资源描述
矶山塔周围海拔高度矶山塔周围海拔高度50m的风速和湍流强度的风速和湍流强度 模拟时刻：2010.12.15 08h 风速单位：m/s 由于矶山的海拔高度为80米，地形的阻挡，在山体附近出现小风区，而远离山体的地方风速较大。相应上游的湍流强度较弱，而山体的阻挡，使下游的湍流强度增大。海拔高度海拔高度100m的风速和湍流强度的风速和湍流强度 在100米高度上地形的影响基本消失，流场比较均匀。上游没有地形影响，湍流强度很小；下游还有一些地形的影响，湍流强度增大。矶山塔周围南北向垂直风场和风功率密度剖面矶山塔周围南北向垂直风场和风功率密度剖面由于地形的影响，风速有梯度变化。风功率密度10m：720W/m2；30m：1440W/m2；50m：1730W/m2；70m：1870W/m2；矶山塔周围东西向垂直风场和湍流强度剖面矶山塔周围东西向垂直风场和湍流强度剖面 风向是偏北风，在东西向截面上可以看到风向的偏转。在迎风坡湍流强度大；背风坡湍流强度小。实测风速与模拟风速的定量比较实测风速与模拟风速的定量比较u矶山塔的四层风速矶山塔的四层风速u2010.12.13 08h 2010.12.16 08hu趋势基本一致，在趋势基本一致，在12月月15日有一次寒潮天气，风速增大日有一次寒潮天气，风速增大。观测观测模拟模拟BIAS=0.71m/s实测风速实测风速模拟风速模拟风速u 2010.12.13 08h-2010.12.16 08h矶山塔矶山塔70m高度上风速的比较高度上风速的比较实测风速实测风速 WRF+Fluent耦合模拟耦合模拟 BIAS=0.71m/sWRF直接模拟直接模拟 BiAS=1.07m/s吉山塔吉山塔70m高度上风速的比较高度上风速的比较实测风速实测风速WRF+Fluent耦合模拟耦合模拟BIAS=0.19m/sWRF直接模拟直接模拟BIAS=4.722m/s沙岭塔沙岭塔BIAS=1.96m/s实测风速模拟风速其他各塔其他各塔70m高度风速比较高度风速比较皂湖塔皂湖塔BIAS=0.45m/s实测风速模拟风速老爷庙塔老爷庙塔BIAS=0.3m/s实测风速模拟风速皂湖皂湖 沙岭沙岭WRF+CFDWRF月平均风速月平均风速 狮子山狮子山 老爷庙老爷庙WRF+CFDWRF 矶山矶山 吉山吉山WRF+CFDWRF月平均风功率月平均风功率 皂湖皂湖沙岭沙岭WRF+CFDWRF风向玫瑰图对比风向玫瑰图对比老爷庙：左：观测风向；右：模拟风向 140011400214004297329432619风电场风电场70m高度月平均风场高度月平均风场 狮子山上图2011年1月主导风向东北风；下图2011年7月主导风向东南风。北北矶山上图2011年1月主导风向北风；下图2011年9月主导风向东南风。北北吉山上图2011年1月主导风向北风；下图2011年9月主导风向东南风。北北沙岭上图2011年1月主导风向北风；下图2011年9月主导风向西北风。北北皂湖上图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精细模拟u吉林红岗子风电场地形及网格设置吉林红岗子风电场地形及网格设置u吉林大安红岗子风电场位于吉林白城市大安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，年平均风速要组成部分，属于平原风场，年平均风速6.63米米/秒，平均风功率密度为秒，平均风功率密度为304.2瓦瓦/平方米平方米。项目装机规模。项目装机规模48兆瓦，安装兆瓦，安装24台东汽公司台东汽公司生产的生产的FD93B-2000型风电机组。型风电机组。地形高程数据地形高程数据红岗子风电场地形红岗子风电场地形u Fluent所需静态数据为建网格所使用的高所需静态数据为建网格所使用的高精度地形高程数据，这里采用精度地形高程数据，这里采用GDEM(Global Digital Elevation Model)数数据库。据库。u 该数据集覆盖范围为北纬该数据集覆盖范围为北纬83到南纬到南纬83之间的所有陆地区域，填补了航天飞机测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。在绘数据中的许多空白。在95%的置信度下的置信度下，ASTER GDEM水平误差不超过水平误差不超过30m，垂直误差不超过垂直误差不超过20m。u 该产品每该产品每1度经纬度方格划分一个文件，度经纬度方格划分一个文件，30m（大约（大约 1弧秒）精度，投影系统为弧秒）精度，投影系统为WGS84的的GeoTiff 地球经纬度输出格式。