（热能工程专业论文）复杂地形的风资源评估研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 风资源评估为风电场微观选址及经济评价提供依据，是风电工程中重要的 环节。流体力学和计算流体力学为风资源评估提供了理论计算方法，但在工程 应用方法还在不断优化过程中。目前多数风电工程设计所采用的风能计算软件 w a s p 在平坦地形下可以取得较好的结果，但复杂地形下计算误差较大，国内外 对此问题研究较多。 本文首先采用把复杂地形简化成两种典型的地形模型：正弦山脉地形和后 台阶地形，用计算流体力学方法进行模拟，分别用标准k 一占模型，r n gk s 模型 和r e a liz a b l ek s 模型进行模拟，探究了典型山形的风速、湍动能、回流区域 的大小的变化规律，模拟结果与风洞试验数据进行了比较，对结果进行了分析。 接着基于n w p 数据和风场内的运行数据，利用权重函数法对风场内的9 # 机 组、1 9 # 机组、2 0 # 机组、2l # 机组、2 2 # 机组、2 3 # 机组的风速进行了插值预测， 得到的小时平均相对误差为2 0 左右，并分析了误差的主要来源。 最后针对北方某风电场，根据两个测风塔的一年的测风数据和气象站的3 0 年数据，对规划的风电场区域进行了计算，并用w a s p 软件和m e t e o d y nw t 软件进 行了风资源计算，并对两者做了比较。 关键词：复杂地形，数值模拟，权重函数内插方法，w a s p 和m e t e o d y nw t 华北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i n dr c s o u r c ea s s e s s m e n t ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ew i n dp o w e rp r o j e c t , p r o v i d e st h eb a s i sf o rt h ew i n df a r mm i c r o - s i t ea n de c o n o m i ce v a l u a t i o n f l u i dd y n a m i c s a n d c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s h a v e p r o v i d e d t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d s f o rw i n dr e s o u r c ea s s e s s m e n t ，b u tt h ea p p l i c a t i o nm e t h o d sn e e dt ob eo p t i m i z e dc o n t i n u o u s l y w a s p ( w i n da t l a sa n a l y s i sa n da p p l i c a t i o np r o g r a m ) w h i c hi sa p p l i e db ym a n yw i n dp o w e r p r o j e c t s ，w o u l dg i v eg r e a te r r o r si nc o m p l e xt e r r a i n s m u c hr e s e a r c hh a sb e e nt a k e no n s o l v i n gt h ep r o b l e m t h ec o m p l e xt e r r a i nh a v eb e e ns i m p l i f i e dt ot y p i c a lt e r r a i nm o d e l ：t h es i n e - h i l la n dt h e b a c k s t e pt e r r a i n , a p p l y i n gc f dm e t h o & i nt h es i m u l a t i o no fw i n df l o wu s i n gd i f f e r e n t t u r b u l e n c em o d e l ：s t a n d a r dk - - 6m o d e l ，r n gk - - 6m o d e ia n dr e a l i z a b l ek - - gm o d e l b yt h es i m u l a t i o n ，t h ew i n ds p e e dd i s t r i b u t i o nf l o w i n gt h et y p i c a lt e r r a i nh a v eb e e no b t a i n e d ， a l s ot h el