基于数值模拟的复杂地理环境下风资源影响因素的研究

摘要

随着经济的不断发展，我国对各种化石能源的消耗不断增加、环境污染状况的日益严重，使得我国对新能源的需求越来越大。风电由于其蕴藏储量大、对环境基本无污染以及地区分布广泛的特点，越来越受到关注。但是在复杂地理环境下的风电开发过程中，存在着不易安装测风塔的问题，所以需要根据具体的地理环境，对风场地形进行建模与数值计算，以获得所需观测地点的风资源特性，从而为风力发电机微观选址提供参考，实现风能资源最大程度的利用与风力发电模式的最优化。
　　本文研究了基于数值模拟的复杂地理环境下风资源的影响因素，主要内容有：
　　（1）对风工程理论与计算流体力学（CFD）数值方法进行分析。分析了大气边界层风资源的主要特性，包括：风速剖面、湍流规范与不同地貌所对应的大气边界层的主要风场特性。同时，介绍了CFD基本控制方程，包括：质量守恒方程、动量守恒方程与能量守恒方程等三大守恒方程。介绍了控制方程的离散方法，包括：离散的概念与高阶空间离散。介绍了针对湍流数值模拟的四种方法。
　　（2）以经典的贝尔山体模型为基础进行算例研究，重点从收敛性的判定，网格依赖性和湍流模型的敏感性进行分析，并通过对所建立的数值模型进行不断修正，将现场测量值、实验值、数值模拟结果进行对比验证，最终确认出一套适用于山地风场的数值模拟方法。
　　（3）分析了 CFD数值模拟过程中，山体的表面粗糙度对山体整体风场特性的影响程度。进行了针对单山模型的模拟与计算，并分析了山体坡度对整体风场参数的具体影响。进行了双山模型中两个山体左右排列情况的模拟与计算，分析了山体坡度、山体间距对整体风场参数的影响。
　　（4）利用 CFD方法并基于风切变系数对西南某地区山地风电场的实际地形进行的微观选址研究，分析复杂地形的风场分布，着重考察风机处的风切变系数变化，讨论了机位在该风场中安装的可行性，分析了风切变系数在机组疲劳设计阶段的影响。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 风资源特性研究方法

1.3 复杂地形风资源特性模拟与湍流模拟方法的研究现状

1.4 主要研究内容

1.5 本章小结

第二章 风工程理论与CFD数值方法

2.1 大气边界层风资源特性

2.2 CFD基本控制方程

2.3 控制方程的离散

2.4 湍流数值模拟方法

2.5 本章小结

第三章 典型地形风资源数值模拟敏感性参数研究

3.1 引言

3.2 数值方法

3.3 经典地形数值模拟

3.4 计算结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 单双山模型风场特性的数值研究

4.1 建模过程与粗糙度选择

4.2 单山模型

4.3 双山模型

4.4 本章小结

第五章 风资源数值模拟在实际风场中的应用

5.1 引言

5.2 实际复杂地形建模处理

5.3 数值模拟在实际风电场中的应用

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果