基于CFD技术进行复杂地形风资源评估及验证

摘要：目前风电场开发项目涉及较多复杂地形的区域，以往的线性模型由于本身的模型限制，对风资源评估产生较大的不确定性，同时由于项目测风塔数量较多，如何进行多个测风塔的综合分析利用，得到可靠的结果，这也是复杂地形风能资源评估的核心问题之一。本文针对河北风电场实际工程项目，采用基于计算流体力学技术的法国美迪WT软件进行此项目的风资源评估，并通过现场多个测风塔的外推结果，来验证美迪WT软件在复杂地形条件下进行风资源计算评估的可靠性，在以往线性模型的基础上增加了风资源评估的手段与方法。

关键词：复杂地形，风资源，CFD， 美迪WT

Abstract: at present, the wind farm development project involves more complex terrain area, the former linear model because of their limited model, the wind resources evaluation produce greater uncertainty, at the same time as the wind towers project quantity, how to measure wind towers over the comprehensive analysis of the use of, have a reliable results, this also is the complicated terrain wind resources evaluation one of the core problems. This article in view of the actual project hebei wind farms, the computational fluid dynamics technology based on the French meidi WT software to the project, the wind resources evaluation, and through the field more measured the wind towers outside push results, to verify the software in the complex terrain meidi WT under conditions of the wind resources evaluation calculation of reliability, in past the linear model based on wind resources evaluation of increased means and methods.

Keywords: complex terrain, the wind resource, CFD, meidi WT

中图分类号：S718.51+1 文献标识码：A 文章编号：

1、引言

本项目工程位于河北省北部山区，项目总面积约120平方公里，测风塔4座，林区覆盖，但山顶为荒草地，海拔在1400-2200米之间，海拔变化较大，气候条件恶劣，经常出现大风及降雪天气，是典型的复杂地形项目。如采用以往的线性模型分析，则会带来较大的不确定性，基于此本工程项目采用基于计算流体力学技术的美迪WT软件进行整个风流场的计算及分析。项目地形数据如下所示：

图1、地形及测风塔位置示意图（从左向右W1/W2/W3/E1）

表１ 项目区域内测风塔基本情况表

2、风资源模拟计算方法

1）定向模拟计算

本实际案例工程的风流场模拟计算是基于法国美迪WT软件，采用高分辨率网格：垂直分辨率为4米，水平分辨率为40米，进行18个方向扇区的定向模拟计算（在西北主风方向扇区步长则进行加密处理，每10度一个扇区）。通过输入实测地形、粗糙度数据，可得出湍流强度、风减速因子、入流角等定向计算结果，以便初步判断测风塔位置的代表性。

表２每个定向模拟计算扇区的网格数量

图2、项目网格生成效果示意图

2）WT软件计算模型

美迪WT软件求解流体运动方程：Navier-Stokes方程与连续方程。流体运动可以通过这些方程进行数学描述，这些方程是一组耦合的非线性偏微分方程，并且具有其特定的边界条件，这些方程推导自牛顿第二定律并且遵循动量守恒。在美迪WT软件中求解一个定常、不可压缩的平均雷诺方程。雷诺应力项是通过单方程闭合方法来求得的，此方法是通过考虑那些相关系数与平均梯度成比例的假设之上的，如下所示：

湍流粘性等于湍流动能（通过传输方程来进行求解）的平方根与湍流长度尺度的乘积，如下所示：

湍流动能是表示湍流中速度波动的动能（每单位质量），如下所示：

湍流动能传输方程如下所示：

根据Yamada 与 Arritt的模型方法，湍流长度尺度在求解之初即被算出。同时模型还考虑了稳定或者不稳定的大气热稳定度，如下所示：

在此实际工程项目中，经过对不同测风塔实测数据的分析，模拟计算时采用大气中性热稳定度。

3）森林冠层模型模拟

此外由于此项目工程有大面积林区，林区会导致高水平的湍流强度以及大的风切变，这些将通过软件的森林模型进行模拟，即通过引入吸收井项来进行，体积吸收井项在所有处于森林内部的网格单元的求解过程中被引入动量方程。此项目工程粗糙度文件的生成是基于卫星图像及现场观察，根据现场观察结果，林区的粗糙度的取值为0.35，没有林区覆盖的地方粗糙度取值为0.05，粗糙度图谱如下所示：

图3、粗糙度地图（与卫星图片对比）

3、定向模拟计算结果

在复杂地形条件下，精细的分辨率可以得到更为精准的计算结果，可以更好地考虑风流在遇到地形阻碍而产生的回流区以及在坡度变化剧烈的地方产生风流分离等情况。

通过比较计算的风廓线与实际测量的风廓线，最初选择的中性热稳定度是合理的，计算风廓线与实际测量风廓线吻合。

图4、风速回流区图5、风廓线比较图

4、外推计算结果分析

本项目工程共有4个测风塔，塔与塔之间的距离在500米与7公里之间。采用W2塔（70m高）作为参考塔，模拟外推计算W1塔（10m高）、W3塔（10m高）及E1塔（70m高）处的平均风速，并与实际测量值进行比较，比较结果见表３，平均误差为１%－7%，其中：W２外推至E１、W1处的精度较高，误差为１%，W３误差较大，主要受局部风加速影响而造成，该影响至５０米以上高度将不再突出。E１、W1、 W３相关关系如图７所示，横坐标表示实际测量风速，纵坐标表示模拟计算的风速。

表３外推计算结果对比表

图６、W２（左）／E１（右）不同高度年平均风向玫瑰图

图７、计算值与实际测量值相关图（各扇区）

5、结论

在本案例工程项目中，地形海拔垂直落差较大，WT计算最小垂直分辨率为4米，并且在粗糙度较高（林区）的环境中，所有计算结果均为100%收敛，体现出了其特有网格生成策略、森林冠层模型与湍流模型等计算模型在此方面的优越性。在定向模拟计算时，可以选择10个不同等级的大气热稳定度，本工程项目采用大气中性热稳定度，并通过风廓线的比较分析，能够更好模拟现场的实际情况。同时山地林区风场往往面积较大、勘测地形图较细、测风塔数量较多，这些文件均可被读取并处理，并可进行多测风塔综合计算处理，避免了以往很多线性模型工具对如地形范围过大、测风塔数量较多的项目进行计算时的局限性。

通过参考测风塔外推得到项目区域其他测风塔的平均风速误差不超过7%，这些结果验证了基于计算流体力学技术的美迪WT软件在复杂地形及复杂环境条件下的应用的适宜性和基于本项目的风能评估结果的可靠性，为复杂地形、复杂环境风资源评估提供了更可靠的分析方法及手段。

参考文献：

1. Hurley PJ ; An evaluation of several turbulence schemes for the prediction of mean and turbulent

fields in complex terrain, 1997.（复杂地形的几种湍流评估方案）

2. Ross AN, Vosper SB ; Neutral Turbulent flow over forested hills.（越过森林覆盖的山丘的湍流的不确定性）

3.WT user manual（WT用户手册）

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。