[发明专利]基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法及系统

权利要求书

1.基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、根据局部区域的地形和建筑，进行网格划分，对计算域进行离散化，建立CFD模型；

S2、根据测风激光雷达历史探测数据和当地气象日志，统计出计算域的风速风向概率密度分布；

S3、对CFD模型的边界条件进行离散化，覆盖所有可能出现的来流条件，对风速风向概率密度分布大的工况进行加密离散化，建立CFD数据库；

在进行边界条件离散时，对风速风向概率密度分布大的工况进行加密离散化处理；对于风速风向概率密度低的情况，设置梯度更稀疏的计算工况；仅保留目标区域网格节点位置(x,y,z)和风场数据（u,v,w）,x为水平方向坐标、y侧向坐标，z为竖直方向坐标，u为南北方向分速度、v东西分速度、w为竖直分速度，并记录目标区域的平均风速；

S4、测风激光雷达进行不同仰角的实时PPI扫描，反演出径向风速、水平风速和风向，根据风速风向对计算域的风场进行分块处理（V1，V2...Vn）,对每个分块分别匹配出最接近的CFD数据库，对于均匀风场则直接匹配不需要分块处理；

S5、多源数据融合，用匹配的数据库，填补激光雷达盲区和其未为探测区域的风场结果，从而获得整个计算域内的完整的精细三维风场数据S0；

S6、根据雷达实测边界条件和三维风场S0作为初始场，激活CFD模拟程序可对未来三维风场分布进行预测。

2.根据权利要求1所述的基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法，其特征在于：S1中，所述CFD模型包括计算网格、边界条件、计算域、湍流模型和CFD求解器。

3.根据权利要求2所述的基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法，其特征在于：所述CFD模型的计算域为圆柱形，下边界为无滑移壁面边界条件，上边界条件为对称边界条件，前方来流为速度入口。

4.根据权利要求1所述的基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法，其特征在于：S2中，通过当地气象局获得气象日志中风速风向数据。

5.根据权利要求1所述的基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法，其特征在于：S2中，通过提前布置测风激光雷达进行长期观测试验，统计出目标区域的风速风向概率密度分布。

6.根据权利要求1所述的基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法，其特征在于：S4中，对于存在风速风向突变、阵风情况下，不同区域的风场流入情况不同，此时则根据目标区域的风速和风向分布进行分块处理，相邻距离门风速差异小于第一阈值W1且风向差异小于第二阈值D1，分类为同一块区域，将探测区域分为（V1，V2...Vn），对每个分块分别匹配出最接近的CFD数据库（C1，C2...Cn）；

罚函数为：

其中：

其中，/和/分别为分速度项和径向速度项，/和/为对应的加权系数，/，/，/和/分别为雷达反演的南北方向分速度、东西方向分速度，竖直方向分速度和径向速度，/，和/分别为CFD模拟数据库中的南北方向分速度、东西方向分速度和竖直方向分速度，/和/分别为方位角和俯仰角，/为网格节点三维坐标的标号；

所示加权系数和/由雷达反演的南北方向分速度、东西方向分速度，竖直方向分速度和径向速度的反演精度决定，反演精度越高，则对应的加权系数应设置的越大。

7.根据权利要求1所述的基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法，其特征在于：S5中，所述完整的精细三维风场数据S0包括实测风场数据和CFD模拟数据，所述完整的精细三维风场数据S0中有实测风场数据计算网格节点，直接保留实测数据，没有实测风场数据的计算网格节点，则采用匹配的CFD模拟数据。

8.应用于如权利要求1-7任一所述的基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法的系统，其特征在于：包括：

CFD模型模块，用于根据目标区域的地形和建筑的几何参数建立目标区；

CFD数据库建立模块，根据目标区域的风速风向分布的概率分布，对CFD边界条件进行离散化，并分别求解这些计算工况，批量输出节点坐标和风速，建立目标区域的CFD风场数据库；

风场实时采集模块，基于测风激光雷达实时对目标区域的风场进行采样；

CFD数据库匹配模块，用于实测数据和CFD数据库匹配；

多源数据融合模块，用于实测数据和CFD模拟数据的融合；

三维风场预测模块，基于初始场，求解未来风场变化。