[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

说明书

本发明公开了基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法及系统，属于大气风场测量领域，基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法及系统，在进行边界条件离散时，根据目标区域风速风向的概率分布来进行边界条件离散，可减少计算工况并节约计算成本，在测风激光雷达实测数据与CFD数据库匹配前，先根据测风激光雷达实测结果进行分块处理，充分考虑了实际风场常常出现风速风向转变情况，在进行CFD数据匹配时，根据反演精度来确定加权系数，提高了匹配精度，充分利用了测风激光雷达测风精度高的特点和CFD模拟风场信息全的特点，弥补了测风激光雷达采样空间有限，容易受挡的缺点，弥补了CFD难以模拟多变的复杂环境的缺点。

技术领域

本发明涉及大气风场测量领域，更具体地说，涉及基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法及系统。

背景技术

传统数值天气预防方法系统如WRF，常用全球或跨区域的三维风场预报，而针对局部区域（工业园区、城市、机场等）的精细风场建立，是目前很多工程和科学问题的关键。例如，恶臭异味污染是指一切能够通过刺激嗅觉感官从而引起人类心理厌恶感的气体，它往往是由多种有机物组分构成的混合物，是一种典型的大气环境污染。恶臭异味污染不仅对人体健康造成伤害，而且对社会稳定和经济发展都会产生影响。实现工业园区三维风场重建，可用于深入研究化工园区的恶臭异味污染的时空分布特征，并对恶臭异味污染进行溯源和未来轨迹的分析，在经济和社会效益上都具有重要意义。随着航空运输总量的不断增长，飞机的飞行密度也迅速膨胀，而机场风切变事故也不断地报道出来，低空风切变严重威胁飞行安全。由于风场具有随机性、变化快等特点，机场三维空间风场建立，对威胁飞机飞行的安全危险事件（风切变、大风、阵风、顺风、侧风、湍流等）的实时预警和预报具有重大意义。此外，局部三维精细风场的重建和预报，对风力发电场、城市风场、山地风场、桥梁建筑风工程都有重大应用价值。

目前针对局部区域三维风场的实验测量手段包括探空气球、风廓线仪、测风激光雷达、地基风速仪等等，但是这探测设备只能对局部的空间的风场采样，覆盖面低。虽然遥感测风设备如测风激光雷达能通过扫描来对空间风场进行采样，但是耗时长、光束常被地表建筑或地形遮挡，且只能获得较为准确的径向速度，其他分速度的反演精度有限。现有的探测手段都无法直接获得局部区域的三维精细风场。计算流体动力学（CFD）模拟通过求解控制流体流动的微分方程，可以模拟精细的风场流动情况，具有成本低，信息全、距离分辨率高和能模拟实际过程中各种状态的优点，随着高性能计算机的发展，CFD被广泛应用于城市风场研究中。而实际风场情况非常复杂，CFD模型的复杂初始条件和边界条件难以准确获取，难以适应不同的物理场景，且CFD模拟的计算量大，实时性较差。将探测技术和模拟技术的优缺点结合起来实现三维精细风场重建，具有重大意义。

发明内容

1．要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法及系统，它能够根据测风激光雷达测量数据，结合CFD数据库，实现局部区域精细风场的重建，可用于机场气象保障、城市风场、山地风场研究，以及化工园区的污染和异味溯源和扩散追踪。

2．技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

基于CFD模拟和测风激光雷达的风场重建方法，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；