复杂地形风资源特性的数值模拟研究

摘要

在风场的微观选址工作中，首先要计算风电场的风资源，然后根据风资源计算结果排布风力机。风资源分布的计算结果越贴近风资源实际分布状况，越有利于合理地布置风力机。正确的风资源分布计算可以最大限度地利用风能、规避不良流动区域保证风力机运行寿命。如今越来越多的风电场建设在复杂地形上，这里的空气流动状况非常复杂。这给风电场的风资源计算提出了挑战，因为传统的基于线性模型的风资源计算方法不适用复杂地形。相对于线性方法，基于非线性模型的CFD计算方法可以很好地再现流体绕流复杂几何的流动状况。而基于该方法的风资源计算方法将更好的捕捉风电场中风资源的实际分布。因此，开展复杂地形风电场的CFD数值模拟研究对合理开发复杂地形风电场具有非常重要的意义。
　　为了把CFD方法运用到风电场风资源计算和风资源特性分析中去，论文工作首先以平板地形和Askervein山为研究对象，确认了一套适用于复杂地形RANS模拟方法。在该方法的基础上，提出了一套风资源计算方法。方法中包括复杂风电场地形处理、计算域生成、多风向CFD模拟结果综合、流场分析等诸多问题。之后针对复杂地形中存在的非定常流动问题，将DES模拟方法运用到复杂地形模拟中去。先以方体绕流问题作为方法的确认，之后对Bolund岛进行了模拟，探索复杂地形中的流动特征和DES模拟方法的数值特性。
　　与一般的工业问题相比，风电场近地面的流动总是充分发展的湍流边界层流动。为了把已广泛应用于工业问题分析的带有壁面函数的k-ε湍流模型用于复杂地形地貌风电场大气流动的数值模拟，首先以平板地形为几何模型，探索湍流模型、湍流粘性阀值、第一层网格高度、计算域边界条件类型等对模拟沿流动方向均匀大气边界层的影响。然后采用合适的湍流模型参数对Askervein山进行模拟并与实验测风数据比较，验证模型参数的合理性。
　　为把上述方法用于复杂地形地貌风电场的风资源评估和微观选址中去，首先提出一种计算域生成方法。该方法将坐标转换、差值方法和适当的数据搜索方式相结合，把测绘数据和卫星数据组合处理生成按风向的计算域和网格。之后以南澳岛风电场作为研究对象，采用不同入口风速对数轮廓对其进行数值模拟，发现风电场中的风加速与湍流强度基本上不随来流条件发生变化。之后在中性大气条件假设下，以30度风向为间隔，共12个风向，对风电场区域进行数值模拟。基于以上规律和多方向计算结果，并结合全年测风数据评估风电场的风资源分布状况，建立了一套风资源评估的数值模拟及后处理方法，为工程实际提供了有力参考。
　　复杂地形的流场结构极端复杂，有时带有鲜明的非定常流动特征。为了把带有壁面函数的DES模拟方法用于复杂地形风电场的数值模拟，先对数据丰富的方体绕流问题进行DES模拟，作为方法的确认。研究了雷诺数ReH=40000时处于完全发展湍流边界层中的方体绕流。分析讨论了中垂面上物理量和流场以及DES模拟结果的数值特征。DES模拟结果捕捉到了方体前复杂的马蹄涡系统结构及其演化过程。马蹄涡系统由发展涡、主涡、壁角涡以及它们之间的一系列反向旋转的诱导涡构成。提出了在马蹄涡系统发展变化过程中，新发展涡不是在马蹄涡系统上游独自形成的，而是原发展涡分离出主涡后留下的残余部分;主涡由发展涡分离出来的断裂过程由两侧开始，向中间发展汇合，最终从发展涡分离出去。之后采用带有壁面函数的DES方法对具有几乎垂直的悬崖地貌特征的Bolund岛进行了数值模拟。计算中采用了不同密度的网格，计算格式为中心差分格式。给出了网格设置建议。结果表明，在模拟大分离流动时，DES较RANS模拟方法具有显著的优势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 国内外风电发展形势

1．2 课题研究的目的及意义

1．3 湍流模拟方法及复杂地形模拟的研究进展

1．3．1 湍流简介

1．3．2 湍流的模拟方法

1．3．3 地形模拟方法研究现状

1．3．4 带有风力机的风电场模拟方法

1．4 研究内容与论文结构

1．4．1 研究内容

1．4．2 论文结构

第2章 CFD基本理论及数值方法

2．1 引言

2．2 控制方程

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程

2．2．3 能量守恒方程

2．3 有限体积法

2．3．1 空间离散

2．3．2 时间离散

2．4 双时间步推进法

2．5 收敛加速技术

2．5．1 隐式残差光顺

2．5．2 多重网格技术

2．5．3 全多重网格技术

2．5．4 低速预处理方法

2．6 湍流模拟方法

2．6．1 直接模拟(DNS)

2．6．2 大涡模拟(LES)

2．6．3 雷诺时均(RANS)

2．6．4 分离涡模拟(DES)

2．7 壁面函数

第3章 复杂地形RANS数值模拟

3．1 引言

3．2 数值方法

3．3 平板地形的数值模拟

3．3．1 计算域及计算设置

3．3．2 计算结果与讨论

3．3．3 小结

3．4 Askervein山的模拟

3．4．1 Askervein山简介

3．4．2 计算域与网格

3．4．3 计算设置

3．4．4 结果与讨论

3．5 本章小结

第4章 基于数值模拟的风资源分析方法

4．1 引言

4．2 复杂地形处理及网格生成方法

4．2．1 地形数据类型

4．2．2 投影与坐标变换

4．2．3 地形处理

4．2．4 复杂地形处理实例

4．2．5 小结

4．3 南澳岛风电场数值模拟

4．3．1 南澳岛简介

4．3．2 数值方法

4．3．3 计算域与计算设置

4．3．4 结果分析

4．3．5 风资源计算方法

4．3．6 小结

第5章 复杂地形DES数值模拟

5．1 引言

5．2 方体的DES模拟

5．2．1 研究对象

5．2．2 计算域及计算设置

5．2．3 数值方法

5．2．4 收敛判定

5．2．5 结果与讨论

5．2．6 小结

5．3 Bolund岛的DES模拟

5．3．1 Bolund岛简介

5．3．2 数值方法

5．3．3 计算域及网格

5．3．4 计算设置

5．3．5 结果分析

5．3．6 小结

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介