[发明专利]一种复杂地形风场数值模拟的入流条件生成方法及系统

说明书

本发明一种复杂地形风场数值模拟的入流条件生成方法及系统，该方法包括将稳态下的流动统计变量轮廓线进行采样后，映射至复杂地形风场所在主模拟区域的入流边界面处，在主模拟区域进行流场模拟计算；将主模拟区域内代表性测风塔处的模拟风速与实测平均风速进行对比；根据模拟风速与实测平均风速进行对比后的差值，反馈修正前导模拟的驱动风速参数，进而生成主模拟区域的稳态入流边界条件；拓展至大涡模拟类大气湍流模式，建立非定常瞬态风速的时间序列数据库，并以此生成主模拟区域的瞬态风速入流边界条件。本发明克服了现有的简化型入流边界条件对整个风场区域流动模拟精度与不确定度的影响，建立了适用于不同大气湍流模式下的入流条件生成方法。

技术领域

本发明属于计算流体力学技术领域，具体涉及一种复杂地形风场数值模拟的入流条件生成方法及系统。

背景技术

风资源储量丰富，潜在、在建与现役的大型陆上风电场大多坐落于山地、丘陵、高原等复杂地形下的风能聚集区域。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术作为现代计算技术贺大气动力学相结合的一种流体力学数值求解模式，已成为复杂地形区域风电项目开发过程中风能资源评估环节的重要工具。

风电场所在区域风资源模拟计算的几何建模范围，通常是以地表下垫面为基准面，竖直向上延伸至大气边界层高度(1至2公里量级)形成的六面体区域。在风场的数值模拟中，需要在六个边界面处对风速、气压等流动变量的边界条件进行合理的设置，从而确保流动控制方程在计算区域内的可解性。研究表明，作为整场大气流动模拟的驱动因子，入流界面处风速边界条件的生成方法直接影响着风场区域内风况模拟与风资源预测的精确度。

目前，风资源工程计算中有关复杂地形风场流动CFD数值模拟在入流界面处的风速边界条件，主要是基于求解流体力学控制方程组(即Navier-Stokes方程组)中的第一类边界条件(Dirichlet边界条件)进行直接或修正使用：(1)在整个入流边界面上的平均风速和风速标准差(或湍流强度)被赋予为固定值；(2)入流边界面上的平均风速设置为离地高度的空间函数，即平均风速值随高度的变化符合大气风速对数廓线(Logarithmicvelocity profile)理论模型，并给定合适量级的风速标准差(或湍流强度)。

综合而言，上述入流边界条件的设置方法在计算程序实现上较为便捷，但是当风场所在区域地形地貌较为复杂和崎岖，其入流界面底边为不规则几何边界时，风电场入流区域的实际风速在竖直方向的分布并非恒定值，或者并非完全符合大气对数风廓线理论模型，使用上述入流条件设置方法存在着对实际入流风况的过度简化问题，导致无法正确反映入流边界处实际的流动统计状态，对计算区域内风速求解的准确性造成影响；同时，使用均一化的平均风速与风速标准差边界条件设定方式时，难以对风场区域内代表性测风塔实地测得的风统计数据进行复现，在一定程度上增加了目标区域内的风资源模拟预测的不确定度。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种复杂地形风场数值模拟的入流条件生成方法及系统，该方法在求解山地、丘陵等复杂地形地貌上空大气流动时，通过利用前导模拟迭代方式与风场所在区域测风塔实测统计数据进行对比，反馈修正入流边界面处的流动变量边界条件，克服了现有的简化型入流边界条件对整个风场区域流动模拟精度与不确定度的影响。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种复杂地形风场数值模拟的入流条件生成方法，包括以下步骤：

将以雷诺平均类大气湍流模式进行前导模拟得到的稳态下流动统计变量轮廓线进行采样后，映射至复杂地形风场所在主模拟区域的入流边界面处，进行主模拟区域的流场模拟计算；

将主模拟区域内代表性测风塔处的模拟风速与实测平均风速进行对比；根据模拟风速与实测平均风速的对比结果，反馈修正前导模拟的驱动风速参数，进而生成主模拟区域的稳态入流边界条件；