商业CFD软件计算结果更接近于实测数据。
实施例二
如图6所示，本发明第二方面在于，提供了一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟系统，包括：
地形数据获取模块01，被配置为用于获取典型地形的目标地形数据，所述目标地形数据包括：所述典型地形的坐标点数据；
数字模型生成模块02，被配置为用于根据所述目标地形数据生成所述典型地形的三维数字模型，其中，所述三维数字模型为连续的封闭曲面，且所述三维数字模型上的每一个坐标点均有切线和法线；
网格模型生成模块03，被配置为用于根据所述三维数字模型生成所述典型地形的三维空间网格模型；
大气CFD模式确定模块04，被配置为用于根据边界条件、控制方程确定用于仿真计算的大气CFD模式；
其中，所述边界条件包括：第一边界条件，用于确定所述第一边界条件的步骤包括：
获取所述典型地形的大气观测数据；
根据所述大气观测数据确定所述第一边界条件，所述第一边界条件包括：风廓线模型，以及壁面函数；其中，
当所述典型地形处于中性条件时，所述风廓线模型为：
当所述典型地形处于非中性条件时，所述风廓线模型为：
其中，u*为地表摩擦速度，κ为卡门常数，z为网格的竖直高度，z0为地表粗糙度，L为莫宁-奥布霍夫长度；
仿真模块05，被配置为用于采用数值仿真方法根据所述CFD模式和所述三维空间网格模型对所述典型地形进行风场模拟，以计算得到所述典型地形的风场数据。
在一些实施例中，大气CFD模式确定模块04还被进一步地配置为用于根据所述大气观测数据计算所述典型地形的特征参数，所述特征参数包括：典型地形的大气稳定度、地表粗糙度、地表摩擦速度以及湍流混合长度；根据所述大气稳定度选定所述风廓线模型，并分别将所述地表粗糙度输入所述风廓线模型，将所述地表粗糙度、所述地表摩擦速度以及所述湍流混合长度输入所述壁面函数，从而确定所述第一边界条件。
在一些实施例中，所述大气观测数据包括：典型地形的测风数据，所述测风数据包括：风速、风向、温度。
在一些实施例中，所述大气观测数据包括：所述典型地形的中尺度数据。
在一些实施例中，所述壁面函数包括：
用于定义所述三维空间网格模型的第一层网格的壁面函数：
用于表征速度的壁面切应力模型；其中，所述切应力模型：
其中，z为网格的竖直高度，uτ0为壁面的摩擦速度，z0为地表粗糙度，κ为卡门常数；ρ为当地空气密度，Cμ是湍流模型参数，Δz为从网格单元底面到网格单元中心zp的距离。
在一些实施例中，所述控制方程为：
其中，ρ为典型地形处的空气密度；t为时间；Ui为第i个方向的速度分量，Uj为第j个方向的速度分量，其中，U1＝u,U2＝v；xi为笛卡尔坐标系中的第i个方向，xj为笛卡尔坐标系中的第j个方向；Sv为源项；σθ为温度的施密特数；θ为位势温度；μ为流体动力粘度；μt为湍流涡粘；为z处的静压；fc为科氏力系数；M为干燥空气的平均摩尔质量；P0为标准大气压；R为通用气体常数；gz为z处的重力加速度；θ0为参考点温度。
在一些实施例中，所述边界条件还包括：第二边界条件，且所述第二边界条件包括：被设定为对称边界条件的顶部边界条件、被设定为自由压力出口的出口边界条件以及被设定为k-ε模型的地形面；
所述k-ε模型为：
其中；κ为卡门常数；t为时间；xi为笛卡尔坐标系中的第i个方向；μt为湍流涡粘；σk、σε分别为湍动能k和耗散度ε的施密特数；Pk为湍动能k的剪切产生速率；Ui为第i个方向的速度分量；B、D为修正项；ε是湍动能耗散率；Cε1、Cε2为常数系数。
在一些实施例中，网格模型生成模块03包括：
转化单元，被配置为用于通过网格划分方法将所述三维数字模型转化为所述典型地形的三维空间网格模型，其中，所述典型地形包括以下一种或多种：连续平原、连续丘陵、山地；
延拓单元，被配置为用于对转换单元中所得的所述三维空间网格模型的至少一侧边缘进行延拓以生成过渡网格区，且所述过渡网格区为用于模拟平坦地形的网格模型，所述至少一侧边缘为S31中的所述三维空间网格模型的第一风入口侧和/或第一风出口侧。
在一些实施例中，所述风场数据包括：所述典型地形中若干坐标点的仿真合风速；相应地，所述系统还包括：
第一验证模块，被配置为用于获取所述第一风入口侧、所述第一风出口侧的第一仿真合风速、第二仿真合风速；判断所述第一仿真合风速、第二仿真合风速与对应的准确合风速的差值是否属于预设的第一阈值范围；若否，则对所述三维空间网格模型和/或所述边界条件进行修正，并将修正后的所述三维空间网格模型和/或所述边界条件进行修正输入仿真模块05；
