边界层物理：2-3 复杂地形风场精细数值模拟研究.ppt

* * 皂湖 上图2011年1月 主导风向西北风； 下图2011年9月 主导风向东南风。 北 北 老爷庙： 上图2011年1月 主导风向北风； 下图2011年9月 主导风向东南风。 北 北 吉林红岗子风电场精细模拟 吉林红岗子风电场地形及网格设置 吉林大安红岗子风电场位于吉林白城市大安红岗子乡境内，是安白高速景观风电场的重要组成部分，属于平原风场，年平均风速6.63米/秒，平均风功率密度为304.2瓦/平方米。项目装机规模48兆瓦，安装24台东汽公司生产的FD93B-2000型风电机组。 地形高程数据 红岗子风电场地形 Fluent所需静态数据为建网格所使用的高精度地形高程数据，这里采用GDEM(Global Digital Elevation Model )数据库。 该数据集覆盖范围为北纬83°到南纬83°之间的所有陆地区域，填补了航天飞机测绘数据中的许多空白。在95%的置信度下，ASTER GDEM水平误差不超过30m，垂直误差不超过20m。 该产品每1度经纬度方格划分一个文件，30m（大约 1弧秒）精度，投影系统为WGS84的GeoTiff 地球经纬度输出格式。 高精度网格 Fluent的前置处理器生成的风电场的网格，其中测风塔位置在图中的右下角，坐标为123°5332.01E、45°3256.81N，其余红三角标志的是24个风机所在的位置。 边界条件耦合 首先使用WRF模式进行6km分辨率的模拟；然后，将WRF模拟的结果作为Fluent的边界条件，WRF提供的边界条件每15分钟更新一次，输入到Fluent中。 吉林红岗子风电场模拟结果 得到气流经过地形时的精细流场： 水平高度40m上的风速分布；垂直剖面的风速分布。 （1）比较整体时间序列 将20天（480个小时）的数据连接成一个整体，再画出时间序列图，以直观的比较观测风速与CFD、WRF模拟风速的差别。 测风塔10m高度、20天的测量风速（黑色）、CFD模拟风速（红色）以及WRF模拟风速（蓝色） 测风塔30m高度、20天的测量风速（黑色）、CFD模拟风速（红色）以及WRF模拟风速（蓝色） 测风塔50m高度、20天的测量风速（黑色）、CFD模拟风速（红色）以及WRF模拟风速（蓝色） 测风塔70m高度、20天的测量风速（黑色）、CFD模拟风速（红色）以及WRF模拟风速（蓝色） 从4幅图中可以看到，CFD的模拟效果比WRF更加接近观测值。WRF在10m、30m容易模拟出过高的风速涨落（尤其是在风速超过8 ms-1的情况下），从而带来较大的模拟误差，而CFD则相对模拟的较好。 （2）比较整体数据散点分布 将20天（480个小时）的数据连接成一个整体，再画出散点图，以直观的比较CFD与WRF模拟风速的差别。 图中黑色直线斜率为1，代表理想情况下模拟数据相对于观测数据的分布状况；红色散点数据为CFD模拟数据相对于观测数据的分布，红色直线为根据红色散点数据拟合出来的直线；蓝色散点数据为WRF模拟数据相对于观测数据的分布，蓝色直线为根据蓝色散点数据拟合出来的直线。 10m 30m 50m 70m 4幅图中，无论是CFD还是WRF模式，散点数据的离散度都比较大，并且拟合直线偏离理想直线，说明存在着相当的模拟误差。在10m高度，CFD散点数据的拟合直线更加接近理想直线，说明模拟效果要优于WRF，但这种优势随着高度的增加而减小，到了70m高度则已经体现不出优势。 （3）比较整体数据的4种误差指标统计 将20天（480个小时）的数据连接成一个整体，计算观测值分别与CFD模拟、WRF模拟值之间的4种误差指标统计，并计算CFD相对于WRF将模拟效果提高的百分比。 4种误差指标统计包括相关系数、均值偏差、平均绝对误差、均方根误差，其中均值误差定义为模拟值的平均减去观测值的平均，平均绝对误差定义为观测值与模拟值之差的绝对值的平均。 模式 相关系数 均值误差 平均绝对误差 均方根误差 WRF 0.518 1.5 2.1 2.6 CFD 0.510 0.7 1.6 2.0 CFD相对于WRF的提高 -1.54% 53% 24% 23% 模式 相关系数 均值误差 平均绝对误差 均方根误差 WRF 0.556 0.8 1.7 2.2 CFD 0.559 0.4 1.5 2.0 CFD相对于WRF的提高 0.54% 50% 12% 9% 模式 相关系数 均值误差 平均绝对误差 均方根误差 WRF 0.561 0.7 1.7 2.3 CFD 0.566 0.5 1.6 2.2 CFD相对于WRF的提高 0.89% 29% 6% 4% 模式 相关系数 均值误差 平均绝对误差 均方根误差 WRF 0.572 0.4 1.7 2.3 CFD 0.570 0.3 1.7 2.2 CFD相对于WRF的提