一种耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法

摘要

本发明涉及一种耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法，包括：输出并处理中尺度气象模式WRF数据；制作小尺度开源计算流体力学CFD模式OpenFOAM的精细化网络；WRF模式与OpenFOAM模式之间数据传递；驱动OpenFOAM模式进行计算。本发明提供的技术方案实现了WRF模式和OpenFOAM模式的耦合计算，将WRF的几公里水平分辨率的数据降尺度为OpenFOAM的30m分辨率数据，可改善WRF在复杂地形下的风场模拟效果，有助于提升风资源评估和风电功率预测业务水平和提高预测准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风场模拟方法，具体讲涉及一种耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法。

背景技术

目前，已有一些基于中小尺度模式耦合的风场模拟方法，如中尺度WRF、MM5、KAMM模式耦合小尺度WAsP、CALMET、WindMap、WindSim、Fluent等模式，其中WAsP、CALMET和WindMap属于线性模式，而WindSim和Fluent则属于商业计算流体力学CFD模式。OpenFOAM模式与WindSim和Fluent一样，属于计算流体力学CFD模式，但与前两者不同的是，OpenFOAM模式属于免费的开源模式。

关于WRF模式：风功率预测和风资源评估都需要尽可能准确的中尺度风场模拟数据。目前不论是国内还是国际上，中尺度风场模拟一般使用WRF、MM5、RAMS等中尺度气象模式，其中以WRF模式(WeatherResearch and Forecasting Model)最受欢迎。WRF的开发始于1997年，由美国国家大气研究中心中小尺度气象处、美国国家环境预测中心的环境模拟中心、预报研究处以及奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心四部门联合发起建立的，并由美国国家自然科学基金和海洋大气部共同支持。现在，WRF得到了许多其它研究部门及大学的科学家的支持，共同参与进行开发研究。WRF模式系统具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便的等诸多特性，使新的科研成果更为便捷地运用于业务预报。

通过近二十年的开发，WRF模式现在具备最为先进的数值方法和数据同化技术，采用经过改进的物理过程方案，同时具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力，重点考虑几公里至几十公里分辨率的水平网格，改进了从云尺度到天气尺度等不同尺度重要天气特征的模拟和预报精度，很好地适应从理想化研究到业务预报等不同应用的需要，并已广泛地使用在风资源模拟和风速预测的业务中。

关于动力降尺度方法和CFD模式：由于WRF属于中尺度模式，重点模拟的是从几公里到几百公里尺度的天气现象，一般只考虑1-10公里分辨率的水平网格，而无法达到几十米分辨率的小尺度精细化模拟。尤其是在复杂地形下，地形对于风速的强迫改变作用难以在WRF中得到体现。因此一般使用降尺度的方法，将WRF输出的低分辨率风速数据转化为高分辨率的精细化数据。降尺度方法分为统计降尺度和动力降尺度，统计降尺度就是利用不同尺度 数据间的统计关系进行降尺度插值，动力降尺度就是中尺度模式驱动小尺度模式得到更精细化的风场。动力降尺度方法是直接求解全流场的方法，所以是更为科学合理的方法。

小尺度模式一般分为两种，一种是基于质量守恒的线性模式，一种是基于计算流体力学的CFD(Computational Fluid Dynamics)模式。线性模式计算速度快，但仅适合于平坦地形，对于复杂地形而言最好使用CFD模式。

小尺度线性模式包括WAsP、CALMET和WindMap。如丹麦的风资源评估软件WAsP，利用地转风和单点的观测资料推算周围的风资源分布，被用来耦合中尺度模式KAMM进行风资源评估。WAsP的计算原理基于质量守恒的线性诊断方法，适用于较为平坦的地形，对于复杂地形的模拟效果则不尽理想。CALMET模式是美国Sigma Research公司开发的小尺度气象风场模式，CALMET曾被用来耦合中尺度模式进行风场模拟，虽然取得了一定的改进效果，但由于计算原理仍属基于质量守恒的线性风场诊断方法，所以在复杂地形上的计算效果仍然欠佳。此外，美国的小尺度气象模式WindMap也被用来耦合中尺度数值模式MASS模拟地面风场，其计算原理和WAsP、CALMET相同。以上3种小尺度模式由于计算原理的限制，都无法模拟出流场在复杂地形上产生的流体回灌和分离层分离等效应，因此只适合于比较平坦的地形，复杂地形则需要使用计算流体力学CFD模式。