o wo fk i n e t i ce n e r g ya n dt h er a n g eo ft h er e c i r c u l a t i o nz o n e a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sh a v eb e e nc o m p a r e dw i t ht h ew i n dt u n n e le x p e r i m e n t a ld a t a a n dt h e n ，b a s e do nt h en w pd a t aa n dt h ew i n dt u n n e l ( w t g ) o p e r a t i n gd a t ao ft h e w i n df a r m e r , t h ew i n ds p e e do ft h e 鲥，19 # ，2 0 # ，21 # ，2 2 # ，2 3 # w t ga r eo b t a i nu s i n gt h e i n t e r p o l a t i n g m e t h o do fw e i g h t e df u n c t i o n t h er e s u l t sa l ec o m p a r e dw i t ht h ew i n dt u n n e l o p e r a t i n gd a t a , a n dt h ee r r o ri sa b o u t2 0 t h e nt h es o u r c 燧o f t h ee r r o rh a v e b e e na n a l y s i s e d a tl a s t ，t h ep r o j e c ta r ei n t r o d u c e dt oa nw i n df a r mp r o j e c ti nt h en o r t hc h i n a a n du s i n g t h ed a t ao ft h ew i n dt o w e ra n dt h ew e a t h e rs t a t i o n ，t h ew i n da s s e s s m e n ti sd o n e ，u s i n gt h e s o f t w a r ew a s p & m e t e o d y nw t a n dt h er e s u l t sa r ec o m p a r e d k e yw o r d s ：c o m p l e xt e r r a i n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w e i g h t e df u n c t i o n ，w a s pa & m e t e o d y nw t 。 t i a nz i c h a n ( t h e r m a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a n gy o n g p i n gl i uy o n g q i a n 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 研究背景l 1 2 课题研究的目的和意义3 1 3 大气绕流的研究历史4 1 4 国内外研究现状9 1 5 课题研究的主要内容1 1 第二章数值模拟的基本方法和理论1 2 2 1 数值模拟的基本控制方程1 2 2 1 1 连续性方程和运动方程1 2 2 1 2 湍流控制方程1 3 2 1 3 湍流封闭模型1 5 2 2 计算区域和控制方程的离散1 6 2 2 1 计算区域的离散1 6 2 2 2 控制方程的离散1 7 2 2 3 离散化方程的求解1 9 2 3 本章小结2 0 第三章复杂地形的数值模拟2 1 3 1 典型地形和模型介绍2 l 3 2 正弦地形模拟结果2 3 3 2 1 网格划分以及计算域的确定2 3 3 2 2 计算方法2 4 3 2 3 结果分析2 4 3 3 后台阶地形模拟结果2 6 3 3 1 网格划分以及计算域的确定2 6 3 3 2 计算方法和参数的确定2 6 3 3 3 模拟结果分析2 7 3 4 本章小结2 9 第四章基于n w p 数据的复杂风场风速内插3 0 4 1 概论3 0 4 2n w p 数据分析3 2 华北电力大学硕士学位论文 4 2 1n w p 数据与风机测量数据对比结果分析3 2 4 2 2n w p 数据与测风塔数据的对比分析3 5 4 3 风速内插3 7 4 3 1 权重内插方法介绍3 7 4 3 2 风场中数据内插结果对比3 8 4 4 本章小结4 2 第五章北方某风场的风资源评价4 3 5 1 工程概述4 3 5 2 测风塔数据分析4 4 5 2 1 测风塔资料4 4 5 2 2 测风塔数据处理4 4 5 3 测风数据订正4 9 