地球经纬度输出格式。高精度网格高精度网格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1235332.01E、453256.81N，其余红三角标志的是24个风机所在的位置。边界条件耦合边界条件耦合n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）比较整体时间序列 将将20天（天（480个小时）的数据连接成一个整体，再画出个小时）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。模拟风速的差别。测风塔测风塔10m高度、高度、20天的测量风速（黑色）、天的测量风速（黑色）、CFD模拟模拟风速（红色）以及风速（红色）以及WRF模拟风速（蓝色）模拟风速（蓝色）测风塔测风塔30m高度、高度、20天的测量风速（黑色）、天的测量风速（黑色）、CFD模拟模拟风速（红色）以及风速（红色）以及WRF模拟风速（蓝色）模拟风速（蓝色）u测风塔测风塔50m高度、高度、20天的测量风速（黑色）、天的测量风速（黑色）、CFD模模拟风速（红色）以及拟风速（红色）以及WRF模拟风速（蓝色）模拟风速（蓝色）测风塔测风塔70m高度、高度、20天的测量风速（黑色）、天的测量风速（黑色）、CFD模拟模拟风速（红色）以及风速（红色）以及WRF模拟风速（蓝色）模拟风速（蓝色）从从4幅图中可以看到，幅图中可以看到，CFD的模拟效果比的模拟效果比WRF更加接近更加接近观测值。观测值。WRF在在10m、30m容易模拟出过高的风速涨容易模拟出过高的风速涨落（尤其是在风速超过落（尤其是在风速超过8 ms-1的情况下），从而带来较的情况下），从而带来较大的模拟误差，而大的模拟误差，而CFD则相对模拟的较好。则相对模拟的较好。（2）比较整体数据散点）比较整体数据散点分布分布u将将20天（天（480个小时）的数据连接成一个整体，再画出散点图，个小时）的数据连接成一个整体，再画出散点图，以直观的比较以直观的比较CFD与与WRF模拟风速的差别。模拟风速的差别。u图中黑色直线斜率为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，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。根据蓝色散点数据拟合出来的直线。10m30m50m70m4幅图中，无论是幅图中，无论是CFD还是还是WRF模式，散点数据的离模式，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。在在着相当的模拟误差。在10m高度，高度，CFD散点数据的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，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。高度则已经体现不出优势。（3）比较整体数据的）比较整体数据的4种误差指标统计种误差指标统计u将将20天（天（480个小时）的数据连接成一个整体，计个小时）的数据连接成一个整体，计算观测值分别与算观测值分别与CFD模拟、模拟、WRF模拟值之间的模拟值之间的4种种误差指标统计，并计算误差指标统计，并计算CFD相对于相对于WRF将模拟效将模拟效果提高的百分比。果提高的百分比。u4种误差指标统计包括相关系数、均值偏差、平均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。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WRF0.5181.52.12.6CFD0.5100.71.62.0CFD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WRF0.5560.81.72.2CFD0.5590.41.52.0CFD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WRF0.5610.71.72.3CFD0.5660.51.62.2CFD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WRF0.5720.41.72.3CFD0.5700.31.72.2CFD相对于WRF的提高-0.35%25%0%4%50m30m10m70mn相关系数方面：nWRF模拟最好的是70m高度（0.572），最差的是10m高度（0.518）；nCFD模拟最好的是70m高度（0.570），最差的是10m高度（0.510）；n两种模式的模拟效果随高度的增加而增加；CFD相对于WRF模拟效果提高的不多，二者模拟能力相当。