基于数值模拟的复杂地形风场风资源评估方法

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1、万方数据第30卷第3期空气动力学学报V01．30，No．32012年6月ACTAAERODYNAMICASINICAJun．，2012文章编号：0258—1825(2012)03一0415-06基于数值模拟的复杂地形风场风资源评估方法梁思超1，张晓东1，康顺1’2，康雅兰3，赵永锋4(1．华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京1022062．西安现代控制技术研究所，陕西西安710065；3．中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，北京100120；4．中国福霖风能工程有限公司，北京100034)摘要：与采用线性模型的WAsP软件相比，CFD方法

2、具有可以逼真模拟复杂地形三维风场大气流动的优势，因此成为了复杂地形风场风资源评估的发展方向。为了把CFD软件包FINE／TURBO和带有壁面函数的}￡湍流模型用于复杂地形地貌风电场的风资源评估和微观选址中去．本文以南澳岛风场作为研究对象，在中性大气条件假设下，对风场区域以30。风向为间隔进行数值模拟。研究采用不同入口边界条件对数值计算结果的影响。比对模拟结果发现，风场中的风加速与湍流强度基本上不随来流条件发生变化。基于这一规律，结合全年测风数据评估风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。关键词：湍流模型；微观选址；数值

3、模拟；风资源；大气边界层中图分类号：TK89文献标识码：A0引言风电场风资源评估和微观选址的好坏将直接关系到风电场发电量的多少。经过大量工程实践，基于线性模型的WAsP软件被认为不适用于复杂地形风场。计算流体力学(CFD)作为一种很有前途的手段，在这一领域正不断发展。湍流数值模拟方法主要有直接模拟(DNS)、大涡模拟(LES)、分离涡模拟(DES)以及雷诺时均模拟(RANS)。从精度上看，在实际山地Bolund山测风实验的盲评中，排名靠前的均为两方程的雷诺时均数值模拟方法，优于大涡模拟和风洞实验结果。综合计算精度，运算时间，计算机资源，雷诺时均法还没有受到其他任何模拟方

4、法的挑战[1]。带有壁面函数的k-e湍流模型，由于同时考虑了风速，湍动能以及地表粗糙度，适于风工程的研究。为把这一用于工业流动问题的模型用于风工程研究，前人对湍流模型参数进行了修正[2_3]。2009年在NUMECA软件平台下，提出其他相关参数对模拟的影响，作出进一步修正n]。使用该修正模型的Ask—ervein山数值模拟结果很好地与实验值吻合。为了将这一模拟方法用于实际风场的风资源评估和微观选址中去，以实际南澳岛风场为研究对象。结合测绘数据和卫星数据等间隔生成不同风向下的计算域，进行全周数值模拟。1南澳岛简介为了简化问题，降低边界条件设置难度，选取岛屿地形南澳岛风场作

5、为研究对象。南澳岛濒临台湾海峡，处于南海北部，距离汕头市莱芜岛约10km，面积106．45km2，岛上山地面积占93．6％。岛上平均风速达8．44m／s，年有效发电小时数达7215h，年平均有效风能密度为678W／m2，有东北和西南两个主风向，风力资源居世界最佳之列。图1南澳岛Fig．1Nanaoisland*收稿日期：201l一01—08；修订日期：201l-02—26基金项目：国家国际科技合作计划资助(2010DFA64600)作者简介：梁思超(1984一)，男，辽宁沈阳人，博士研究生，主要从事：风电场微观选址的数值研究万方数据416空气动力学学报第30卷瓣嘲i一■

6、22·24口20-22口18-20口16·t8口14．16■12-】4■10一12●8-10●6-8■4．6●2—4■0-2图2固定测风塔位置图36号塔风向玫瑰图Fig．2FixedmastspositionsFig．3Windroseof6#南澳风电场资源勘测期间，设立了若干固定测风塔和移动测风塔。其中，l、2、3、4、6、7号测风塔为固定测风塔，测有全年风资源数据，位置如图2所示。从6号测风塔70m高度处风向玫瑰图(图3)中可以看到，南澳岛的主风向为40。左右。2数值方法采用NUMECA的FINE／TURB0软件包，该软件采用时间相关法求解湍流Navier—Stok

7、es方程、中心节点的有限体积离散、显式Runge—Kutta法，全多重网格初场处理以及多重网格迭代加速收敛。选用的湍流模型为带有壁面函数的肛￡湍流模型。2．1k-e两方程湍流模型标准肛￡湍流模型三维标准输送方程为：云(川+砉(咖，)一蠹『(户+等h，ak，7，+Pt—IDe(1)易(一+丢(J0EUj)一蠹[(产+等)妾卜c，Pk--C吐P警@’k和￡为湍动能及耗散率，湍动能生成项R为：P。一一_1)面警(3)式(3)中，U，和U：分别为j方向的平均风速和脉动速度。湍流粘度为：肚一f0(：。L(4)湍流模型参数参数C。、C。、cE。、靠、