5 3 1 长期测站数据分析4 9 5 3 2 测风塔数据订正4 9 5 4 风能资源评价5 2 5 4 18 0 9 7 # 钡t j 风塔7 0 m 高度代表年风能分析5 2 5 5 风能资源评价结论5 7 5 6 机型选择和发电量计算5 7 5 6 1 风电机组选型5 7 5 6 2 机组布置方案比选5 8 5 6 3 机型选择5 9 5 6 4 机组布置6 0 5 7 本章小结6 l 第六章结论与展望6 3 6 1 本文工作总结6 3 6 2 论文的创新点6 3 6 3 论文的不足和展望6 4 参考文献6 5 致谢6 9 在学期间发表论文和参加科研情况7 0 i v 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 2 l 世纪以来，世界经济进入迅猛发展的时期，能源需求成倍增长。常规能源不 仅面临着枯竭的问题，而且由于化石能源的大量使用，直接向大气中排放温室气体 和气溶胶等引起了全球气候变暖和日益严重的环境污染问题，对自然生态系统、社 会经济和人体健康造成了严重威胁。哥本哈根会议的纠结，2 0 0 9 年冬天气候的异常 现象，使越来越多的国家意识到提出更好的解决环境问题，能源问题的方案势在必 行，同时引起国际社会和公众的深思。为了更好地克服能源需求、经济发展和环境 保护的矛盾，促进全球经济的可持续性发展，寻求一条能源的可持续性发展道路成 为全球各界人士的风向标。目前各国政府、科技界和公众把目光转向可再生能源， 大力发展可再生能源和保护环境已成为广泛关注的焦点。 在众多的可再生能源中，风力发电是目前技术最为成熟、最具有大规模开发和 商业化发展前景的清洁可再生能源利用方式之一。尤其是近十年来，发展极为迅速。 在西方发达国家已经成为比较重要的能源供给方式，特别是西欧某些国家，风力发 电已经占到电力供应的3 0 左右。到2 0 0 8 年底，世界风力发电的装机容量已经超 过了1 2 亿千瓦。近几年世界风电装机容量统计如图1 1 所示。在过去5 年中年均 增长率高达3 5 7 。根据欧洲风能协会和绿色和平组织等有关国际机构预测，到2 0 2 0 年风力发电将占世界电力供应总量的1 2 。 皇 啊 袖 嚣 螓 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 09 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 62 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 9 图1 1 世界风力发电装机容量统计( 1 9 9 6 - - 2 0 0 8 ) o 0 o o 0 o 0 o o a 0 0 o 0 o 0 o 0 o 8 6 4 2 0 8 6 4 2 1 j ，j 1 1 1 华北电力大学硕十学位论文 面对能源供求关系的矛盾，来自国际国内的节能减排压力，中国政府把能源战 略置于国家发展战略的重要位置，非常重视风能、太阳能等可再生能源的大规模商 业化开发和可持续性利用，于2 0 0 6 年颁布了可再生能源法，并制定了可再生 能源中长期发展规划，把包括风能在内的可再生能源利用提高到增加能源供应、 改善能源结构、保障能源安全、保护环境、实现经济社会可持续发展的战略高度。 在此形势下，我国的风力发电事业也取得了飞速发展。根据能源局提供的材料显示， 近年来，我国风电产业连续快速增长，到2 0 0 8 年底，风电装机达到1 2 1 7 万千瓦， 总上网电量1 4 8 亿千瓦时，累计装机在全球排第四位，按年度新增装机，达到世界 第二位，仅次于美国。据不完全统计，2 0 0 9 年1 - 9 月，全国1 9 个风电重点省区已 新建成风电项目9 3 个，总装机容量5 5 9 万千瓦，全国累计总装机容量达到1 5 8 5 万 千瓦。风力发电进入了一个快速发展的时期。 机遇的同时也是一个很大的挑战。随着风电的迅速发展，风资源优良并且地形 相对平坦的风场丌发已经将近饱和，开发商开始把目标投向风资源好，但是地形相 对复杂的地区。而目前在风电场规划和风资源评估中，大多都是用丹麦r i s o e 实验 室开发的风能资源地图分析与应用程序( w a s p ) 。w a s p 属于m s 3 d j h 模型中的一 种，是将n a v i e r s t o k e s 方程线性化，是一个标准的线性模型，对于地形简单，起伏 变化较小的研究区域，w a s p 可以获得可靠的计算结果。但是当地形坡度大于0 3 时，在绕过山体的气流会发生分离，不在符合w a s p 模型中的假设条件，并不能准 确的模拟风况，在发电量预测和风资源评估时有较大的误差和不确定性。如图2 所 示，为我国南方某复杂地形的风场，该风场没有被限电，用w a s p 预测的发电量和 实际发电量有很大的差别。因此对于复杂地形，需要寻求更合适的方法对复杂地形 的风资源分布进行研究，并给出更加合理的风资源评估方法。 