均值误差方面:WRF模拟最好的是70m高度（0.4），最差的是10m高度（1.5）；CFD模拟最好的是70m高度（0.3），最差的是10m高度（0.7）；CFD的模拟效果相对于WRF有了很大改进，在10m高度提高了53%，但随着高度的增加模拟优势逐渐变小，在70m高度提高了25%。n平均绝对误差方面：nWRF模拟最差的是10m高度（2.1），其它3个高度误差相同（1.7）；nCFD模拟最好的是30m高度（1.5），最差的是70m高度（1.7）；nCFD的模拟效果相对于WRF也有较大改进，在10m高度提高了24%，但随着高度的增加模拟优势逐渐变小，在70m高度已经体现不出优势。n均方根误差方面：nWRF模拟最好的是30m高度（2.2），最差的是10m高度（2.6）；nCFD模拟最好的是10m、30m高度（都是2.0），最差的是50m、70m高度（都是2.2）；nCFD的模拟效果相对于WRF也有较大改进，在10m高度提高了23%，但随着高度的增加模拟优势逐渐变小，在70m高度提高了4%。结结 论论u本本研究研究参考测风塔位置参考测风塔位置4个高度的观测风速，通过使个高度的观测风速，通过使用整体数据的时间序列图、散点图、误差指标统计，用整体数据的时间序列图、散点图、误差指标统计，以及逐日数据的误差指标统计，共计以及逐日数据的误差指标统计，共计4种比较方案来种比较方案来对比对比WRF和和CFD模式的模拟效果。比较结果说明模式的模拟效果。比较结果说明CFD的模拟效果相对于的模拟效果相对于WRF有较大提高，比如有较大提高，比如CFD在在10m高度的均值误差、平均绝对误差以及均方根误高度的均值误差、平均绝对误差以及均方根误差三项指标相对于差三项指标相对于WRF分别提高了分别提高了53%、24%、23%，但，但CFD的模拟优势随着高度的增加而减小，直的模拟优势随着高度的增加而减小，直到到70m高度三项指标分别降低到了高度三项指标分别降低到了25%、0%、4%。u中尺度气象模式和计算流体力学模式耦合中尺度气象模式和计算流体力学模式耦合系统系统，对，对吉林红岗子风电场进行了水平分辨率吉林红岗子风电场进行了水平分辨率50 米，近地层米，近地层垂直分辨率垂直分辨率10 米的精细数值模拟，得到了风机轮毂米的精细数值模拟，得到了风机轮毂高度上的风速变化，高度上的风速变化，通过与通过与测风塔观测测风塔观测比较比较，及及月月平均的误差分析，平均的误差分析，耦合系统相比于耦合系统相比于WRF模拟有多提模拟有多提高高。u耦合这两个模式真正考虑到了大尺度因素、中尺度耦合这两个模式真正考虑到了大尺度因素、中尺度因素和小尺度因素对某个具体局地环境的影响，有因素和小尺度因素对某个具体局地环境的影响，有巨大的应用前景，例如风能资源评估、城市污染预巨大的应用前景，例如风能资源评估、城市污染预报、核扩散评估和大型建筑群小环境设计等。报、核扩散评估和大型建筑群小环境设计等。利用利用FLUENT模式参与模式参与RISO国家实验室国家实验室Bolund岛测风数据盲评岛测风数据盲评 Bolund岛测风项目是丹麦Riso实验室完成的现场测量项目，开展于2007-2008年间，是针对复杂地形条件下风场计算模型研发而开展的大规模实地测风项目，测风持续时间三个月。中国可再生能源学会风能专业委员会和华北电力大学联合举办基于Bolund测风数据的流场计算模型盲评对比。此次盲评对比是为了推动国内在复杂地形条件下风电场流场计算模型领域的研究和交流，比较各种计算模型和技术方案可以达到的计算精度。u Bolund岛实验简介岛实验简介uBolund岛的测风实验是在岛的测风实验是在Bolund岛实地进行的。经岛实地进行的。经过实地测风获得了大量详实的实测数据。用该数据过实地测风获得了大量详实的实测数据。用该数据作为本次盲评工作的评价标准，以验证各种用于地作为本次盲评工作的评价标准，以验证各种用于地形模拟的数值计算模型。形模拟的数值计算模型。