CN117197383A - 一种基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法、设备及介质，包括：获取目标复杂地形数据，并进行建模；根据模型的地形特征，构建过渡区和平坦区，形成CFD计算域；通过网格生成，对计算域进行离散；对计算域进行求解，获得风速分布情况；提取地形区域中设定点的风速垂直分布，并进行对比，获取不同延拓方式对风廓线的影响关系；确定过渡区和平坦区的占比关系以及延拓范围，构建仿真地形；基于确定的延拓范围，根据雷诺相似准则，对风速、缩比范围进行转化，得到统一的雷诺数，获得雷诺数与风场的关系；确定缩比参数，对仿真地形进行风场模拟。本发明提高了复杂地形建模效率，实现复杂地形风场的有效模拟。
Description
技术领域
本发明涉及复杂地形风场仿真技术领域，特别涉及一种基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法、设备及介质。
背景技术
在我国由于地域环境多样化的原因，大量的工业设施都会建设在复杂地形中，例如：桥梁、风力机、高压线、建筑等等。复杂地形中的风环境会影响这些设施的选址、布局和运行安全。
目前，在复杂地形中的风场仿真中，大多采用CFD（计算流体力学）方法来完成，CFD是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，其相当于"虚拟"地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。由于复杂地形风场的复杂性，特别是截取一块地形建模形成CFD计算域时，会人为的导致地形边缘形成断崖，使得气流的运动与真实的运动有很大区别。
现有的计算方法多是采用经验函数将复杂地形断崖过渡到平坦区，从仿真效果看过渡区会形成较为明显的高压区，甚至由于过渡区过于陡峭，在尾流区会出现流动分离的现象。另一方面，平坦区、过渡区、核心区的大小会影响所关注区域的流场分布。还有的方法通过延拓构成平坦区、过渡区和核心区的地形架构，但平坦区、过渡区、核心区的比例分配原则没有定量依据；并且，由于风是复杂的大气运动，具有高雷诺数和高湍流脉动的特性，现有平衡大气研究多采用缩比地形的形式来开展仿真，但都没给出合理的缩比范围，也没给出复杂地形风场对雷诺数的敏感性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法，具体技术方案如下：
S1：基于地理信息系统获取目标复杂地形数据，并进行建模；
S2：根据模型的地形特征，构建与地形特征相应的过渡区和平坦区，形成CFD计算域；
S3：通过网格生成，对计算域进行离散；
S4：构建湍流模型，利用平衡大气CFD仿真方法对网格划分的计算域进行求解，获得全场的风速分布情况；
S5：提取该复杂地形区域中若干设定点的风速垂直分布，并进行对比，获取不同延拓方式对风廓线的影响关系；
S6：根据不同延拓方式对风廓线的影响关系，确定过渡区和平坦区的占比关系以及延拓范围，构建仿真地形；
S7：基于确定的延拓范围，根据雷诺相似准则，对风速、缩比范围进行转化，得到统一的雷诺数，获得雷诺数与风场的关系；
S8：根据雷诺数与风场的关系，确定缩比参数，对仿真地形进行风场模拟。
进一步的，步骤S1中，所述建模，具体过程如下：
对获取的目标复杂地形的原始地理信息数据，进行清洗，去除噪点；
基于去噪清洗后的数据，通过投影进行坐标变换，获得直角坐标系下的模型。
进一步的，步骤S2中，所述过渡区和所述平坦区的构建，具体如下：
确定参考高度，根据地形尺寸获取地形的特征长度；
对地形的边缘进行平滑处理，基于设定长度构建过渡区，使得四个边线由不同海拔高度逐渐过渡到同一海拔高度；
在所述过渡区后进行延伸设定长度，构建所述平坦区。
进一步的，所述参考高度为地形的最高点和最低点之间的垂向距离。
进一步的，所述地形的特征长度为地形的长或宽的大小；
所述过渡区与所述平坦区的占比为1：1或1：2；
所述过渡区与所述平坦区的总长为地形的特征长度的0.25n倍。
复杂地形CFD计算域总体被分为核心区、过渡区和平坦区，这种拓扑分布有利于来流平稳的流向核心复杂地形区域。
进一步的，所述网格生成，网格类型为通用的结构网格或非结构网格。
进一步的，步骤S4中，所述湍流模型的入口湍流边界条件，表示如下：
其中，为湍动能，/>为耗散率，/>为摩擦速度，/>为冯卡门常数，/>为大气粗糙度长度，z为距离地面的高度，/>为模型常数。
进一步的，步骤S4中，风速分布计算公式如下：
其中，为风速。
本发明还提供了一种基于复杂地形特征尺寸的地形延拓设备，所述地形延拓设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上，并可在所述处理器上运行的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序，所述基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序被所述处理器执行时实现上述所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机存储介质，所述存储介质上存储有基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序，所述基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序被处理器执行时实现上述所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法的步骤。
