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利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型模拟近地面风场是风能利用的技术发展趋势。由于风场CFD模拟的复杂性,现阶段在面向风能利用的风场模拟中应用还比较少。本文的主要目的是通过风场模拟实验,研究风场CFD模拟的可行性和模拟精度。
本文选择了具有较完整现场测风数据的苏格兰Askervein山地作为模拟计算场址,解决了真实地形的建模问题,并对各种近地面风场计算网格的生成方法进行了研究。在此基础之上,本文通过实验从首层网格高度和网格高度增长率方面考察了网格精度对模拟结果的影响;比较了多种湍流模型在实际地形下的近地面风场模拟中的表现,并总结出具有较高模拟精度、适用于近地面风场模拟计算的湍流模型;研究了不同离散格式对模拟结果的影响,并总结了各种离散格式的适用范围;分析了不同的边界条件如地表粗糙度条件对模拟结果的影响,并提出了适用于近地面风场模拟计算的边界条件设置方案。
本文建立了利用CFD模型进行实际地形下近地面风场模拟计算的总体方案及流程,提出了模拟计算的自动化方案,并得到了较好的应用效果,一方面证明了利用CFD模型进行风场模拟的可行性,另一方面也表明利用CFD模型进行风场模拟具有较高的准确性,能降低风场模拟的不确定性。