基于cfd模型的含风向变化的非定常流场风速评估新技术

抽象的

由于日本的重要部分的特点是陡峭，复杂的地形，这导致风速的复杂空间分布，因此为选择风力涡轮机发生器（WTG）的施工是必要的。我们开发了一个CFD模型，称为Riam-Compact（九州大学应用力学研究所，九州大学应用机械研究所，在复杂地形上的气流计算预测）。Riam-Compact CFD模型基于大涡模拟（LES）。Riam-Compact的计算领域可以从几米到几公里延伸，Riam-Compact可以高精度地预测气流和气体扩散。本文提出了一种用于评估WTG的部署位置的技术。所提出的技术采用Riam-Compact CFD模型，并模拟连续风向在360度上变化。

1.介绍

随着2007年6月修订的《日本建筑标准法》的实施，所有高度超过60米的建筑都要接受指定机构的性能评估和国土交通部长官的批准。这些要求是在预先修订的法律规定的结构申请批准之外的。在风力发电机的情况下，这些法律的修订要求计算的参考风速在风力发电机的毂高，这是相关的抗风设计的涡轮机。因此，受地形影响的轮毂高度风速与不受地形影响的轮毂高度风速(轮毂高度风速的分数增大)的比值需要考虑地形因素进行计算。在此背景下，《风力发电机支撑结构设计指引/评注》[1[2007年，日本土木工程师会出版。公布的指导方针是基于“日本建设标准法”[2]“建筑物建筑物建筑研究所的建筑物建筑物建筑物/评论”[3.］.指南建议使用16个风向的数值模型来评估风力涡轮机的设计风速。

同时，我们提出了一种计算参考风速的方法，用于涡轮机的抗风设计[4.］.这种技术确保了风力涡轮机的运行安全，并能够考虑到与现实中观察到的高风速条件。具体地说，用中尺度气象模式模拟过去曾以高风速袭击有关地点的台风，并确定预期的高风速方向。随后，利用RIAM-COMPACT计算流体动力学(CFD)模型对识别的风向进行分析[5.］.为该分析，从Messcale气象模型的分析评价了连续风向变化对高风速发生的影响。然而，在Mescle气象模型中，许多气象现象，如积云对流和降雨通常以空间分辨率为几百米到几公里（称为“参数化”）的空间分辨率。因此，中尺度气象模型的空间分辨率通常不够高，以便能够考虑周围地形对风力涡轮机的影响，这是风力涡轮机的防风设计所必需的。此外，当在Mescle气象模型中使用粗略计算网格时，不能充分模拟风速波动。即使使用高分辨率计算网格，只要进行风向依赖性模拟，即使进行了风向依赖性仿真，也不能轻松地模拟由于周围地形的影响而导致的风向和速度的微量变化，精度大于角度resolution of the input wind directions (e.g., 22.5° for a 16 wind direction simulation).

本文提出了一种解决上述中尺度气象模式使用中存在的问题的方法。该技术利用了CFD模型的优势，该模型能够模拟非定常湍流场，并使用风向在时间上连续变化的计算方法来评估风力机抗风设计的所有风向的风速。

2.数值计算方法

2.1。CFD模型

在这项研究中，Riam-Compact Natural Terrain版本模型[5.使用以避免数值不稳定性并以高精度预测复杂地形上的气流。Riam-Compact Natural Terrain版本模型在一般曲线坐标系中使用并置网格。速度分量和压力在电池中心定义，并且由雅各者乘以雅加诺斯的协调速度分量导致的变量在细胞面上定义。对于计算技术，采用有限差分方法（FDM），并且LES模型用于湍流模型。在LES中，在流场上应用空间滤波器，以将各种刻度的eddies分开到网格级（GS）组件中，该组件大于计算网格，以及小于计算的子级（SGS）组件网格。大规模漩涡，即湍流漩涡的GS组件直接模拟，无需依赖于使用物理上简化的模型。小规模漩涡的主要效果，即SGS组件是为了消散能量，并且这种耗散基于SGS应力的物理考虑来建模。对于流量的控制方程，使用用于不可压缩流体和空间过滤的Navier-Stokes方程的空间滤波的连续性方程。因为本研究是在高风条件下的气流预测，所以忽略了通常存在于大气中的温度分层的效果。

计算算法和时间线程方法分别基于分数步骤（FS）方法和欧拉显式方法。Poisson的压力方程通过连续的过度（SOR）方法解决了。由于除对流术语外的所有空间术语的离散化，应用了二阶中心差分计划。对于对流术语，应用三阶逆风差分方案。基于4点差异的插值技术和kajishima的4点插值[6.，用于以对流项离散形式出现的四阶中心差分。在对三阶迎风差分数值色散项加权时，通常适用于Kawamura-Kuwahara计划[7.］.然而,设为0.5，以减小数值色散的影响。对于LES亚网格尺度建模，常用的Smagorinsky模型[8.]采用。壁阻尼功能用于0.1的模型系数。我们开发了一种基于LES的模型，用于分析可变地理的中性流量，并将其应用于适当的场地选择问题。使用来自风洞的数据在简单的几何形状和真实网站上使用来自风洞测试的数据进行评估模型性能[5.］.