CFD模式是将原来在时间域及空间域上连续的物理量的场离散化，然后通过数值计算求解流体运动基本方程(如质量、动量、能量方程等)，得到流场内各个位置上的基本物理量及其随时间变化的关系。由于CFD求解的是原始流体运动基本方程，包含了方程中的非线性效应，所以计算结果要远优于基于质量守恒的线性模式。自1981年以来，CFD模式领域出现了如PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP、FLUENT和WindSim等多种商用计算模式，目前与中尺度模式进行耦合计算的有WindSim和Fluent，其中WindSim由挪威WindSim公司开发，Fluent由美国ANSYS公司开发。从模拟效果来看，中尺度模式耦合CFD模式对近地层风场的模拟准确度有很大提高，尤其是在复杂地形条件下，CFD可以模拟出中尺度模式和线性模式无法模拟出的小尺度流体回灌、分离层分离等效应，能正确的体现出地形对风速和风向的强迫改变作用。但其共同的局限则是作为商业软件较为昂贵，并且软件的封闭性导致操作者无法对软件进行深度定制和拓展自定义功能。并且，软件的计算属于“黑箱过程”，操作者不清楚内容计算的详细过程，也无法修改内部计算参数，不便于进行后期的计算可靠性分析，也不便于改进计算方案。

OpenFOAM作为开源的CFD模式，不但具备商业CFD软件的计算能力，还可为用户避免昂贵的商业软件费用。而且OpenFOAM还有商业CFD软件不具备的开放性和灵活性，其 内部代码完全公开，用户可随意根据需要修改求解器、湍流闭合、数值格式、并行等方案及各项参数，进行深度定制，方便了用户进行计算可靠性分析并进一步改进计算方案。因此，耦合OpenFOAM模式与WRF模式有利于提升风资源评估和风电功率预测业务水平和提高预测准确度。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法，该方法首次实现了中尺度气象模式WRF和小尺度计算流体力学模式OpenFOAM的耦合计算，将WRF的几公里水平分辨率的数据降尺度为OpenFOAM的30m分辨率数据，可改善WRF在复杂地形下的风场模拟效果，有助于提升风资源评估和风电功率预测业务水平和提高预测准确度。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法，其改进之处在于，所述方法包括：

输出并处理中尺度气象模式WRF数据；

制作开源CFD模式OpenFOAM的精细化网络；

WRF模式与OpenFOAM模式之间的数据传递；

驱动OpenFOAM模式进行计算。

其中，所述输出并处理WRF数据包括：

驱动WRF模式模拟目标区域的粗分辨率风场，所述模拟目标区域的4个侧边界设定为矩形边界，侧边界的高度为从地面到其上1000m；

使用插值函数处理WRF模式计算的风场数据，得到侧边界上一系列格点位置上的风场数据；侧边界格点之间的水平距离为WRF模式的水平分辨率，格点之间的垂直距离为5m至200m；输出格点上的风场数据，包括风速u、v、w和湍动能k数据；

对侧边界上每一系列垂直的点进行多项式拟合，拟合函数为风场数据随高度变化的函数，包括u(z)、v(z)、w(z)和k(z)。

其中，所述制作OpenFOAM的精细化网格包括：

生成基于ASTER GDEM地形高程数据30m水平分辨率的精细化网络；

将生成的精细化网络导入OpenFOAM模式中。

其中，生成基于ASTER GDEM地形高程数据30m水平分辨率的精细化网络包括：

下载模拟区域的30m分辨率的ASTER GDEM地形高程数据；

将ASTER GDEM地形高程数据导入GAMBIT或ICEM网格生成工具，生成30m水平分辨率的精细化网格，垂直高度上第一层网格分辨率5m，垂直分辨率随网格高度递增，递增是通过倍增的形式或指数递增的形式(具体的倍增率或递增指数可以根据实际情况指定，但要符合近地面200m以内分辨率高，200m以上分辨率低的原则)；在截取地形的四周再延展出1-2km的平坦面，以避免边界上压力场的异常。

其中，所述WRF模式与OpenFOAM模式之间数据传递包括：

将拟合后的WRF模式侧边界函数写入OpenFOAM模式的边界初始条件文件中；拟合函数u(z)、v(z)、w(z)放置在0/U文件中，拟合函数k(z)放置在0/k文件中；

