WindSim |技术基础

WindSim是基于CFD的风场设计工具(WFDT),其中包括3D可视化。

WindSim |它是如何工作的?

当地风场受当地地形的影响很大。根据所考虑的现象,WindSim的输入基础包括一个适当长度范围的数字地形模型。 WindSim可用于各种长度范围,从详细的微观选址到较大的中尺度风资源评估。 WindSim使用所谓的人体拟合坐标(BFC),并向地面倾斜。

除数字地形模型外,还必须提供具有地形粗糙度的相似模型。地形粗糙度在朝向地面的区域中具有特别的影响。

最后,WindSim需要至少从建模区域内的一点获取气象数据。有了这些主要输入,就可以计算出整个区域的风力资源,可以获取任意数量的风力涡轮机的能源产量,并且可以在3D交互式可视化模块中可视化具有基础设施的区域。

准确性

数值模型能否重现自然界中观察到的风场情景?数值模型的使用引入了不准确性。重要的是要注意这些不正确之处及其来源。在下文中,将突出显示不准确的主要来源。

网格分辨率

数值模型使用来自指定网格的高度和粗糙度信息。数值模拟的精度取决于该网格的分辨率。由于计算资源有限,因此无法始终以所需的分辨率构建此网格。在大范围内以1000 kmxkm的数量级进行中尺度建模时,通常使用100×100米的分辨率,而在微尺度建模中则需要10×10米的更精细分辨率。

通过示例说明了这些条件。在下图中,显示了一个山,其中离散表示中使用的点的一半已被连续删除。左边的山具有25米的点距,而最右边的山具有200米的点距。

图1.离散地形,连续删除点。

以类似的方式,估计的风资源将取决于网格分辨率。下面两个图显示了一个岛上的风场。该模型的扩展范围是3500×3800米,最高的顶部达到了海拔68米。即使对于地形条件相对适中的岛屿,最好的模型中的风场也比较粗网格上的模型显示出更多的细节。

图2.具有不同网格分辨率的模型在50米高处的风场,风向为30°。

边界条件

数值模型在3D计算域中模拟风场。沿着计算域的边界,必须提供有关流场的信息。考虑到边界处的给定粗糙度,这些所谓的边界条件作为充分发展的流动剖面给出。但是,该模型将不具有关于计算域之外的风场的任何信息,地形的突然变化或沿边界的粗糙度都会污染流场。为了减少该问题,引入了边界区域,在该边界区域中允许流场适应周围环境。边界区域中未显示任何结果。在某些情况下,可能无法避免沿边界的地形和粗糙度突然变化的区域,应谨慎对待这些区域。

如果可以从比特别感兴趣的区域更大的区域获得地形和粗糙度信息,则可以使用有效的嵌套技术。嵌套意味着将较大外部模型的结果用作精炼内部模型的边界条件。这样,在精确模型中消除了边界条件不正确的问题。

气候学

气象输入数据的质量对于数值结果的质量至关重要。如果已在很短的时间间隔内收集了气象数据,则必须将这些数据与附近的长期统计数据相关联,以表示该地区的长期风气候。气象输入数据还必须代表整个计算区域。最后,它必须与数值模型的标度兼容,即,它不能包含比数值模型中解析的结果小或大的标度的影响。

必须为建模区域内的至少一点提供气象输入。如果可以从其他位置获得风数据,则WindSim具有多种同化方法。当然,增加风数据的数量将提高数值结果的准确性。