其中，所述准确合风速为预先获取的所述第一风入口侧、第一风出口侧的准确风场数据。
在一些实施例中，该系统还包括：第二验证模块，被配置为用于分别获取所述过渡网格区的第二风入口侧、第二风出口侧所对应的第三仿真合风速、第四仿真合风速；判断所述第三仿真合风速、第四仿真合风速的差值是否属于预设的第二阈值范围，若是，则在第一验证模块中对所述三维空间网格模型进行修正，若否，则在第一验证模块中对所述边界条件进行修正。
可以理解的是，本实施例中的系统可以对应地实现上述实施一中的任一方法步骤，此处不再赘述。
在一些实施例中，“大气CFD模式”集合有考虑热不稳定性和科氏力的RANS方程(即控制方程)、不同稳定度的入口风廓线以及数值计算网格模型的大气CFD模式数值计算模型。
本发明实施例中，采用CFD模式与大气模式耦合，模拟结果优于商业CFD软件模拟，且适用典型地形，具有省时、精确、高效等特点。相较于商业CFD软件模拟，结果更为合理，对于中性和非中性条件，有不同的风廓线作为CFD大气模式的边界条件，且可以计算不同稳定度条件的风场，并根据精度需要调整网格分布，为后续风场的精细化模拟和风场数据库的建立打下良好的基础。
需要说明的是，本发明中的典型地形除了丘陵或山地等复杂地形之外，还可以为气象条件相对复杂的其他各类地形。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台计算机终端(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法，其特征在于，包括步骤：
S101获取典型地形的目标地形数据，所述目标地形数据包括：所述典型地形的坐标点数据；
S102根据所述目标地形数据生成所述典型地形的三维数字模型，其中，所述三维数字模型为连续的封闭曲面，且所述三维数字模型上的每一个坐标点均有切线和法线；
S103根据所述三维数字模型生成所述典型地形的三维空间网格模型；
S104根据边界条件、控制方程确定用于仿真计算的大气CFD模式；
其中，所述边界条件包括：第一边界条件，用于确定所述第一边界条件的步骤包括：
S401获取所述典型地形的大气观测数据；
S402根据所述大气观测数据确定所述第一边界条件，所述第一边界条件包括：风廓线模型，以及壁面函数；其中，
当所述典型地形处于中性条件时，所述风廓线模型为：
当所述典型地形处于非中性条件时，所述风廓线模型为：
其中，u*为地表摩擦速度，κ为卡门常数，z为网格的竖直高度，z0为地表粗糙度，L为莫宁-奥布霍夫长度，Ψm为反应所述典型地形的稳定条件的特征函数；
其中，所述壁面函数包括：用于定义所述三维空间网格模型的第一层网格的壁面函数：
用于表征速度的壁面切应力模型；其中，所述切应力模型为：
其中，z为网格的竖直高度，uτ0为壁面的摩擦速度，z0为地表粗糙度，κ为卡门常数；ρ为当地空气密度，Cμ是湍流模型参数，Δz为从网格单元底面到网格单元中心zp的距离，k为湍动能；
S105采用数值仿真方法根据所述CFD模式和所述三维空间网格模型对所述典型地形进行风场模拟，以计算得到所述典型地形的风场数据。
2.根据权利要求1所述的一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法，其特征在于，S402包括：
根据所述大气观测数据计算所述典型地形的特征参数，所述特征参数包括：典型地形的大气稳定度、地表粗糙度、地表摩擦速度以及湍流混合长度；
根据所述大气稳定度选定所述风廓线模型，并分别将所述地表粗糙度、所述地表摩擦速度输入所述风廓线模型，将所述地表粗糙度、所述地表摩擦速度以及所述湍流混合长度输入所述壁面函数，从而确定所述第一边界条件。
3.根据权利要求2所述的一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法，其特征在于，所述大气观测数据包括：典型地形的测风数据，所述测风数据包括：风速、风向、温度；
和/或，所述大气观测数据包括：所述典型地形的中尺度数据。
4.根据权利要求1所述的一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法，其特征在于，所述控制方程为：
其中，ρ为典型地形处的空气密度；t为时间；Ui为第i个方向的速度分量，Uj为第j个方向的速度分量，其中，U1＝u,U2＝v；xi为笛卡尔坐标系中的第i个方向，xj为笛卡尔坐标系中的第j个方向；Sv为源项；σθ为温度的施密特数；θ为位势温度；μ为流体动力粘度；μt为湍流涡粘；为z处的静压；fc为科氏力系数；M为干燥空气的平均摩尔质量；P0为标准大气压；R为通用气体常数；gz为z处的重力加速度；θ0为参考点温度。
