山地风电场微观选址及短期风速预测研究
发布时间：2020-12-09 09:42
山地边界层风场由于受到地形条件等因素的影响变得非常复杂,使得风电场建设从前期选址到后期风力发电预测都十分困难,计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）是预测山地边界层风场的最有效手段之一。围绕山地区域的风电场建设,主要完成了以下研究工作:1、提出了一种基于时程互相关性修正的大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）湍流入口生成方法,并结合有限体积法和高阶谱元法将其应用于实际山地风场特性研究。现有CFD软件通常采用2阶精度格式的有限体积法,色散和耗散较大,对于山地地形周围伴随的分离和再附着等多尺度流动现象,很难给出正确的模拟结果;因此,引入高阶谱元法对山地风场进行大涡数值模拟。大涡模拟的入口必须满足大气边界层近地风场湍流特性,直接生成入口所有节点的脉动风速时程会极大程度增加计算机存储量和计算耗时。利用谐波合成法由粗网格节点生成满足目标湍流强度、功率谱、湍流积分尺度和时程相关性的脉动风速时程数据,然后基于时程互相关性插值得到实际入口节点的风速时程。详细阐述了大涡模拟湍流入口生成方法,以两种不同坡度简单山体为例,对该方法进行了准确...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
中国lOm高度年平均风功率密度分布
１．２．３．２预前模拟法??预前模拟法指在模拟研究对象之前，设置单独的预前计算域，得到目标湍流??特性后，将湍流风速时程施加于主计算域的入口，从而进行相关数值模拟（图１．５）。??该方法的优势在于入口边界来源于真实大气边界层风场的模拟，满足时空相关性、??Ｎ－Ｓ方程及一定程度的能量频谱特性。但要在主计算域得到准确的统计资料及流场??演化过程，通常耗时很长，需要预前计算域模拟足够长的时间并导出参考平面Ｒ??的时程序列。因此，预前模拟法的存储量和计算时间都是非常可观的。基于预前??模拟法的大气边界层模拟方法主要包括缩尺循环法和前置粗糙元法。??ｒ：：Ｌ??＼?＼?＼预前ｕ－算域??ａ??，—一??入口数据库?Ｉ、二二：一一丨．…＿＿＿：二??Ｂ?主计算域??图１．５?预前模拟法示意图??Ｆｉｇｌ．５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ?Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?Ｍｅｔｈｏｄ??（ｉ）缩尺循环法??在平板边界层流动试验中，层流边界层经过一定距离发展则变成湍流边界层，??如直接对整个过程进行数值建模，计算域极大且耗时极长。为缩短计算时长，可??截取边界层流动中的某一段进行模拟，将下游速度重新赋给入口截面，从而实现??流动拟周期循环。周期边界的问题在于边界层沿顺风向不断发展
图２．１?—维问题的有限体积法计算网格??Ｆｉｇ?２．１?Ｍｅｓｈ?ｉｎ?ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ?ｆｏｒ?ＦＶＭ??在控制体积ｐ上积分，得：??Ｊ?＾ｌｄＶ?＝?Ｊ?＾（ｒ＾Ｗ＋?Ｊ?Ｓｄｖ?（２．１２）??ＡＶ?＾?ｄｘ?ＡＪＫ??式中，Ｆ为控制体积的体积大小，对于一维问题，＝?Ａｘ，因此有：??（ｕ＜／＞）ｅ?￣?（ｕ＜Ｐ）ｗ?＝?（ｒ?￣）ｅ?－?（ｒ?－＾－）ｗ?＋?ｓ?（２．１３）??ＯＸ?ＯＸ??问题转化为如何表示控制体积界面上的值，通常采用一定的差分格式，如中??心差分、向前差分或向后差分等，以网格节点的物理量表示对应控制体积界面上??的值。以中心差分为例，假设网格均匀，贝??（２．１４）??ｄ（ｂ．?ｒｐ＋ｒｒ?（ｂＦ?—ｄ）ｐ??｛Ｙ＾￣＾ｒｘｉｄ：＼?（２．１５）??源项＊ｓ通常是时间和物理量０的函数，为简化，通常将ｓ转化为线性形式：??
本文编号：2906692
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
中国lOm高度年平均风功率密度分布
１．２．３．２预前模拟法??预前模拟法指在模拟研究对象之前，设置单独的预前计算域，得到目标湍流??特性后，将湍流风速时程施加于主计算域的入口，从而进行相关数值模拟（图１．５）。??该方法的优势在于入口边界来源于真实大气边界层风场的模拟，满足时空相关性、??Ｎ－Ｓ方程及一定程度的能量频谱特性。但要在主计算域得到准确的统计资料及流场??演化过程，通常耗时很长，需要预前计算域模拟足够长的时间并导出参考平面Ｒ??的时程序列。因此，预前模拟法的存储量和计算时间都是非常可观的。基于预前??模拟法的大气边界层模拟方法主要包括缩尺循环法和前置粗糙元法。??ｒ：：Ｌ??＼?＼?＼预前ｕ－算域??ａ??，—一??入口数据库?Ｉ、二二：一一丨．…＿＿＿：二??Ｂ?主计算域??图１．５?预前模拟法示意图??Ｆｉｇｌ．５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ?Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?Ｍｅｔｈｏｄ??（ｉ）缩尺循环法??在平板边界层流动试验中，层流边界层经过一定距离发展则变成湍流边界层，??如直接对整个过程进行数值建模，计算域极大且耗时极长。为缩短计算时长，可??截取边界层流动中的某一段进行模拟，将下游速度重新赋给入口截面，从而实现??流动拟周期循环。周期边界的问题在于边界层沿顺风向不断发展
图２．１?—维问题的有限体积法计算网格??Ｆｉｇ?２．１?Ｍｅｓｈ?ｉｎ?ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ?ｆｏｒ?ＦＶＭ??在控制体积ｐ上积分，得：??Ｊ?＾ｌｄＶ?＝?Ｊ?＾（ｒ＾Ｗ＋?Ｊ?Ｓｄｖ?（２．１２）??ＡＶ?＾?ｄｘ?ＡＪＫ??式中，Ｆ为控制体积的体积大小，对于一维问题，＝?Ａｘ，因此有：??（ｕ＜／＞）ｅ?￣?（ｕ＜Ｐ）ｗ?＝?（ｒ?￣）ｅ?－?（ｒ?－＾－）ｗ?＋?ｓ?（２．１３）??ＯＸ?ＯＸ??问题转化为如何表示控制体积界面上的值，通常采用一定的差分格式，如中??心差分、向前差分或向后差分等，以网格节点的物理量表示对应控制体积界面上??的值。以中心差分为例，假设网格均匀，贝??（２．１４）??ｄ（ｂ．?ｒｐ＋ｒｒ?（ｂＦ?—ｄ）ｐ??｛Ｙ＾￣＾ｒｘｉｄ：＼?（２．１５）??源项＊ｓ通常是时间和物理量０的函数，为简化，通常将ｓ转化为线性形式：??
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