uBolund岛测风实验开始于岛测风实验开始于2007年底，结束于年底，结束于2008年年初，为期初，为期3个月。个月。u5)Bolund小岛小岛位于位于Risoe国家实验室北侧，国家实验室北侧，高高12米，米，长长130米，宽米，宽75米，上面有十座观测塔米，上面有十座观测塔，装有超声装有超声风速仪和风杯，同时记录平均风速和湍流，以及其风速仪和风杯，同时记录平均风速和湍流，以及其他气象要素。他气象要素。Bolund岛地形和10座测风塔位置 Bechmann，2011；Berg，2011验证验证CFD模拟复杂地形风场的能力模拟复杂地形风场的能力Bolund实验实验(1)线性风场诊断模式，不适应坡度较大的地形。(2)基于计算流体力学方法，适用复杂地形，但对复杂地形的风场模拟还缺乏足够的检验。(3)Bolund实验针对风能利用的迫切需要，旨在探索复杂地形条件下的大气运动特征和生成检验CFD模拟的数据库。Bolund岛带有一个陡峭的悬崖。这一特征使它对绝大多数的流动求解器都富有挑战性。除悬崖壁面上没有植被外，岛的其他表面被矮草覆盖。参加者共需要模拟4个风况。每个风况的来流由上游参考位置处的风速和湍动能来确定。并认为该风况是不受Bolund岛干扰的。在前三个风况中，风从海上吹来，为西或偏西风（270，255，239），并采用相同的风廓线。第四个风况为东风（90），从陆上吹来。第四个风况下，来流经过的地表粗糙度较大。u通过布尔运算通过布尔运算，将，将Bolund岛的地形放置在岛的地形放置在计算域计算域中央中央位置，这样入口和出口都距离位置，这样入口和出口都距离Bolund岛有约岛有约300m以上以上的距离，避免边界上压力场的异常。的距离，避免边界上压力场的异常。u网格设置为网格设置为990m560m50m的长方形网格，的长方形网格，网格数网格数为为603050。网格在水平方向是。网格在水平方向是指数指数划分，纵向则为划分，纵向则为近地面密集、高空稀疏。近地面密集、高空稀疏。u盲评比较数据与盲评比较数据与模拟模拟输出数据输出数据00.20.40.60.811.21.4s/sref-Velocity along lineB,winddir=270 ID0018-400-2000200400-20020Relative position along line B mGroundElevation m 2m5m00.20.40.60.811.21.4s/sref-Velocity along lineB,winddir=255 ID0018-400-2000200400-20020Relative position along line B mGroundElevation m 2m5mu利用上述设置的模型对四种风况进行模拟，风速计利用上述设置的模型对四种风况进行模拟，风速计算的偏差算的偏差=(计算风速计算风速-测量风速测量风速)/测量风速，四种风测量风速，四种风况的偏差分别为况的偏差分别为0.2486、0.1853、0.5691和和0.1489，除了第三种风况的误差较大外，其余三个风况的误除了第三种风况的误差较大外，其余三个风况的误差均小于差均小于30%，图为四种风况的风速计算偏差，点，图为四种风况的风速计算偏差，点为测量值，线为计算值。为测量值，线为计算值。-6-4-20246810s/sref-Velocity along lineA,winddir=239 ID0018-400-200020040001020Relative position along line B mGroundElevation m 2m5m0.20.40.60.811.21.41.6s/sref-Velocity along lineB,winddir=90 ID0018-400-2000200400-20020Relative position along line B mGroundElevation m 2m5m风速计算的偏差=（计算相对风速-测量相对风速）/测量相对风速case1：m1vel=0.2486case2：m2vel=0.1853case3：m3vel=0.5691case4：m4vel=0.1489case1-4：mallvel=0.2880u这一结果表明，这一结果表明，Fluent能够模能够模拟复杂地形，并获得较好的模拟复杂地形，并获得较好的模拟效果。拟效果。
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