为OpenFOAM模式安装swak4foam工具，在OpenFOAM模式的计算控制文件controlDict中调用libgroovyBC.so库文件，即实现拟合函数u(z)、v(z)、w(z)和k(z)的计算，为OpenFOAM模式侧边界的精细化格点匹配风场数据，实现OpenFOAM模式对中尺度气象模式WRF数据的读入功能。

其中，所述驱动OpenFOAM模式进行计算包括：

监视WRF模式的输出情况，WRF模式每输出一次数据(输出的时间分辨率一般为15分钟)，就拟合并更新一次OpenFOAM模式的侧边界拟合函数，并驱动OpenFOAM模式进行一次计算；输出的时间分辨率采用15分钟；

监视出入流方向，为入流的侧边界自动选择速度定值入口和压力0梯度，为出流的侧边界自动选速度0梯度和压力定值出口；

驱动OpenFOAM模式进行计算，计算采用SIMPLE算法、RANS计算方案或k-ε湍流闭合模型。

本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明提供的耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法，首次实现了中尺度气象模式WRF和小尺度计算流体力学CFD模式OpenFOAM的耦合计算，将WRF的几公里水平分辨率的数据降尺度为OpenFOAM的30m分辨率数据，可改善WRF在复杂地形下的风场模拟效果，有助于提升风资源评估和风电功率预测业务水平和提高预测准确度。

附图说明

图1是本发明提供的耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法的流程图；

图2是本发明提供的WRF模式与OpenFOAM模式之间数据处理和交换的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明提供的WRF耦合OpenFOAM模式的风场模拟方法，其流程图如图1所示，由4个步骤组成：

1、WRF数据的输出和处理：

(1)驱动WRF模拟目标区域的粗分辨率风场，模拟区域的4个侧边界设定为矩形边界，如图2所示。侧边界的高度为从地面到其上1000m；

(2)使用NCL软件中的插值函数处理WRF计算的风场数据，得到侧边界上一系列格点位置上的风场数据。如图2所示，侧边界格点之间的水平距离为WRF的水平分辨率，格点之间的垂直距离为5m至200m，近地面距离小一些，高空距离大一些。输出这些格点上的风速u、v、w和湍动能k数据；

(3)对侧边界上每一系列垂直的点进行多项式拟合，拟合函数为u、v、w、k分别与高度z之间的函数，即u(z)、v(z)、w(z)和k(z)；这样处理是为了便于将WRF输出的气象数据导入OpenFOAM，解决两种模式因为分辨率不同无法直接进行数据交换的问题。

2、制作OpenFOAM使用的精细化网格：

(1)下载模拟区域的30m分辨率的ASTER GDEM地形高程数据；

(2)将地形高程数据导入GAMBIT、ICEM等网格生成工具，生成30m水平分辨率的精细化网格，垂直高度上的低空采取高分辨率，高空采取低分辨率。为了避免边界上压力场的异常，需要在截取地形的四周再延展出一定宽度(1-2km)的平坦面；

(3)网格生成之后，导入OpenFOAM模式。

3、WRF与OpenFOAM之间的数据传递：

(1)编写脚本，将拟合后的WRF侧边界函数写入OpenFOAM的边界初始条件文件中。u(z)、v(z)、w(z)放置在0/U文件中，k(z)放置在0/k文件中。同一侧边界上有不同水平位置的拟合函数，每个拟合函数只作用于一段水平范围；

(2)在OpenFOAM的计算控制文件controlDict中调用libgroovyBC.so库文件(之前要为OpenFOAM安装swak4foam工具)，即可实现拟合函数u(z)、v(z)、w(z)、k(z)的计算，为OpenFOAM侧边界的精细化格点匹配风场数据，实现OpenFOAM对WRF数据的读入功能。

4、OpenFOAM的驱动：

(1)编写脚本监视WRF的输出情况，WRF每输出一次数据(输出的时间分辨率一般可采用15分钟)，就拟合并更新一次OpenFOAM的侧边界拟合函数，并驱动OpenFOAM进行一次计算；

(2)编写脚本监视出入流方向，为入流的侧边界自动选择速度定值入口和压力0梯度，为出流的侧边界自动选速度0梯度和压力定值出口；

(3)驱动OpenFOAM进行计算，计算采用比较成熟的SIMPLE算法、RANS计算方案、k-ε湍流闭合模型。

本发明提供的技术方案可改善WRF在复杂地形下的风场模拟效果，有助于提高风资源评估和风功率预报的准确度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。