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 密 2 0 0 0 翻 裂1 5 0 0 l o o o 5 0 0 o 1 8 1 8 123456789 1 0 1 11 2131 41516l7 18 风机譬 图1 2 南方某风场实际年发电量与w a s p 计算电量结果比较图 2 华北电力大学硕士学位论文 本文正是在这样的背景下，研究复杂地形风资源分布规律对风电场的开发、利 用以及风机的安全运行有指导性意义，研究平均风速与地形空间因子存在的相关 性，寻找适合我国复杂地形的资源评估方法，对我国风电事业健康稳定的发展有着 至关重要的作用重。故本文的研究以我国复杂地形地貌为研究对象，研究复杂地形 的风资源分布，不论是对风资源评估，风电场微观选址，而且对风功率预测都有非 常重要的意义，对复杂地形的风资源开发起到重要的理论探索和实际的技术指导作 用 1 - 2 1 。 1 2 课题研究的目的和意义 风资源评估作为建设风电场可行性的基础，是大力发展风力发电的重要前提条 件。正确的评价风资源是建立风电场的最重要的基础依据，同时风电场的经济效益 在很大程度上取决于风电场的风能资源，所以在风电场的开发过程中，前期的风能 资源评估就显得尤为重要。目前，日新月异的风电行业最常用的风能资源评估软件 为w a s p ，它是由丹麦r i s o 试验室开发的( w i n da t l a sa n a l y s i sa n da p p l i c a t i o n p r o g r a m ) 。这一软件是基于欧洲比较平坦地形、和中性层结的气候条件下设计的， 针对地貌地形复杂和气候变化范围较大的区域，直接应用该软件进行计算必将带来 很大的误差。在实际工程中，也确实存在风资源评估误差较大的现象，导致众多的 风电场处于亏损运行或是仅能自负盈亏。我国地貌地形复杂，气候条件复杂多变， 用一个固定不变的理论物理模型来模拟风速分布式很难的，而且结果也不一定会很 理想。因此，在风电产业迅速发展的今天，在低碳经济的大背景下，寻求适合我国 国情的风资源评估方法，对我国风电事业的长期、健康地发展是十分必要的，它不 仅可以使我们摆脱依赖国外风能资源评估技术的被动局面，而且可以从根本上解决 我国风能行业发展的“瓶颈 ，促使风电行业健康发展。 随着风力发电的飞速发展，各大集团竞相圈地，相对较平坦的、风资源丰富且 较利于开发的地区( 尤其是张家口坝上地区) 已经被开发的所剩无几，众多开发商 开始把目标投向一些复杂地形( 如山脊、山谷、独立山丘、悬崖等) ，如何对此风场 进行风资源评估和研究此类地形风资源分布，是目前亟待解决的问题。由风力发电 的理论知识可知，风力机获取的风能与风速的三次方成j 下比，风电场风速分布的精 确评估直接关系到风力发电机组的出力，进而影响了整个风场的经济效益。然而对 于这些复杂地形，j x l 资源分布受地形、树林、障碍物等下挚面的影响较大，由于地 形而产生的湍流运动以及分离流动，会直接影响到风力机的使用寿命和风机的发电 量。因此精确的评价复杂地形的风资源评估是非常有必要的。 华北电力人学硕士学位论文 1 3 大气绕流的研究历史 在对复杂地形的风资源进行评估过程中，目前主要用三种方法：统计方法( 插 值方法) ，线性模型以及计算流体模型。用计算流体模型进行复杂地形的风资源评 估时，就不可避免的涉及到大气绕流问题的研究。换言之，研究复杂地形的风资源 就是要解决大气绕复杂地形的流动问题i 鉴于以前尚未有文献详细地描述这一过 程，笔者在参考了众多的参考文献后，这里将较为全面的总结绕山体流动理论以及 实验的发展历史。纵观大气绕山体流动的历史，山体扰流经历了两个阶段：无粘性 流动和粘性流动。本文将分别总结这两个流动阶段的发展历史，最后简单介绍l e s 模拟在此方面的发展情况。 无粘性流动：大气流动在高度上的变化研究是从无粘性流动开始的。1 9 9 6 年 w u r t e l e 等【3 】学者指出早在2 0 世纪3 0 年代就已经有学者从“现象学”的角度出发来 研究背风波，并认为流动是稳定而有层次的。但是直到2 0 世纪4 0 年代，相隔l o 年以后，l y r a 和q u e n e y 给出了理论上的证明。19 4 8 年q u e n e y t 4 j 发表了此理论的综 述，1 年以后s c o r e r 5 j 根据捕捉到的背风波的信息创造性地给出了详细的理论证明。 在接下来的l0 年罩，涌现了大批的绕山体流动的文章。几乎所有的研究都是以 s c o r e r 提出的理论为基础的，得到的结果也更加的精确和具有现实意义。例如：1 9 5 6 年，s c o r e r 和w i l k i n s o n 6 j 对孤立山脉的扰流进行了研究；2 0 世纪5 0 年代末期， w a l l i n g t o n ，p o r t n a l l 7 】等人对s c o r e r 提出的方程进行了数值计算，把流动方程扩展到 了三维；在整个6 0 年代，这方面的文章涌现了很多，值得注意的是b r e t h e r t o n 副的 工作，他考虑了重力波的垂直传播和平均流动之间的相互作用。 