本发明的有益效果如下：
1、本发明针对复杂地形进行CFD建模问题，建立了目标区域特征长度与延拓区（过渡区、平坦区）的尺寸比例分配关系，给出了复杂地形核心区、过渡区和平坦区的定量建模关系，提高了复杂地形建模效率，避免了建模时对经验的依赖。
2、本发明考虑了雷诺相似效应，对模型进行缩比、或减小入口风速后再进行CFD仿真，在降低雷诺数后，使复杂地形风场仍保持相似的流动状态，同时配合复杂地形边缘的平滑过渡，使得来流可以均匀的流入复杂地形中，实现复杂地形风场的有效模拟。
附图说明
图1是本发明的方法整体流程示意图。
图2为一区域特定点位处不同延拓方式对风速垂直分布的影响示意图。
图3为另一区域特定点位处不同延拓方式对风速垂直分布的影响示意图。
图4为一个区域特定点位处不同雷诺数对风速垂直分布的影响示意图。
图5为另一区域特定点位处不同雷诺数对风速垂直分布的影响示意图。
具体实施方式
在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。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。
实施例1
本发明的实施例1公开了一种基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法，如图1所示，具体步骤流程如下：
S1：基于地理信息系统获取目标复杂地形数据，并进行建模；
本实施例中，在获得复杂地形数据后，对原始地理信息数据，进行清洗，去除噪点；
基于去噪清洗后的数据，通过相应的投影方法进行坐标变换，把地形转换成直角坐标系下的模型。
S2：根据模型的地形特征，构建与地形特征相应的过渡区和平坦区，形成CFD计算域；
本实施例中，过渡区与平坦区的构建过程如下：
首先，确定参考高度H，根据地形尺寸获取地形的特征长度L；
作为优选的实施例，所述参考高度为地形的最高点和最低点之间的垂向距离；
所述地形的特征长度为地形的长或宽的大小；
之后，对地形的边缘进行平滑处理，基于设定长度G构建过渡区，使得四个边线由不同海拔高度逐渐过渡到同一海拔高度；过渡区和平坦区是根据当前地形中间的核心区进行向外的延伸构建，核心区为正方形，四个边线即为核心区的四个边，基于四个边向外延伸构建过渡区和平坦区。
在所述过渡区后进行延伸设定长度P，构建所述平坦区。
作为优选的实施例，所述过渡区与所述平坦区的占比为1：1或1：2；
所述过渡区与所述平坦区的总长为地形的特征长度的0.25n倍，n表示自然数，取值范围为[2,5]，即平坦区和过渡区的总长G+P为0.5L、0.75L、1L、1.25L。
复杂地形CFD计算域总体被分为核心区、过渡区和平坦区，这种拓扑分布有利于来流平稳的流向核心复杂地形区域。
S3：通过网格生成工具对计算域进行离散；
本实施例中，网格类型可为通用的结构网格或非结构网格。
S4：构建湍流模型，利用平衡大气CFD仿真方法对网格划分的计算域进行求解，获得全场的风速分布情况；
具体的，本实施例中，考虑了大气粗糙度长度和大气边界层廓线的垂直分布特征，入口的边界条件如下：
入口边界条件用于表征远场风速和湍流环境的分布情况；
其中，为湍动能，/>为耗散率，/>为摩擦速度；/>为冯卡门常数，/>为大气粗糙度长度，/>为速度，z为距离地面的相对高度，/>为湍流模型常数。
为了使入口边界廓线在计算域内较好的保持，得到充分发展的大气边界层流场，需要使入口边界条件与控制方程相协调，湍流模型中的参数需要满足以下关系：
在许多中性大气模拟中，会给定值而调整模型中的参数/>或/>，/>、/>、/>均为模型系数，为固定系数，在本实施例中，为了不改变原有模型得数值特性，使用的标准湍流模型/>。
由于地面边界条件对风廓线的保持性影响较大，本实施例中，采用气动粗糙度壁面函数来约束地面流动，表达如下：
其中，为无量纲的气动粗糙度长度，/>无量纲的高度，/>为涡粘性系数，/>表示密度，/>表示大气粗糙度长度。
S5：提取该复杂地形区域中若干区域特定点位的风速垂直分布，并进行对比，获取不同延拓方式对风廓线的影响关系；
具体的，所述区域特定点位，即设定点，可设置为复杂地形区域山顶、山前和山后的某一点，可根据实际情况进行选定，在此不做具体限定。
本实施例中，以核心区地形为20*20 km范围，以20km为特征长度L，特征高度H为1500m，为例进行说明；构建如下表1所示的延拓类型。
表1：地形延拓数据表
对1.25L、1L、0.75L和0.5L的延拓类型进行风场模拟；其中，参考大气压为101.325kpa，运动粘度为20℃下的运动粘度。
S6：根据不同延拓方式对风廓线的影响关系，确定过渡区和平坦区的占比关系以及延拓范围，即得到1:1仿真地形时地形的延拓和建模原则，构建仿真地形。
如图2和图3所示，图中横坐标V表示风速，其中，“xc-9”表示地形名称，不具备实际含义，之后的参数分别表示过渡区与平坦区的比例以及延拓范围，即地形名称“xc-9”之后的“1-1”、“2-1”用来表示延拓区和平坦区比例分配，表示分配比例的“1-1”和“2-1”之后的“10”、“15”、“20”、“25”、“30”用来表示延拓范围，单位为km；可以看出监测的两条风速廓线与地形延拓范围、平坦区和过渡区的比例变化一致；地形的延拓范围在达到一定长度后，对风速的变化影响变小，而平坦区和过渡区的比例对风速廓线没有影响。因此，过渡区和平坦区可采用1:1的占比来区分，延拓范围选择25km即1.25L。
S7：基于确定的延拓范围，根据雷诺相似准则，对地形进行缩尺和降低风速的计算，参数化研究缩比范围和风速的影响，得到统一的雷诺数，如下表2所示，获得雷诺数与风场的关系。
表2
