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1、华南理工大学学报(自然科学版)第37卷第9期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyVo.l37No.92009年9月(NaturalScienceEdition)September2009文章编号:10002565X(2009)0920030206*复杂地形风能评估的CFD方法11123肖仪清李朝欧进萍宋丽莉李秋胜(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳518055;2.广东省气候与农业气象中心,广东广州510080;3.香港城市大学建筑系,香港九龙)摘要:为解决传统方法不能
2、评估复杂地形风能分布的问题,从某复杂地形的实测记录中选定两次风向稳定的强风过程为研究工况,建立了该地形40m@40m和20m@20m两种网格分辨率的六面体结构网格模型,采用SSTk2X及RNGk2E两种湍流模型模拟了风速场分布.157b和83b两个风向的模拟结果表明,SSTk2X模型优于RNGk2E模型,20m水平间距的网格精度更高,其中SST(20m)的模拟结果和实测风速的平均相对误差分别为6146%和5150%.最后,综合CFD模拟的风速比分布与当地的常年气象资料,提出了复杂地形全风向风能评估方法.关键词:复杂地形;
3、计算流体力学;现场实测;风能评估;微观选址+中图分类号:TU973.32文献标识码:A风能资源的评估方法在5风电场风能资源评估坡或者连续的山脉地形时,它们往往过高地估计了[1][3][4]方法6(GB/T18710)2002)中有详细的论述,但风速;杨振斌等采用准静力模式计算了典型山该方法并不适用于复杂山地地形风场.位于复杂地丘的风场,该方法仅适用于坡度小、垂直运动较弱的[5]形中风电场的风能评估难点在于风力发电机(简称地形;龚强等采用中尺度气象模式MM5分析了风机)的微观选址,这需要对场地中风速分布有完辽宁近海的风资源
4、分布,但该模式的尺度太大,并不整、详实的准确估计.目前获取复杂地形中风场分布能给出局部地形的风能分布;而采用计算流体力学情况的方法主要有3类:(CFD)方法能够模拟大气边界层中的湍流在复杂地[6](1)现场实测.在现场关键位置安装测风塔,开形中产生的撞击、分离、环绕、再附等现象.笔者展1~3年风速、风向的连续观测后,进行风资源的模拟了3种典型地形的风场分布,与风洞试验数据[2][7]评估.现场实测能够真实反映现场的风资源状吻合度较高.况,在风电场前期建设中必不可少.但限于测风塔数采用CFD数值模拟评估复杂山地地形中的风量
5、,对风机微观选址的帮助有限.能分布具有省时、经济、高效的特点,是未来的发展(2)风洞试验.建立复杂地形的缩尺模型,在大方向.由于流场的模拟准确程度将直接影响到风电气边界层风洞中测量风场分布.综合考虑费用、周期场建成后的效益问题,所以,文中将研究复杂地形中以及试验精度,风洞试验较之现场实测方法并不具明风场分布的CFD精细化模拟方法,并依据某复杂山[2]地风电场的现场实测数据验证方法的精度,进而讨显优势,因此常用于典型地形的风场验证研究.(3)数值评估.求解复杂地形风场的数值方法论风能综合评估的方法.较多,如商业风能评估软件
6、WAsP.WindFarm等使1风能现场观测用线性流动模型,能够给出平坦或起伏不大地形(坡度<20b)的合理风速分布,但当遇到陡峭的山我国南部某沿海岛屿风资源十分丰富,计划在收稿日期:2009201204*基金项目:国家自然科学基金面上项目(50778059)作者简介:肖仪清(19732),男,博士,教授,主要从事风工程、结构安全评定与健康监测研究.E2mai:lxiaoyq@hit.edu.cn第9期肖仪清等:复杂地形风能评估的CFD方法31该山地场地安装风机.风机的产能正比于风速的立[1]2CFD模型的建立及参数设置
7、方,因此风速的提高将大大提高风机的产能.为寻找该场地风机安装的最佳位置,已经在该场地选2.1复杂山地地形的网格模型择设置了9个现场测风站点,在其上共安装18个测山地地形模型的边界基于地理信息系统(GIS)风仪,观测记录了两年内逐小时的平均风速和风方的数据建立,在该场地的上下游截取了足够的区域向数据.该地区地形图及9个测风站点的位置如以确保计算域中大气湍流的充分发展.采用了六面图1所示,各测风站点测风仪的安置情况见表1.体结构化网格系统,对于没有突兀的凸起或者凹陷风机塔架的高度为55m,风机叶片长度为45m.部的边界条件,
8、结构化网格生成速度快,网格倾斜率分观测塔上在多个高度分别安装了多个测风仪,小,计算收敛迅速,结果精确.为比较水平方向上的它们的安装高度是根据风机塔架高度和叶片长度网格分辨率对计算精度的影响,在水平方向的网格设置的.分辨率选择了两种方案进行对比分析,间距分别为20m和40m.在垂直高度方向,统一划分为70段,其中第1层