在六十年代末，开始有了对山脉大气层的非粘性动力学解释，主要是从静力学 的角度把大气分层考虑。此时，对平均流动的格式和平均动量流量廓线的描述都有 了很好的描述，值得注意的是，在此类流动的非线性流动方面有了一些突破，比如 1 9 5 9 年s c o r e r 和k l i e f o r t h 发表的文章。这些发展和突破时非常基础和必须的，但 是具有其局限性，它只是考虑了非粘性流动，对实际的表面边界层条件欠考虑，忽 略了在最底层的湍流运动的影响。s c o r e d 6 】在1 9 5 5 年对此给出了一个认为合理的解 释，他指出，在“边界层”下面还有一个“摩擦层”，这两个层次都存在湍流，但 是在边界层内的湍流主要受山形的影响，而“摩擦层”不受山形的影响。非粘性理 论主要用于“边界层”以上，之后此边界层称之为“内层”。对比了平流和湍流时 间尺度，1 9 6 3 年，b r i g g s l 9 1 对此进行了量化，给出了表达式来界定湍流在何种情况 下可以被忽略。目前，仍然用此公式来界定内边界层的高度。 但是，在早期忽略湍流影响的真正原因是因为缺少对流动动力学的解释和对 4 华北电力大学硕：l 学位论文 大气湍流的表达式。意识到了分层流动研究的局限性，s c o r e r 指出：非分层理论最 终是要被推翻的，在这个领域，数学理论占了很大的比重。这就将山体流动的研究 引入到了下一个时代。 湍流时代：在7 0 年代中期，有掀起来研究绕山体流动的高潮。t a y l o r 等给出了 绕山体流动的数值非线性模型，模型中给出了真正湍流模型。与早期的研究相反， t a y l o r 的研究忽略了边界层，只研究在大气边界层内的流动【i o 】。同时，1 9 7 7 年，c l a r k 也提出了一个绕山体流动的非线性数值模型，他对能量平衡做了很详细的计算，证 明了此模型和数值方法的精确性。该模型采用了一个简单的，但是全面的三维的湍 流闭合方案。这些模型相对来说比较简单，可以很容易用其他的方法进行替代，所 以并没有得到很大的发展。1 9 7 5 年，j a c k s o n 和h u n t 给出了绕山体流动的线性分析 表达式，给平均风速的挑战提供了一个可行性的预测。当山体表面相对光滑，并且 坡度较小时，给出了湍流结构的相对粗略的预测：实际上，理论发展的关键就在于 这些预测i l 。 与前期经过的小尺度模型类似，理论结构的发展，并用于模型结果的分析是需 要一些时间。接下来有很多的模型构想，可谓是经历了一场浩荡的运动。早期的一 个具有代表性的模型是m a s o n 和s y k e s 于1 9 7 9 年提出的，绕适当坡度山体的流动 的模型。m a s o n 和s y k e s 把j a c k s o n 和h u n t 的模型扩展到了三维，并对模型进行数 值求解，与实验数据相比较得到了很好的结果【1 2 l 。 在接下来的十年晕，涌现了与m a s o n 和s y k e s 的理论类似的很多模型，并应用 到不同形状的山脉的各个方面。对绕山体流动的试验也开始进行，例如b l a c k m o u n t a i n 13 1 ，b l a s h a v a l t l4 1 ，a s k e r v e i n 1 5 和k e t t l e sh i l l 1 6 】等。所有的三维孤立山脉， 从小倾斜到大倾斜都做了观测试验。所有的这些观测试验都支持j a c k s o n 和h u n t 预 测的理论，即便是在理论不能严格应用时，至少在山顶和上风向是成立的。从 s i r h o w y 和l l a n t h o n y 山脉得到的数据也与二维的正弦山形山脉得到的很接近。但是 保证非线性的坡度和数值模型的选择是很重要的。对高而陡峭、对称的a i l s ac r a i g 山脉进行计算时发现有流动分离现象和下风向的漩涡出现，这对于理想山形的线性 模型的结果相差甚远【1 3 - 1 6 】。 t a y l o r 1 、m a s o n 与k i n g 1 4 】分别于1 9 8 3 年和1 9 8 5 年提出了更为严密的应用条 件，对于某一个傅晕叶模式，波数的选择依赖于尺度的大小，并给出了更多的限制 条件，目的在于避免此理论的限制条件。这些讨论给出了内层区域高度的精确表达 式，此高度把流动分为两个渐进层，这也是该理论的中心部分。此预言的理论在数 值领域也得到了证明( w a l m s l e y 、t r o e n & p e t e r s e n 分别于1 9 8 6 年和1 9 8 9 年) ，使 理论实际应用到了现实中，条件是对于低坡度地形【1 4 】【1 7 】。 与此同时，出现了更加严密的理论。1 9 8 0 年s y k e s 1 8 】对于绕过小的山丘或是山 5 华北电力大学硕士学位论文 脊的湍流提出了一个很强大或是不可思议的理论，从很大程度上说，这与j a c k s o n 和h u n t 提出的理论相似。