2.2。计算条件

主要利用日本地理调查研究所的50 m高程数据重建计算域的地形。风电机组附近采用细网格间距，对地形特征进行了详细的重构。计算域是建立在这样一种气流特征在涡轮位置受地形影响(逆风区),涡流流的计算域平稳,和涡轮气流位置是免费的从流出边界的影响(背风区(图)1）.为了在陡峭地形上的气流分析，建立缓冲区，围绕计算域。缓冲区中的地形平坦，高度接近零米，并将平稳连接到计算域中的地形。

在边界条件方面，上边界和边边界均采用滑移条件。对于上边界，水平风速分量的垂直梯度(那）和垂直风速分量（)均设为零。对于侧边界，流动风速分量的横向梯度（），垂直风速分量（），以及翼展风速分量的（)均设为零。在入流边界条件下，根据第11号公告，得到平均水平风速的垂直廓线。建设部的1454，是根据粗糙度分类应用的(图2和表格1）.此外，对流出边界和地面施加对流流出条件和无滑移条件。在本研究中提出的技术的计算中考虑了风向的变化。因此，当流动通过侧边界被引导到计算域时使用流入边界条件，并且当流动通过侧边界被定向到计算域时，使用流出边界条件。

3.设计风速评估的一个例子

3．1.风电场概述

在本节中，应用了所提出的技术来评估日本风电场的涡轮机的适当风速。评估是为风电场制造的，该风电场由具有62米的转子直径的十个风力涡轮机组成（图3.）.每个涡轮机的毂高和输出功率分别为60 m和1.3 MW。数字3.显示计算域的详细信息(参见表)2）.

３．２．风向变化

对于入流廓线，根据以往文献选取了粗糙度等级III的水平平均风速的垂直廓线[1］.该选择基于风力涡轮机周围的表面粗糙度。使用相同的风速垂直轮廓，执行模拟，其中风曲线连续超过360度旋转（图4.）.为了确保风向变化对大约10分钟间隔内计算的统计值影响较小，将风廓线360度旋转所需的时间步长数设置为合适的值。这个值是根据风向变化率对模拟结果影响的调查结果选择的。在这次调查之前进行主要的模拟,模拟的结果与一个固定的垂直廓线风速旋转360度比较模拟结果与两种不同的设置:(1)风速剖面旋转的时间步骤的数目增加到原来的10倍;(2)风廓线不旋转，即气流来自一个固定的方向。在本研究中，40万时间步长用于旋转风向360度(9 × 10)^-4degs/step)，无量纲时间间隔0.002(实际时间约0.1秒)。对于仿真，并行计算是使用一台带有Intel Core 2 Extreme 6850 (3 GHz, 4核)、2gb内存、Intel Fortran v.10.1.025和Windows XP SP3的单台计算机进行的。整个模拟需要70,790 s(约20小时)的风向变化360度(400,000时间步)。

在模拟中，在开始模拟后立即观察到一些波动。这种现象意味着它需要一些有限的速度场，以稳定和压力场收敛。避免这种现象通常是不稳定风流量的数值概要模拟的不可行。为了避免这种现象的影响和准确地评估风速，初始风向在360度上变化（400,000次）被视为旋转计算。来自随后的风向改变的计算结果360度用于评估下面讨论的设计风速。

3.3。计算结果

数字5.示出了每个涡轮机位置处的风速向量（瞬时值）的垂直轮廓。在风向旋转超过360度之后获得这些型材。该图表明，由于地形效应，每个风力涡轮机的船际局部局部地局部增加。数字6.结果表明，风速和湍流强度随风向变化明显。在该图中，给定涡轮轮毂高度的风速以轮毂高度风速的分数增大来表示，即:毂高水平风速的10分钟移动平均值(标量值)与不受地形影响的毂高流入水平风速的比值(高度修正系数)在表1)，

