基于WRF和CFD耦合的复杂地形风场数值研究

摘要

人类生活与风的联系极为紧密。风能是一种取之不竭的可再生能源，风力风能的使用对人类社会的发展产生了巨大影响；但频繁且强烈的风灾也导致严重破坏、人员伤亡和经济损失。复杂地形会导致近地面风速风压等特征分布不规则，产生显著的影响。因此精确预测复杂地形的风速和湍流强度非常重要。 本文基于WRF（The Weather Research and Forecasting Model，天气预报模式）和CFD（Computational Fluid Dynamic，计算流体动力学）耦合对复杂地形风场进行数值研究。首先采用自编程序基于GIS数据实现了复杂地形的参数化建模、网格自动划分以及CFD模拟的自动化；接着采用自编UDF程序添加复杂地形覆盖植被对风场的阻力项，研究粗糙度对CFD模拟复杂地形风场的影响；然后选择LES（large eddy simulation，大涡模拟），标准k-ε和RNGk-ε三种湍流模型对多个风向角工况进行数值模拟，与实测数据进行对比，研究湍流模型对复杂地形风场模拟的影响；最后采用自编程序实现WRF和CFD计算软件Fluent在边界处的耦合对接，进行台风风场的降尺度模拟。 结果表明，地表粗糙度长度对实际地形的CFD数值模拟结果影响比较大；使用精细化的地表粗糙度长度模拟风场比使用单一的地表粗糙度长度的误差更小。LES模拟结果可以体现出沿山脊升高时风速比的显著变化，并且在背风面可以捕捉到风速的迅速下降现象；相比标准k-ε和RNG k-ε，LES模拟精度更高，计算稳定且计算量适中，适用于复杂地形的风场模拟。鉴于复杂地形对近地面风场分布具有很大影响，采用WRF和CFD耦合模拟复杂地形风场比单独使用WRF模拟可以得到更符合实际的结果，精度更高。

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