但是s y k e s 提出的该理论主要有三方面的贡献：首先， j a c k s o n 和h u n t 提出的接近表面层的分析与表面边界条件是不兼容的、是矛盾的； 有必要在接近表面的地方设定一个更薄的层，这样才能与表面边界条件趋于一致。 第二，把渐进性分析扩展到了二阶，s y k e s 能够更加精确的评价在绕山丘流动时， 由于山丘的存在而增加的额外的压力驱动。这是非常重要的一步，因为对于非线性 模型，压力驱动给出了由于山体的存在而引起的表面驱动力，这也是n w p 模型的 重要之处所在。第三，s y k e s 给出了流动的外层湍流是由速度畸变动力控制的，外 层在内层之上，在内层的雷诺应力波动不影响平均流动的波动。这个问题的提出是 因为绕山体的平流层的湍流在时间尺度上比为了平衡当地的速度梯度引起的湍流 的时间尺度要小。，1 9 8 1 年，为了解释在风洞中对绕山体流动的试验现象进行解释， b r i t t e r 【1 9 】提出了外层湍流的速度畸变模型。 更多的关于湍流结构的研究来自于n e w l e y 、z e m a n 、j e n s e n 等人的数值模型的 研究。n e w l e y 2 0 】实现了把全二阶闭合雷诺应力闭合模型( 此模型是由l a u n d e r 提出 的) 应用到了m a s o n 和k i n g 提出的二维山体流动的模型中，此模型是以c l a r k 模型 为基础的。n e w l e y 得到的结果与n y l a n dh i l l 和a s k e r v e i n 山脉的湍流数据和平均流 动数据非常一致。同时，他证明了湍流的上风向的各项异性再修正速度畸变的重要 性。 1 9 8 7 年z e m a n 和j e n s e n 2 1 】用一个简化了的方法来求解方程，但是湍流方程是 沿着流线方向求解的，因此每一个物理组成部分都能被明确的确定。这个结果支持 之前发现的外层的速度畸变，但是它同时也强调了决定湍流结构的流线曲率的重要 性，尤其是在内层的项部。 ， 风洞试验对过山气流的湍流结构的研究起了很重要的作用。1 9 8 1 年b r i t t e r 在此 方面做过相应的工作【19 1 。1 9 9 0 年f i n n i g a n 2 2 1 也做了相关方面的工作，f i n n i g a n 主要 是针对二维粗糙山脊进行了湍流流动风洞试验。主要是针对流线坐标系统进行的分 析，详细分析了流线的曲率和湍流加速度的情况，并与其他的风洞试验就行了比较 和观察研究。 线性分析的研究并没有因此而停止。1 9 8 8 年，h u n t 2 卜2 3 】等人发表了线性分析的 修正，将流动分为不多于4 层，最底层为1 9 8 0 年s y k e s 提出的近表面层，因此克服 了1 9 7 5 年j a c k s o n 和h u n t 提出的理论在加表面边界条件时的问题。另外一个层是 指中层，在上风向流动中，该层的剪切力占主导地位( 尤其是对稳定的分层流动， 这一点非常重要) 。有趣的是他们对沿着流线方向的速度波动进行了一个非线性修 正，这一点与1 9 8 1 年b f i r e r 给出的非线性数值模拟修正一致。这两点使得分析更 加可用。 6 华北电力大学硕士学位论文 1 9 9 0 年，b e l c h e r 2 4 】对分析给出了一个更大的改进。在内层和外层之间用了一 个平滑的耦合，这样大大减少了此分析应用的范围限制一山的高度要低于内边界 层的高度。值得关注的是，b e l c h e r 把渐进性分析扩展到了二阶，类似于1 9 8 0 年s y k e s 做的工作，因此能够合理的评估压力驱动的影响。此突破非常的重要，它允许上风 向的流动有一个有限的( 或非负) 的剪切力的存在，而s y k e s 的结果只能用于在上 风向剪切力消失的情况。对于典型的山脉，剪切力的存在能使得压力驱动增加三倍， 并且能够给出一个详细的合理的解释。n e w l e y 2 0 】于1 9 8 5 年指出，表面驱动力的敏 感性与应用的湍流闭合水平有很密切的关系。b e l c h e r 的分析更加清楚的证明了出现 此差异的主要原因是因为在外层应用的混合长度理论时过高的评估了波动应力的 大小。之后1 9 9 3 年w o o d 和m a s o n 2 s 】试图量化应力过高估测对不同压力驱动的影响， 用数值结果得到合理的解释。 2 0 世纪9 0 年代，广大学者的研究目标转向了稳态流动对湍流流动结构的影响。 此项工作是由h u n t 开始的，他们开始将现行分析扩展到稳态流动中时开始此项工 作的。线性数值模型已经被延伸到了稳态流动，与理论结果、观测数据进行了比较。 对稳态流动进行了各种各样的观测运动。b e l c h e r 和w o o d 对此类情况的压力驱动进 行了评价，并与非线性的结果进行了比较。