基于CFD不平坦地形对风的影响

【摘 要】针对不同的地形对风有不同的影响作用，结合fluent建立接近真实地形的模型，建模之后，划分网格，确定边界条件。结合气象资料确定边界条件（风速风向）然后输入边界条件，运行FLUENT软件，模拟不平坦地形对风的影响。结果表明：1该模型能够清晰的模拟出复杂地形对风的影响包括压力和速度。2对该复杂地形细分可以模拟山区和平原对风的不同影响。3通过改变输入边界条件风速风向的大小，形象具体的模拟出随时间变化复杂地形对风的研究。

【关键词】fluent建模；网格；边界条件；复杂地形

1 不规则地形对风的影响

不规则的地形会改变风的流态。平坦地形对风特性即风速风向和紊流的影响；不平坦地形对风特性的影响是变化的。在山区，地形复杂，地势起伏不平，粗糙度大，大气流动能大量消耗于克服摩擦力。相反，在平原区，地形单一，地势平担，粗糙度较小，摩擦力比山区小。这样就形成了山区和平原区对风的不同影响[1]。

2 CFD的研究现状

相对于中尺度模式模型尺度比较粗糙；近年来，随着计算机能力的增强，越来越多气象领域的研究都开始采用以往用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学CFD 模式。CFD模式具有成熟的网格生成模块，能够自适应地生成各种复杂地形上的贴体网格，以及强大的后处理模块用于显示局部的复杂流动等优势。在模拟复杂地形条件下的边界层流场的尺度方面更为细致。目前CFD 技术广泛应用于风工程分析、建筑结构设计、城市风场预测及空气污染物扩散等方面。Kazuya等通过CFD 数值模拟的方法对城市不同功能区域的热环境进行了模拟，并与实测结果进行了对比，结果表明模拟效果与城市实际的热环境分布比较符合。Rajagopalan P建立了一个微气候 CFD 模型，发现在建筑布局中有高塔的存在可以有效的增强街谷风速，降低温度[2]。虽然CFD模式在小尺度甚至微尺度环境的风场模拟有较高的精度，但是普遍存在一个问题是CFD模式的边界输入场设定灵活性欠佳，大部分研究采用理想化试验条件，再复杂一点可以使用UDF（User Defined Function）功能将输入条件定义为特定函数表达形式，但是对于实际风场环境的模拟，缺乏真实性。

3 实验方案设计

建立模型具体步骤1生成高程数据DEM2地形三维坐标的预处理3Gambit建模：Gambit建模一般顺序可以为点、线、面、体，然后划分网格，确定边界条件。也可以通过直接建立体，然后划分网格，再其次确定边界条件。Gambit建立体的时候相对比较繁琐，可以通过与其他软件结合，利用gambit划分网格的优点进行操作，可以结合CAD和3Dmax先建立体，再倒入gambit划分网格。另外gambit对于简单模型可以直接绘制，但对于地形复杂模型，常规方法工作量大，GAMBIT提供了后台运行的建模功能，通过编写journal文本，可以实现模型的自动生成[3]。本文通过MARLAB程序实现journal文件的自动生成。

兰州是一个典型的带状城市，由于“两山夹一河”兴隆山、马衔山、庄浪河的特殊地形地貌，使得城市发展空间受到很大局限，空间不足成为制约加快发展的一大瓶颈难题。该地区属典型的温带半干旱大陆性气候，四季分明，阳光充足，冬季寒冷干燥，春季多风少雨，夏无酷暑，秋季温凉。由气象资料的该地年平均气温6.9℃，月平均气温-7.3℃，七月平均气温20.5℃；夏秋多东南风，冬春多西北风，主导风向为西北风，年平均风速2.3m/s。

建立模型选取中川机场附近的地形（6KM*6km）。

前面已经详细叙述了模型的建立步骤，在此不再进行详细描述。运行JOURNAL文件以后生成的地形网格。

生成地形网格最高点与最低点实际相差100米左右，为模拟小起伏地形的风作了铺垫。然后在地形的基础上建立了一个高度1000的三维模型，划分网格间距为100的体网格。划分网格可以采用结构网格和非结构网格同时可以采用三角形四边形六边形的划分等，本文采用非结构网格对模型进行划分。设置边界条件如下做左侧为进口，右侧为出口，其他面为固体边界条件。进口设置为五米每秒的风速入口。为了此次模拟更加稳定真实，设置残差监视器，初始迭代次数为50次，修改残差监视器参数，随着迭代次数的增加，XYZ方向的速度分量趋于平缓，但仍然有些许不足，修改残差收敛标准，将迭代次数改为100，在此进行迭代运算，最终使XYZ速度分量趋于平缓。由于本文图表较多省略残差监视器趋于稳定的图像。

输出地形表面的压力分布云图如图1所示，清晰可见随着地形的升高，压力随之增大，另一方面也说明了选取地形的复杂性，左下角为山，左上至中部地区为平原，中部地区至右上地区为起伏的山地。

为了更加直观的了解地形对风的影响，分别提取Z=1980、Z=1990、Z=2000、Z=2050、Z=2128、Z=2150、Z=2200平面的速度矢量图、速度分布云图和压力分布云图。

左上方是对应z=1980的速度矢量图，右上方是z=1980和z=1990耦合的速度矢量图，左下方为z=1980，、z=1990、z=2000耦合的速度矢量图，右下方为z=1980、z=1990、z=2000、z=2050耦合的速度矢量图。选取多个平面耦合的方式，更加形象具体的再现风随着高度的增加，是如何变化的。随着高度的增加，速度矢量图的颜色由浅及深，从左下角向右上方移动，速度变得越来越大。

与此相对应的是速度分布云图，由于颜色较浅，上表面的速度分布云图遮挡住了下表面的速度分布云图，但是从整体上依然能看出随着地形的升高，部分区域颜色由浅蓝色变成黄色，这证明了随着地形的升高，速度逐渐增大的趋势。

该图片上方为z=2150 的速度矢量图，下方为z=2200的速度矢量图。由于所选择区域的复杂性（部分地区为平原，部分地区为山地），平均海拔以及最高海波之间相差一百多米，所以选择z=2150和z=2200的平面，进而绘制其速度矢量图，由于其海拔较高，所以绘制的速度矢量图更加直观，清晰可见z=2150平面左下部分和右上部分速度较小，而在中间部位则有显著的速度变化趋势。相比较z=2150平面而言，平面z=2200上的速度矢量图则更加复杂，左下角和中部地区风速相对较小，而右上方和中部地区附近有较大的风。能够预测到风向和风速的变化的剧烈程度，由于做了理想的模拟，忽略了空气中的摩擦、热量的损失等，尽管模拟已经初见成效，但有待进一步提高。

4 结论和展望

本文模拟了不平坦地形对风的影响，通过绘制不同高度层上的压力云图和速度云图，较好的分析出了地形对风的抬升作用。同时间接的模拟出了平原和山区对分的不同影响。所存在的不足之处，模型边界条件的确定不与实际相差较远。为风场的选址，以及预测风切变等提供了依据。

【参考文献】

[1]林敬凡，胡秀英.河南省地形对风的影响[J].气象，1990，05：30-35.

[2]李军，胡非，程雪玲，朱蓉.CFD在复杂地形风能开发中的应用研究[J].太阳能学报，2013，07：1250-1256.

[3]章博，陈国明，孔令圳.一种真实地形计算流体力学网格生成方法[J].中国石油大学学报：自然科学版，2011，05：104-108.