5.根据权利要求3所述的一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法，其特征在于，所述边界条件还包括：第二边界条件，且所述第二边界条件包括：被设定为对称边界条件的顶部边界条件、被设定为自由压力出口的出口边界条件以及被设定为k-ε模型的地形面；
所述k-ε模型为：
其中；κ为卡门常数；t为时间；xi为笛卡尔坐标系中的第i个方向；μt为湍流涡粘；σk、σε分别为湍动能k和耗散度ε的施密特数；Pk为湍动能k的剪切产生速率；Ui为第i个方向的速度分量；B、D为修正项；ε是湍动能耗散率；Cε1、Cε2为常数系数，lt为混合长度，le为全局长度。
6.根据权利要求1-5中任一所述的一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法，其特征在于，S103包括：
S31通过网格划分方法将所述三维数字模型转化为所述典型地形的三维空间网格模型，其中，所述典型地形包括以下一种或多种：连续平原、连续丘陵、山地；
S32对S31中的所述三维空间网格模型的至少一侧边缘进行延拓以生成过渡网格区，且所述过渡网格区为用于模拟平坦地形的网格模型，所述至少一侧边缘为S31中的所述三维空间网格模型的第一风入口侧和/或第一风出口侧。
7.根据权利要求6所述的一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法，其特征在于，所述风场数据包括：所述典型地形中若干坐标点的仿真合风速；相应地，所述方法还包括步骤：
S106获取所述第一风入口侧、所述第一风出口侧处所对应的第一仿真合风速、第二仿真合风速；
S107判断所述第一仿真合风速、第二仿真合风速与对应的准确合风速的差值是否属于预设的第一阈值范围；若否，则对所述三维空间网格模型和/或所述边界条件进行修正，并再次执行S105；
其中，所述准确合风速为预先获取的所述第一风入口侧、第一风出口侧的准确风场数据。
8.根据权利要求7所述的一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟方法，其特征在于，在对所述三维网格模型和/或所述边界条件进行修正的步骤之前，还包括：
分别获取所述过渡网格区的第二风入口侧、第二风出口侧所对应的第三仿真合风速、第四仿真合风速；
判断所述第三仿真合风速、第四仿真合风速的差值是否属于预设的第二阈值范围，若是，则在S107中对所述三维空间网格模型进行修正，若否，则在S107中对所述边界条件进行修正。
9.一种考虑不同稳定度的典型地形风场模拟系统，其特征在于，包括：
地形数据获取模块，被配置为用于获取典型地形的目标地形数据，所述目标地形数据包括：所述典型地形的坐标点数据；
数字模型生成模块，被配置为用于根据所述目标地形数据生成所述典型地形的三维数字模型，其中，所述三维数字模型为连续的封闭曲面，且所述三维数字模型上的每一个坐标点均有切线和法线；
网格模型生成模块，被配置为用于根据所述三维数字模型生成所述典型地形的三维空间网格模型；
大气CFD模式确定模块，被配置为用于根据边界条件、控制方程确定用于仿真计算的大气CFD模式；
其中，所述边界条件包括：第一边界条件，用于确定所述第一边界条件的步骤包括：
获取所述典型地形的大气观测数据；
根据所述大气观测数据确定所述第一边界条件，所述第一边界条件包括：风廓线模型，以及壁面函数；其中，
当所述典型地形处于中性条件时，所述风廓线模型为：当所述典型地形处于非中性条件时，所述风廓线模型为：/>
其中，u*为地表摩擦速度，κ为卡门常数，z为网格的竖直高度，z0为地表粗糙度，L为莫宁-奥布霍夫长度；Ψm为反应所述典型地形的稳定条件的特征函数；
其中，所述壁面函数包括：用于定义所述三维空间网格模型的第一层网格的壁面函数：
用于表征速度的壁面切应力模型；
其中，所述切应力模型为：
其中，z为网格的竖直高度，uτ0为壁面的摩擦速度，z0为地表粗糙度，κ为卡门常数；ρ为当地空气密度，Cμ是湍流模型参数，Δz为从网格单元底面到网格单元中心zp的距离，k为湍动能；
仿真模块，被配置为用于采用数值仿真方法根据所述CFD模式和所述三维空间网格模型对所述典型地形进行风场模拟，以计算得到所述典型地形的风场数据。
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