这些研究表明稳态分层与流动本身有很 大的关系，与中性流动相比，有更大的参数空间，因此对复杂地形流动的研究需要 更进一步的。 当广大学者把研究兴趣放在复杂地形湍流和边界层流动时，稳态分层的非粘性 反映，流过山脉的自由大气的研究一直持续到现在。1 9 9 6 年w h r t e l e 【2 6 】总结了大气 背风波的相关知识。1 9 9 5 年，b a i n e s 27 】将现代研究的进展引用到这个领域，湍流和 非粘性流动在传统的研究方法中是分开的，但是慢慢的开始发现，自由大气的背风 波和下层的边界层流动反映是相关的。这一点在n w p 上有非常重要的应用，在相 关细节上仍然需要广泛的研究。 到目前为止，研究的焦点主要放在动量传输上。就动量传输的问题而言，主要 的方面在于能量平衡温度和湿度的收支平衡。1 9 7 4 年，v e r m a 和c e r m a k 研究 了j 下弦山脉的湿度平衡【2 8 】。2 0 世纪8 0 年代末，p a d r o 和w a l m s l e y 针对复杂地形的 污染扩散建立了线性数值模型【2 9 1 。这些线性理论，尤其是动量输运方程的线性理论 对于一些典型的非线性问题是不能够完全解释的，比如，复杂地形的影响，这一点 对n w p 非常的重要。1 9 9 8 年h e w e r 和w o o d t 3 0 】在中性层结流动中对标量用了一个 完全非线性数值模型。1 9 9 8 年，h u n t i n g f o r d 3 i 】用相同的模型针对陡峭山形进行了湿 度通量和温度通量的研究。1 9 9 7 年r a u p a c h 和f i n n i g a n 3 2 】给出了一个非常详细的复 杂地形的研究综述，这项研究工作仍然处于早期，还有很多工作要做。 非线性阶段：以往的研究中，大家都把研究理论限制在线性理论中，2 0 世纪术， 华北电力人学硕上学位论文 众多的研究学者主要研究流动中的非线性部分。此项工作主要是根据n w p 的需要 发展的，现在也仅仅是一个概括性的非线性理论，需要进一步的研究用此理论得到 的流动的反应，这些往往是工程师们比较关心的话题。1 9 8 5 年m a s o n 1 4 j 给出了计算 由山体引起产生的压力驱动的探索性的公式，与1 9 8 5 年n e w l e y 2 0 】得到的数值结果 惊人的吻合。该公式中，m a s o n 用放大了的粗糙度长度表示山体对平均流动的影响。 1 9 9 3 年，w o o d 和m a s o n 2 s 】深化了这一观点，用b e l c h e r l 9 9 0 年提出的线性预测， 给出了一个压力驱动和有效粗糙度长度更加详细的解释。1 9 9 6 ，m i l t o n 和w i l s o n p 列 对整个n w p 模型用亚格子尺度地形驱动力进行了研究，并得到了有力的解释。 非线性影响的最清晰的依据就是流动分离现象，n e w l e y 和w o o d 分别于1 9 8 5 年 和1 9 9 5 年对此进行了数值研列2 0 】【2 5 1 。遗憾的是在预言产生分离现象的尝试都依赖 于线性理论得到的结果。h o b s o n 和w o o d 对流动分离现象和绕过陡峭不对称的山体 流动进行了数值模拟，试图用1 9 8 7 年m a s o n 和m o r t o n 提出的层流区的漩涡收支平 衡理论解释主流的特征。 1 9 9 5 年，q i n g p i n g ”】开始试图从定量的角度来研究非线性的影响，这也是截止 到2 0 世纪末唯一的学者从定量的角度来研究非线性的影响。这项工作的基础是1 9 8 8 年h u n t 提出的理论，用b e r n o u l l i 方程给出主导阶数非线性对速度场的影响，能够 计算表面应力的非线性组成部分的主导阶数，因此把表面应力的平均面积的贡献扩 展到整个表面的驱动力。这一理论的假设和推论需要更详细的检验，但是他给出了 一个可能的有效的方法来理解流动的非线性部分的影响。1 9 9 4 年，x u 和t a y l o r p 副 提出了一个类似的方法，在b e l j a a r s 提出的复杂地形流动线性数值模型的基础上， 附加了一个弱非线性项( m s f d ) 。但是该模型仅适用于坡度范围足够小的山脉，附 加的弱非线性项并没有非常显著的影响。 大涡模拟：大涡模拟( l e s ) 的出现成为了研究大气边界层湍流的一个非常有 效的工具。它非常成功的应用到了平坦地形，并解决了很多问题。例如：m a s o n 等 人用大涡模拟研究了干燥大气的对流边界层的问题，b r o w n 等把该方法应用到了稳 定边界层。此外l e s 还用于积云边界层。该技术能够对实际流动的不稳定进行数值 模拟。过滤尺度和网格的尺度是有关系的。l e s 广泛应用于湍流研究以及其统计特 性上，与低雷诺数的直接数值模拟相类似。 用标准闭合模式模拟过山流动很强烈的依赖于闭合模式，到目前为止尚没有适 合复杂地形的闭合形式。l e s 能够避丌闭合模式的问题，因此在复杂地形的流动过 程研究中，有其相当的优势。