fluen软件在复杂地形风场模拟中的应用

fluen软件在复杂地形风场模拟中的应用

1中尺度模式下地形模拟研究要了解该层的风场特征，就能源能力评价、环境环境评价和气候变化风险评估具有重要意义。然而在复杂地形上,近地层风场分布具有高度的非均匀性,观测数据所能代表的范围非常有限,在这种情况下,利用数值模拟方法获得复杂地形条件下高分辨率的近地层风场资料,就显得非常重要。事实上,模拟复杂地形上的风场结构,一直是大气科学中一个重要的问题,许多学者已经针对大气环境评价、风能评估等不同方面的需求,从不同角度展开研究,并取得了丰硕的成果[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。这些研究主要基于中尺度模式展开,通常采用地形追随坐标,通过方程组的坐标变换来描述复杂地形,在数值计算方法上以差分格式为主。中尺度模式的空间分辨率最高可达到100m量级,且在模拟的前处理阶段需要对地形进行不同程度的平滑,以获得计算上的稳定性。对于中尺度模式而言,当遇到极为陡峭的地形时,有可能出现积分溢出的情况。近年来,计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)类的模式在气象领域的应用正在得到越来越多的关注,尤其是在城市微尺度风场及污染扩散研究中已经得到了较广泛的应用。CFD类模式处理复杂几何体的能力引起了一些气象学者的注意,逐渐尝试将其应用到复杂地形的风场模拟中。例如,程雪玲等尝试利用地形高程的格点数据建立地形的计算网格模型,为CFD模拟复杂地形的风场作前期准备。相对于中尺度模式而言,CFD模式的空间分辨率较高(水平格距最小可达到10m量级),可以更为精细地描述真实地形。然而国内在这方面的研究还相对较少,为进一步加强这方面研究,本文利用商业CFD软件FLUENT进行了复杂地形上的风场模拟研究。2fluen模拟复杂地形模拟试验FLUENT是国际知名的CFD软件,集成了非常丰富的参数化方案和物理模型,可用于多种流体问题的数值模拟。在数值计算方法上,FLUENT采用了以有限体积法(FiniteVolumeMethod,FVM)为核心的方法,可以用于非结构化网格体系的数值求解。FLUENT的前处理器GAMBIT具有相当强的建模和网格划分功能,能应对求解域内的各种复杂几何形状。同时,FLUENT还提供了丰富的数据接口,用于增加必要的物理模型和链接外部数据。FLUENT的这些特性,使得将其用于模拟复杂地形上的风场成为可能。为了验证FLUENT应用于复杂地形风场精细模拟的可行性,本文首先选取北京地区佛爷顶地面观测站的周边区域进行了数值模拟试验,通过与观测资料的对比,探讨FLUENT用于复杂地形风场模拟的可行性和准确性。随后利用我国西南某峡谷地区进行了进一步的数值试验,以检验FLUENT模拟极度复杂(陡峭)地形条件下近地层风场的能力。3法比的取样值的模拟测试3.1模拟结果及数据传递佛爷顶观测站的经纬度坐标为40.6014°N、116.1347°E,位于北京西北山区的佛爷顶山头上,海拔高度超过1200m。模拟采用了中尺度模式RAMS与FLUENT结合进行模拟的思路,具体如图1所示:(1)首先利用FLUENT的前处理器GAMBIT,根据100m×100m分辨率的地形高程数据建立了以佛爷顶地面站为中心的8km×8km范围内的地形CAD模型;(2)以建立的CAD模型为FLUENT的解域,并对其进行非结构化网格划分,生成FLUENT可识别的msh文件;(3)以NCEP再分析资料为背景场,利用RAMS进行模拟,模拟范围包括了FLUENT模拟所涉及的区域;(4)利用FLUENT的BoundaryProfile(BP)模块,将RAMS模拟的各时次风速、气温和地温数据分别传递给FLUENT解域的各个边界;(5)启动FLUENT进行诊断模拟,所得到的结果即为该时次的模拟结果。这种将中尺度模式与CFD软件结合使用的方法,最早被用于城市街区尺度气象环境的精细模拟,被证明比单纯利用理想风、温廓线作为边界条件更为合理和真实。图2进一步以佛爷顶为例,展示了模拟方案设置及数据传递流程。RAMS部分的模拟使用NCEP再分析资料作为背景场,采用4层嵌套网格,其中第2到第4层网格所覆盖的范围如图2a所示,模拟区域的中心点为佛爷顶气象观测站所在的位置。模拟区域4层网格的格点数均为52×52×33,水平格距分别为25000,5000,1000和200m,垂直格距在底层为30m,往上按1∶1.15的比例逐层增加,模拟区域顶部的最大垂直格距为1200m。RAMS最内层网格覆盖的区域(以下称为D4)及其地形分布如图2b所示,图中粗黑线内部分为FLUENT的模拟区域,将D4内的RAMS模拟气象数据在粗黑线所在的垂直切面上的值提取出来,作为侧边界条件传递给FLUENT的计算模型,同时将D4内的RAMS模拟地温数据在粗黑线以内的值传递给FLUENT,作为地表的下边界条件,以驱动其进行下一步的精细模拟。