基于CFD的風(fēng)電場湍流強(qiáng)度計算研究與應(yīng)用

　　2.2 湍流數(shù)值模擬方法
　　湍流流動是一種高度非線性的復(fù)雜流動，目前湍流數(shù)值模擬（DirectNumerical Simulation， 簡稱DNS）可分為直接數(shù)值模擬方法和非直接數(shù)值模擬方法。
　　直接數(shù)值模擬方法是直接用瞬時的Navier-Stokes 方程對湍流進(jìn)行計算，DNS 的最大好處是無需對湍流流動作任何簡化或近似，理論上可以得到相對準(zhǔn)確的計算結(jié)果，但DNS 對計算機(jī)內(nèi)存空間和計算速度的要求非常高，目前還無法用于真正意義上的工程計算，但大量的探索性工作正在進(jìn)行之中。
　　非直接數(shù)值模擬方法是不直接計算湍流的脈動特性，而是設(shè)法對湍流作某種程度的近似和簡化處理完成模擬計算。非直接數(shù)值模擬方法分為大渦模擬方法（Large EddySimulation，簡稱LES）、統(tǒng)計平均法和Reynolds 平均法（RANS）。
　　統(tǒng)計平均方法基于湍流相關(guān)函數(shù)的統(tǒng)計理論，主要用相關(guān)函數(shù)及譜分析的方法來研究湍流結(jié)構(gòu)，該方法在工程上應(yīng)用不廣泛。LES 方法是用Navier-Stokes 方程直接模擬湍流中的大尺度渦，不直接模擬小尺度渦，該方法對計算機(jī)硬件要求仍比較高。RANS 方法是將湍流瞬態(tài)的脈動量通過某種模型在時均化的方程中體現(xiàn)出來，該方法是目前使用最為廣泛的湍流數(shù)值模擬方法，根據(jù)采用的模型不同RANS 方法又分為零方程模型、k-L 模型，κ-ε 模型等多種類型。
　　2.3 仿真軟件簡介
　　Meteodyn WT 軟件是法國Meteodyn 公司基于計算流體力學(xué)原理（CFD）開發(fā)的風(fēng)能資源計算分析及風(fēng)電場微觀選址的軟件。CFD技術(shù)根據(jù)流體力學(xué)的規(guī)律進(jìn)行模擬求解，將風(fēng)電場區(qū)域分解為小的立方體空間（即網(wǎng)格），基于k-L 模型，求解復(fù)雜的Navier-Stokes 偏微分方程組，從工程實踐來看，該方法效果較好，能滿足工程需要。
　　Meteodyn WT 軟件需要輸入風(fēng)電場地形地貌文件（包括等高線地形數(shù)據(jù)、地表粗糙度數(shù)據(jù)）、氣象觀測數(shù)據(jù)文件（包括風(fēng)速、風(fēng)向、標(biāo)準(zhǔn)偏差等數(shù)據(jù)）、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組坐標(biāo)值文件，通過風(fēng)電場定向計算部分可以迭代得出不同風(fēng)向的穩(wěn)定風(fēng)場分布，再利用風(fēng)電場內(nèi)測風(fēng)塔的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計算得到整個模擬區(qū)域內(nèi)的不同高度的觀測時段內(nèi)平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度等，若場區(qū)內(nèi)有多個測風(fēng)塔，可以通過多塔模型對場區(qū)內(nèi)多個測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)綜合計算分析得出模擬區(qū)域內(nèi)平均風(fēng)速、風(fēng)向和湍流強(qiáng)度等風(fēng)能資源參數(shù)。
　　WAsP 是由丹麥Risφ 國家實驗室開發(fā)出來的風(fēng)資源分析處理軟件，其主要功能是對風(fēng)電場風(fēng)資源進(jìn)行評估。該軟件以特定的線性數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過輸入氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、地表粗糙度和障礙物等數(shù)字化信息，可以估算風(fēng)場范圍內(nèi)某一給定點的風(fēng)資源狀況。
　　3.仿真計算方案
　　本文選取某復(fù)雜地形風(fēng)電場作為算例進(jìn)行湍流仿真計算，并將計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。風(fēng)電場地域狹長，呈南北走向，地勢高峻起伏，地形復(fù)雜。風(fēng)電場內(nèi)設(shè)有3 座70 米高度的測風(fēng)塔，位置呈南北分布依次標(biāo)記為1#、2#、3#，其中2# 測風(fēng)塔位于1#、3# 測風(fēng)塔之間，詳見圖2，測風(fēng)高度及選取的測風(fēng)數(shù)據(jù)時間詳見表2。

　　仿真計算采用的數(shù)字化地形圖為實地勘探測繪的等高線地形圖，并通過Google Earth 下載風(fēng)電場區(qū)域地貌影像，結(jié)合地形圖進(jìn)行地表粗糙度文件設(shè)置。