具体的，即获取不同缩比范围、不同风速下，区域特定点位的风速垂直分别情况；
其中，缩比和风速的变化，对应无量纲的雷诺数变化，进而可获知风速廓线随雷诺数的变化规律。
S8：根据雷诺数与风场的关系，确定缩比参数，对仿真地形进行风场模拟。
如图4和图5所示，图中横坐标V表示风速，可以看出随着雷诺数的降低，风场变化出现了与正常大气雷诺数下不一致的风速垂向分布，在计算复杂地形时缩比范围不宜过小，1:2即可。
通过降低1倍风速得到与1:2缩比下相同的雷诺数，也可以得到相同的结果，证实了雷诺数对风场的影响规律。因此，在计算复杂地形时，可采用1:2缩比，或者降低一倍来流风速来实现对风场的有效模拟。
实施例2
本发明的实施例2公开了一种基于复杂地形特征尺寸的地形延拓设备，设备可以是用于执行基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法的移动电话、智能电话、笔记本电脑、数字广播接收器、个人数字助理(PDA)、平板电脑(PAD)等用户设备(User Equipment，UE)、手持设备、车载设备、可穿戴设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其它处理设备、移动台(Mobile station，MS)等。设备可能被称为用户终端、便携式终端、台式终端等。
通常，设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序，所述基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序配置为实现如实施例1所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法的步骤。
处理器可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器可以采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、FPGA(Field－ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称CPU(Central ProcessingUnit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器可以在集成有GPU(Graphics Processing Unit，图像处理器)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。处理器还可以包括AI(Artificial Intelligence，人工智能)处理器，该AI处理器用于处理有关基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序的计算操作，使得基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法可以自主训练学习，提高效率和准确度。
存储器可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。在一些实施例中，存储器中的非暂态的计算机可读存储介质用于存储至少一个指令，该至少一个指令用于被处理器所执行以实现本申请中方法实施例1中所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法。
在一些实施例中，终端还可选包括有：通信接口和至少一个外围设备。处理器、存储器和通信接口之间可以通过总线或信号线相连。各个外围设备可以通过总线、信号线或电路板与通信接口相连。具体地，外围设备包括：射频电路、显示屏和电源中的至少一种。
通信接口可被用于将I/O(Input/Output，输入/输出)相关的至少一个外围设备连接到处理器和存储器。通信接口通过外围设备用于接收用户上传的多个移动终端的移动轨迹以及其他数据。在一些实施例中，处理器、存储器和通信接口被集成在同一芯片或电路板上；在一些其他实施例中，处理器、存储器和通信接口中的任意一个或两个可以在单独的芯片或电路板上实现，本实施例对此不加以限定。
射频电路用于接收和发射RF(Radio Frequency，射频)信号，也称电磁信号。射频电路通过电磁信号与通信网络以及其他通信设备进行通信，从而可获取多个移动终端的移动轨迹以及其他数据。射频电路将电信号转换为电磁信号进行发送，或者，将接收到的电磁信号转换为电信号。可选地，射频电路包括：天线系统、RF收发器、一个或多个放大器、调谐器、振荡器、数字信号处理器、编解码芯片组、用户身份模块卡等等。射频电路可以通过至少一种无线通信协议来与其它终端进行通信。该无线通信协议包括但不限于：城域网、各代移动通信网络(2G、3G、4G及5G)、无线局域网和/或WiFi(Wireless Fidelity，无线保真)网络。在一些实施例中，射频电路还可以包括NFC(Near Field Communication，近距离无线通信)有关的电路，本申请对此不加以限定。
显示屏用于显示UI(User Interface，用户界面)。该UI可以包括图形、文本、图标、视频及其它们的任意组合。当显示屏是触摸显示屏时，显示屏还具有采集在显示屏的表面或表面上方的触摸信号的能力。该触摸信号可以作为控制信号输入至处理器进行处理。此时，显示屏还可以用于提供虚拟按钮和/或虚拟键盘，也称软按钮和/或软键盘。在一些实施例中，显示屏可以为一个，电子设备的前面板；在另一些实施例中，显示屏可以为至少两个，分别设置在电子设备的不同表面或呈折叠设计；在再一些实施例中，显示屏可以是柔性显示屏，设置在电子设备的弯曲表面上或折叠面上。甚至，显示屏还可以设置成非矩形的不规则图形，也即异形屏。显示屏可以采用LCD(LiquidCrystal Display，液晶显示屏)、OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)等材质制备。
