复杂山地风电机组高边坡地形影响分析_陈强波.pdf
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1、技术|Technology78 风能 Wind Energy 路,基于地形等高线,采用 NURBS 曲线和 NURBS 曲面为真实地形的 CFD 数值模拟提供了支持;赵亮等7基于等高线,利用 CAD 强大的图形数据库,实现区域内地形地貌建模。然而,受风电场范围和容量、生态红线、林地等因素的约束,一些机位的施工平台因大规模挖填方不可避免地存在高边坡问题,进而对现场风能资源条件产生较大影响。目前,行业内普遍采用 Meteodyn 公司的 WT 软件对整个风电场进行 CFD 建模计算,地形建模主要集中在风电场前期勘探得到的地形主体结构特征上,未考虑风电场建设前后局部地形改变带来的影响。为提高地形改造
2、后风况预测的精确度及探究局部地形因素对风能资源评估的影响,本文以某复杂山地项目的某机位为例,以高精度测绘地形图和平台设计方案为输入,得到真实地形及平台建设后的地形模型,并通过风电机组局部地形 CFD 计算,着重关注吊装平台建设后地形与原始地形的风能资源仿真结果差异,对比分析风电机组位于背风坡下其风轮运行盘面的风流特性、机位处不同高度的风速差异、风廓线差异以及湍流强度特征变化。建模方法FLUENT 是比较通用的 CFD 软件,包含了多样化的参数化方案和物理模型,能够实现多种流体问题的数值模拟计算,在汽车设计、航空航天、噪声仿真、环境工程、层流、湍流、多相流和传热等方面有广泛应用。FLUENT 以
3、有限进入“十三五”以来,规模的要求、成本的降低、资源的下探等因素,促使即便在中低风速的复杂山地区域,风电开发同样全面铺开。我国内陆地形复杂,潜在和现役的大型风电场大多坐落于山地、高原、丘陵、盆地等地带的风能资源富集区域。山地地形地貌错综复杂,起伏较大,对风的流动产生一定影响1。山地对气流的影响体现在地形的差异性上,特定的地形可能造成风流发生大尺度分离和回流,增加风的复杂性和不稳定性。若风电机组运行在这样的风况下,其发电效率可能降低,甚至面临安全性风险。如果对地形效应考虑不足,就会导致数值模式的模拟结果与实际大气情况存在偏差,从而降低模拟的准确性,因此,在进行山地风能资源模拟和机位布置时考虑地形
4、效应至关重要2。复杂地形的风能资源特性通过微尺度的数值模拟实现,如计算流体力学(CFD)技术。CFD 技术广泛应用于风电场计算中,是一种重要的风能资源评估和风电场微观选址工具3。CFD 微尺度计算极大程度依赖于对地形建模的准确度,与简单几何模型不同,在创建复杂地形的网格模型时必须以真实地形数据为基础。莫善军等4通过 C#编程提取 Google Earth 高程数据,应用 Global Mapper V11.0、Rhino 5.0 等三维建模软件自动实现三维地形图几何建模,能满足 CFD 计算要求;翁巧琳等5利用等高线高程值连续的特性,将等高线作为特征线构建带约束条件的狄洛尼三角网的算法,保留了
5、等高线包含的地形特征,较好地实现了真实感三维地形的重建;郑远攀等6引入逆向工程建模思复杂山地风电机组高边坡地形影响分析文|陈强波,盛科,刘超,卢陈皓,文雯1:韩毅,赵勇,童博,等.复杂地形风场的风资源评估方法与展望 J.热力发电,2020,49(11):139146.2:闫姝,曾崇济,王晓东,等.多山地形风场流动数值模拟 J.热力发电,2020,49(6):7783.3:赵永锋复杂地形风场 CFD 模拟方法研究 D北京:华北电力大学,2011.4:莫善军,李志凛,陈成江,等.利用 GoogleEarth 建立等高线三维地形模型 J.测绘通报,2012,(2):3942.5:翁巧琳,姜昱明.基于
6、等高线的三角网建模及真实感地形重建 J.计算机仿真,2007,(10):188191.6:郑远攀,杨融,王睿,等.基于等高线的真实地形 CFD 建模方法 J.人民长江,2017,48(15):4045.7:赵亮,王思明,滕建武.基于等高线特征的三维地形造型技术研究与应用 J.兰州交通大学学报,2009,28(1):8588.Technology|技术2023年第01期 79 8:杨志斌,袁德奎.基于 Fluent 城市大气污染物扩散数值模拟 J.环境工程学报,2016,10(3):13651369.体积法(Finite Volume Method,FVM)为核心计算方法,可以用于非结构化网格体
7、系的数值求解;自带的 Meshing网格划分工具,具有较强的建模和网格划分功能,能对各种求解模型进行网格划分;内置了非结构化网格的通用求解器,采用了多重网格加速收敛方式和多种求解方法,能够提升收敛速度和求解精度8;提供了丰富的数据接口用于增加必要的物理模型和链接外部数据。FLUENT 的这些特性使得将其用于模拟地形复杂的风电场成为可能。本文使用逆向工程建模思想,以实地测绘地形图提供的等高线为输入,利用 Rhino 建模软件重构 NURBS 曲面,得到地形的仿真模型,同时引入平台设计方案对地形仿真模型进行改造,获得风电机组实际运行的真实地形模型。将获得的真实地形模型直接与 FLUENT 软件交互
8、,进行网格划分处理和后续 CFD 计算。NURBS 是“Non-Uniform Rational B-Splines”(非均匀有理 B 样条曲线)的缩写。1991 年,国际标准化组织(ISO)颁布的工业产品数据交换标准将 NURBS 作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。在采用计算机进行三维建模时,主要依托于 NURBS 曲线和 NURBS 曲面描绘三维模型的形状特征,从而较好地控制物体表面的曲线度,使所建模型更能够反映真实物体特征,满足 CFD 数值仿真计算需要6。案例分析一、机位概况某复杂山地项目场址东西长约 17km,南北长约10km,规划面积 88km2,属于高山-丘陵地貌,海拔高程
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