此外，直接建立湍流模型可以避开建模，用诊断量和 更多的数量来直接计算。 尽管有这些优势，但是到目前为止该技术应用于复杂地形仍然有一点的局限 性。1 9 9 0 年s c h u m a n n 对有定坡度的面进行了大涡模拟，同时k r e t t e n a u e r 和 8 华北电力大学硕士学位论文 s c h u m a n n 等人对波动平面进行了模拟，g o n g 等人对中性层结的正弦波动地形进行 了模拟，并于风洞试验的结果进行了比较；1 9 9 8 年w u 和a q u i r e s 对中性层结条件下 一个隆起地形进行了大涡模拟；1 9 9 9 年h e n r i 和s y k e s 对一系列的正弦波动进行了大 涡模拟，但是对雷诺数和表面光滑程度都有一定的要求。这里我们考虑高雷诺数流 过粗糙表面的流动，与大气边界层相近似【3 们。 在复杂地形内用l e s 模拟之所以少之又少是因为计算机资源的缺乏。但是近来 随着计算机计算能力的提高，尤其是并行运算的发展，增加了这部分研究的可行性。 总之，近2 5 年来对低坡度山体的流动的研究，建立了平均流动的结构模型和 湍流统计的模型。随着数值模型的发展，分析模型的应用，在线性条件下求解任意 的地形的已经可以实现了。另外还有一些非线性模型可以对陡峭的山体进行建模。 但是这些流动大都依赖于湍流闭合模型，而且对计算机的计算能力要求也比较高， 对工程应用不适合。但是结果是具有指导意义的。 1 4 国内外研究现状 随着风电事业的飞速发展，复杂地形的风资源情况愈加重要，因此有很多学着 开始致力于复杂地形的数值模拟。j a c k s o n 和h u n t j 在丹麦国家实验室开发的w a s p 软件的基础上提出了用于一定坡度的线性模型：为了提高模拟的精确性，以便更好 的模拟湍流流动；a r n e j 对两方程模型中的k 进行了修正，并对k 和e 的初始值给 予改进，分别模拟了平坦地形以及实际的复杂地形的风能分布情况；l s h i h a r a 3 8 】采用 非线性湍流模型对复杂地形的风场的风能分布及流动分离有很好的模拟，并给出了 不同地面粗糙度对风速和湍流强度的影响；r o s s ”】主要研究了地面粗糙度较大时的 湍流特征，b o w e n 和l i n d l e y 4 0 】对复杂地形的坡度有过总体的研究，但有关背风面 的风能分布和湍流变化的细节略显不足；h i r o s h i 对梯形地形的研究主要给出了迎风 面的风能分布以及湍流强度分布情况，并分析了坡度和边界厚度对风能分布和湍流 强度的影响，但是未考虑地面粗糙度的影响。 p a u ls t a n g r o o m 博士应用c f x 软件，采用非结构化网格，分别对理想和实现山 形进行模拟分析，并得到了较好的模拟结果。于此同时，人们对连续多山的地形的 流场产生了很大的兴趣。c a r p e n t e r 、k i m 通过风洞试验和数值模拟的方法详细的分 析了二维两山、三山连续山形的速度分布。k o n d o 在忽略风向影响的基础上，详细 的分析了7 种坡形的梯形地形周围的平均风度和脉动风速的分布，并给出了平均风 速以及脉动风速在流动方向和高度方向上的增加的区域和变化率。通过进一步研究 得出流动方向上的脉动风速分量起主导作用，同时也讨论了在下风向坡度对有无流 9 华北电力人学硕上学位论文 动分离现象的影响【叭郴j 。 目前，在风电工程中，基于c f d 模拟的软件有挪威开发的w i n d s i m 软件和法 国开发的美迪顺风( m e t e o d y nw t ) ，前者实质上采用r a n s 方程以及标准k 一占模 型的原型进行风场的数值模拟，同时对标准k 一占模型的参数进行了一定的修正，并 在贴体网格内，当湍流达到局部的平衡条件下给出了入口参数。后者则采用了1 5 次方k 一占模型，并针对林区提出了冠层模型，通过在k 一占模型增加附加源项来实现。 此外日本九州大学基于大涡模拟( l e s ) 开发了复杂地形流场模拟软件 r i a mc o m p a c t 软件，可用于风资源评估和风电场微观选址。 在国内，翁笃鸣】提出了山区风的状况受到地形影响，地形对气流运动的作用 主要有两个方面即阻挡以及引导作用。国内较早接触p b l 模式研究的是南京大学的 蒋维媚、刘红年及王卫国【4 5 j 【4 6 j 等人，其最先采用了二维非静力细网格高阶闭合模式 及二维非静力细网格模式对下垫面进行研究。孟庆珍与杜健【4 ”【4 8 】则引用了w e i b u l l 分布、g u m b l e 分布，p e a r s o n l i i 型分布和对数j 下态分布等四种分布，用以拟合成都地 面风速年极大值，并对之进行了比较，发现最佳渐近分布为g u m b e l 分布和对数正 态分布。袁春红、杨振斌、薛析【4 9 j 对g u i d e 模式作了改进，对不同方向的风速作 了修正，其模拟效果较好，并提出若能将地表热力状况的影响加以考虑，