3.4。设计风速评价

在本小节中，通过计算仿真结果的船舶风速的分数增加来评估设计风速。在船站的设计风速，表示为，可根据文献(3.1)估计[1): 在哪里是山东风速的分数增加，图中是否给出了高度校正系数2和表格1节2.2， 和为《建筑标准法实施令》第87条规定的设计标准风速(对于当前模拟的目标区域，）.在这里，Hubheight风速的分数增加的最大值6（a）是用来,在那里定义为图中(涡轮毂高水平风速)/(涡轮毂高风速)2， 桌子1．的价值1.70来自Figure6（a）．为，使用以下值： 如果使用粗糙度分类III的相关值，估计是为60米的Hubheight进行的。

设计风速对于本研究中的船站可以计算为： 然而，设计者需要考虑一个安全系数，以确定设计风速的值为毂高。

4.总结

在本研究中，对船坑评估了风力涡轮发电机的设计风速。评估是使用流体动力学模型Riam-Compact进行的，这允许分析不稳定的湍流场。精确地模拟了受周围地形影响的风速和方向变化，并且模拟结果用于评估所提出的技术的设计风速，如下所示：

拟议评估技术的程序：
（1）使用诸如日本地理调查研究所的50米高程数据等数据构建复杂地形信息。涡轮机附近采用细栅间距，以便详细再现地形特征。当复杂地形中包含在计算域中时，围绕计算域设置具有平坦的缓冲区，几乎零升高，并且将缓冲区中的地面调整以平滑地连接到计算域中的复杂地形。（2）使用以前的文献[1[，流入风速的垂直轮廓根据分析结构域周围的区域中的表面粗糙度确定。（3）执行模拟，在此期间在步骤2中确定的风速的垂直轮廓连续地旋转360度。（4）根据文献评估了Hubheight风速的分数增加[1，并对设计风速进行了评估。

所提出的设计风速评估技术已应用于日本境内的一个风电场。给出了设计风速评估的具体程序，并对涡轮毂高进行了设计风速评估。所提出的技术的特点包括以下几点。(我)可以更准确地模拟受到风场上周围地形的影响的微尺度风速和方向变化，其可以比该技术更准确地模拟用于对特定数量的风向进行模拟的技术，例如8或16个方向。(2)提出的技术不需要生成新的计算网格或自旋计算风场稳定分别为每个预定的风向。因此，可以大大缩短仿真时间。

此外，具有连续风向变化的非定常风流量的本发明的数值风概要预测技术的可能应用包括：(我)数值站点校准（NSC）[9.]，(2)复杂地形上的湍流强度预测，（iii）耦合与Mescle气象模型的数值结果。

致谢

本研究的部分资金来自(1)2010财政年度青年科研补助金(a)〜2011年，“发展亚洲大型城市大气环境的局部风概要预测技术，有效地利用风能”（原则调查员：Takanori Uchida），（2）第21期第21期楚乌电工技术研究基础：2010财政年度，“高精度风力发电机微型汽轮机微选手技术”（原则调查员：Takanori Uchida），（3）Hatayama的研究授权文化基础：2010财政年度，“风力发电机微型选址技术的开发有助于适当部署风力发电设施”（原理调查员：Takanori Uchida）。在本研究中使用的各种数据集是由欧元能源日本公司的Graham Li提供。作者希望对上述资助机构和个人表示感谢。

参考文献

1. 风力涡轮机支持结构/评论设计指南，日本土木工程学会，2007。
2. 日本建筑标准法，2000。
3. 建筑研究所 - 建筑物/评论的负荷建议，2004年。
4. T. Uchida，T.Maruyama，T. Takemi，Y. Oku，Y. Ohya和Graham Li，通过使用气象模型和CFD模型，WTG安装点设计的风速评估技术的提议，“风力工程与工业空气动力学学报， vol. 34, pp. 118-124, 2010(日文)。查看在：谷歌学者
5. T. Uchida和Y. Ohya，“使用大涡模拟的风力涡轮机发生器微选手技术”风力工程与工业空气动力学学报，第96卷，第2期10-11，页2121 - 2138,2008。查看在：出版商网站|谷歌学者
6. T. Kajishima，“使用非均匀网格的对流术语有限差异方法”日本机械工程师学会汇刊，B辑，第65卷，第5期633页，1607-1612,1999。查看在：谷歌学者
7. T. Kawamura，H. Takami和K.Kuwahara，“在具有表面粗糙度的圆柱体周围的高雷诺数流动的计算”流体动力学研究，卷。1，不。2，pp。145-162,1986。查看在：谷歌学者
8. 斯马戈林斯基，"用原始方程进行的一般循环实验，第一部分，基本实验"每月天气回顾，卷。91，pp。99-164,1963。查看在：谷歌学者
9. T. Sanada，M. Fujino，D. Matsushita等，“复杂地形上的数值校准及其用于风力涡轮机性能测量的应用，”欧洲风能会议（EWEC）的诉讼程序，页156-160,2006。查看在：谷歌学者

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