山地邊界層風(fēng)場由于受到地形條件等因素的影響變得非常復(fù)雜,使得風(fēng)電場建設(shè)從前期選址到后期風(fēng)力發(fā)電預(yù)測都十分困難,計(jì)算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）是預(yù)測山地邊界層風(fēng)場的最有效手段之一。圍繞山地區(qū)域的風(fēng)電場建設(shè),主要完成了以下研究工作:1、提出了一種基于時(shí)程互相關(guān)性修正的大渦模擬（Large Eddy Simulation,LES）湍流入口生成方法,并結(jié)合有限體積法和高階譜元法將其應(yīng)用于實(shí)際山地風(fēng)場特性研究�，F(xiàn)有CFD軟件通常采用2階精度格式的有限體積法,色散和耗散較大,對于山地地形周圍伴隨的分離和再附著等多尺度流動現(xiàn)象,很難給出正確的模擬結(jié)果;因此,引入高階譜元法對山地風(fēng)場進(jìn)行大渦數(shù)值模擬。大渦模擬的入口必須滿足大氣邊界層近地風(fēng)場湍流特性,直接生成入口所有節(jié)點(diǎn)的脈動風(fēng)速時(shí)程會極大程度增加計(jì)算機(jī)存儲量和計(jì)算耗時(shí)。利用諧波合成法由粗網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)生成滿足目標(biāo)湍流強(qiáng)度、功率譜、湍流積分尺度和時(shí)程相關(guān)性的脈動風(fēng)速時(shí)程數(shù)據(jù),然后基于時(shí)程互相關(guān)性插值得到實(shí)際入口節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程。詳細(xì)闡述了大渦模擬湍流入口生成方法,以兩種不同坡度簡單山體為例,對該方法進(jìn)行了準(zhǔn)確... 

【文章來源】：北京交通大學(xué)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：137 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

中國lOm高度年平均風(fēng)功率密度分布

１．２．３．２預(yù)前模擬法??預(yù)前模擬法指在模擬研究對象之前，設(shè)置單獨(dú)的預(yù)前計(jì)算域，得到目標(biāo)湍流??特性后，將湍流風(fēng)速時(shí)程施加于主計(jì)算域的入口，從而進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬（圖１．５）。??該方法的優(yōu)勢在于入口邊界來源于真實(shí)大氣邊界層風(fēng)場的模擬，滿足時(shí)空相關(guān)性、??Ｎ－Ｓ方程及一定程度的能量頻譜特性。但要在主計(jì)算域得到準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)資料及流場??演化過程，通常耗時(shí)很長，需要預(yù)前計(jì)算域模擬足夠長的時(shí)間并導(dǎo)出參考平面Ｒ??的時(shí)程序列。因此，預(yù)前模擬法的存儲量和計(jì)算時(shí)間都是非�？捎^的�；陬A(yù)前??模擬法的大氣邊界層模擬方法主要包括縮尺循環(huán)法和前置粗糙元法。??ｒ：：Ｌ??＼?＼?＼預(yù)前ｕ－算域??ａ??，—一??入口數(shù)據(jù)庫?Ｉ、二二：一一丨．…＿＿＿：二??Ｂ?主計(jì)算域??圖１．５?預(yù)前模擬法示意圖??Ｆｉｇｌ．５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ?Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?Ｍｅｔｈｏｄ??（ｉ）縮尺循環(huán)法??在平板邊界層流動試驗(yàn)中，層流邊界層經(jīng)過一定距離發(fā)展則變成湍流邊界層，??如直接對整個過程進(jìn)行數(shù)值建模，計(jì)算域極大且耗時(shí)極長。為縮短計(jì)算時(shí)長，可??截取邊界層流動中的某一段進(jìn)行模擬，將下游速度重新賦給入口截面，從而實(shí)現(xiàn)??流動擬周期循環(huán)。周期邊界的問題在于邊界層沿順風(fēng)向不斷發(fā)展

圖２．１?—維問題的有限體積法計(jì)算網(wǎng)格??Ｆｉｇ?２．１?Ｍｅｓｈ?ｉｎ?ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ?ｆｏｒ?ＦＶＭ??在控制體積ｐ上積分，得：??Ｊ?＾ｌｄＶ?＝?Ｊ?＾（ｒ＾Ｗ＋?Ｊ?Ｓｄｖ?（２．１２）??ＡＶ?＾?ｄｘ?ＡＪＫ??式中，Ｆ為控制體積的體積大小，對于一維問題，＝?Ａｘ，因此有：??（ｕ＜／＞）ｅ?￣?（ｕ＜Ｐ）ｗ?＝?（ｒ?￣）ｅ?－?（ｒ?－＾－）ｗ?＋?ｓ?（２．１３）??ＯＸ?ＯＸ??問題轉(zhuǎn)化為如何表示控制體積界面上的值，通常采用一定的差分格式，如中??心差分、向前差分或向后差分等，以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的物理量表示對應(yīng)控制體積界面上??的值。以中心差分為例，假設(shè)網(wǎng)格均勻，貝??（２．１４）??ｄ（ｂ．?ｒｐ＋ｒｒ?（ｂＦ?—ｄ）ｐ??｛Ｙ＾￣＾ｒｘｉｄ：＼?（２．１５）??源項(xiàng)＊ｓ通常是時(shí)間和物理量０的函數(shù)，為簡化，通常將ｓ轉(zhuǎn)化為線性形式：??


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