电源用于为电子设备中的各个组件进行供电。电源可以是交流电、直流电、一次性电池或可充电电池。当电源包括可充电电池时，该可充电电池可以支持有线充电或无线充电。该可充电电池还可以用于支持快充技术。
实施例3
本发明的实施例3公开了一种计算机存储介质，所述存储介质上存储有基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序，所述基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序被处理器执行时实现上述实施例1所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法的步骤。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法，其特征在于，包括：
S1：基于地理信息系统获取目标复杂地形数据，并进行建模；
S2：根据模型的地形特征，构建与地形特征相应的过渡区和平坦区，形成CFD计算域；
S3：通过网格生成，对计算域进行离散；
S4：构建湍流模型，利用平衡大气CFD仿真方法对网格划分的计算域进行求解，获得风速分布情况；
S5：提取该复杂地形区域中若干设定点的风速垂直分布，并进行对比，获取不同延拓方式对风廓线的影响关系；
S6：根据不同延拓方式对风廓线的影响关系，确定过渡区和平坦区的占比关系以及延拓范围，构建仿真地形；
S7：基于确定的延拓范围，根据雷诺相似准则，对风速、缩比范围进行转化，得到统一的雷诺数，获得雷诺数与风场的关系；
S8：根据雷诺数与风场的关系，确定缩比参数，对仿真地形进行风场模拟。
2.根据权利要求1所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法，其特征在于，步骤S1中，所述建模，具体过程如下：
对获取的目标复杂地形的原始地理信息数据，进行清洗，去除噪点；
基于去噪清洗后的数据，通过投影进行坐标变换，获得直角坐标系下的模型。
3.根据权利要求1所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法，其特征在于，步骤S2中，所述过渡区和所述平坦区的构建，具体如下：
确定参考高度，根据地形尺寸获取地形的特征长度；
对地形的边缘进行平滑处理，基于设定长度构建过渡区，使得四个边线由不同海拔高度逐渐过渡到同一海拔高度；
在所述过渡区后进行延伸设定长度，构建所述平坦区。
4.根据权利要求3所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法，其特征在于，所述参考高度为地形的最高点和最低点之间的垂向距离。
5.根据权利要求3所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法，其特征在于，所述地形的特征长度为地形的长或宽的大小；
所述过渡区与所述平坦区的占比为1：1或1：2；
所述过渡区与所述平坦区的总长为地形的特征长度的0.25n倍。
6.根据权利要求1所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法，其特征在于，所述网格生成，网格类型为通用的结构网格或非结构网格。
7.根据权利要求1所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法，其特征在于，步骤S4中，所述湍流模型的入口湍流边界条件，表示如下：
其中，为湍动能，/>为耗散率，/>为摩擦速度，/>为冯卡门常数，/>为大气粗糙度长度，z为距离地面的高度，/>为模型常数。
8.根据权利要求7所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法，其特征在于，步骤S4中，风速分布计算公式如下：
其中，为风速。
9.一种基于复杂地形特征尺寸的地形延拓设备，其特征在于，所述地形延拓设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上，并可在所述处理器上运行的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序，所述基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-8任一所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法的步骤。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序，所述基于复杂地形特征尺寸的地形延拓程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一所述的基于复杂地形特征尺寸的地形延拓方法的步骤。
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|---|---|
| CN117197383B (zh) | 2024-02-09 |
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