需要指出的是,下边界地表温度数据的传递,弥补了FLUENT自身无法模拟地表辐射平衡过程的缺陷,能保障FLUENT模拟近地层风场时可考虑热力过程。FLUENT模拟区域内的地形高程模型如图2c所示,模拟区域顶高为3500m,解域内的非结构化网格如图2d所示,网格边长为30m。FLUENT主要控制方程如下:∂ˉui∂t+ˉuj∂ˉui∂xj=-1ρ∂ˉp∂xi+μρ∂2ˉui∂xj∂xj-∂∂xj(¯u′iu′j)+fi,(1)∂ˉui∂xi=0,(2)∂ˉΤ∂t+ˉui∂ˉΤ∂xi=k∂2ˉΤ∂x2i,(3)其中,ˉui表示速度分量的平均值,u′i表示速度扰动量,ρ为大气密度,fi在这里考虑为热力作用产生的浮力,热力学方程中ˉΤ表示气体的平均温度。湍流闭合方案采用Realizablek-ε方案,与风洞实验的对比表明,该方案是FLUENT所采用的3个k-ε方案中最好的一个。侧边界条件均采用固定速度边界条件,风速与气温的数据均直接用RAMS模拟D4区域内的数据,下边界采用固定边界条件,地表温度为RAMS模拟的D4区域内的地表温度数据。通过包辛尼斯克假设来考虑下垫面加热对近地面风场的影响。由于FLUENT模拟范围的水平尺度在10km以内,忽略科氏力是合理的。模拟时段选取为2005年8月29日08:00～30日14:00(北京时,下同),考虑模拟的最初12h为Spin-up阶段,RAMS模拟结果从2005年8月29日20:00起,每隔6h输出一次,并将模拟的结果用边界廓线(BP)模块传递给FLUENT以进行进一步的精细模拟。3.2近地面风场的非均匀特征图3给出了FLUENT模拟的2005年8月29日20:00佛爷顶周边距地面10m高度的近地层风场分布图。图3a是10m高度的风速分布情况,图3b是10m高度的风矢量分布图。需要指出的是,图3是将FLUENT的模拟数据插值到规则网格上得到的结果。由图3可见,模拟范围内的近地面风场具有高度的非均匀特征。图3a表明,佛爷顶模拟区域内风速总体上较小,只有南侧山体迎风面和北侧的山沟内风速相对较大。而图3b表明,近地层风场受地形影响非常明显,风向随山地起伏变化剧烈,在模拟区域的西南区域有气流往北前进,受佛爷顶南侧山体的阻挡,与山体北侧来流汇集改为向东运行,形成山体南侧的一个小辐合带。而在佛爷顶以北的整个区域,近地层的风场显得较为凌乱,受地形影响在小范围内形成各种涡旋型或辐散型流场。总之,根据图3可知,FLUENT模拟得到的风场比较复杂,且与模拟范围内的复杂地形对应较好。为了检验三维风场的模拟效果,图4给出了佛爷顶模拟区域内x=4000m的y\_z垂直剖面上的风矢量分布图。由图可见,在离地面较高的空中,风速较大且风向比较一致。而在近地面,受地面复杂地形的影响,流场要复杂得多,山体前后均有较为明显的涡旋型流场。3.3问题的范围为定量地分析模拟结果,将RAMS的模拟结果和FLUENT的模拟结果分别插值到佛爷顶气象站所在的位置,并与观测结果进行了对比(表1)。从表1的对比来看,FLUENT与RAMS的模拟结果与观测值相比都存在较大误差,造成这种现象的一个重要原因是RAMS在模拟中仅使用了分辨率较低的NCEP再分析资料,而且在RAMS模拟中并没有采用观测资料同化等技术提高模拟结果的准确性——这超出了本文所要讨论问题的范围。由于上述两个原因,RAMS模拟结果的准确性会受到影响,而FLUENT依赖RAMS提供的数据作为边界条件,RAMS模拟失准同样会影响到FLUENT模拟结果的准确性。尽管如此,FLUENT模拟结果与观测结果的相对误差为45.5%,仍然要小于RAMS所得到的相对误差(55.3%),并且从各时次的风向模拟结果来看,除2005年8月30日02:00外,FLUENT的模拟结果均比RAMS模拟得到的结果更接近观测结果。FLUENT模拟结果无论在风速还是风向上,都更接近于观测值,说明FLUENT对RAMS的模拟结果在整体上进行了“修正”。佛爷顶的模拟结果表明,FLUENT能够比较合理地模拟出复杂地形上的近地层风场结构。与地面观测数据的对比分析表明,FLUENT与RAMS结合使用,在一定程度上“修正”了中尺度模拟得到的结果,使得模拟结果在获得更高分辨率的同时也更为准确。然而不能忽视的是,FLUENT自身并不能直接获取大尺度背景场,需要中尺度模式为其提供边界条件。因此,如果将RAMS和FLUENT看成一个模拟系统,则RAMS的模拟质量直接影响到了系统的最终模拟结果,今后需要在RAMS模拟中配合地面观测资料及探空资料同化技术的使用,以提高整个系统模拟的准确性。4陡峭复杂地形风场的详细模拟试验4.1复杂地形下近地层风场模拟试验上述分析表明,FLUENT能较为精细地描述复杂地形上风场分布的非均匀特征,尤其是可以得到高空间分辨率的模拟结果。然而,单纯提高模拟结果的空间分辨率并非FLUENT的唯一优点,由于具有刻画复杂几何形体的相当强的能力,FLUENT还能用于极度陡峭地形上的风场模拟,这是普通的中尺度模式难以胜任的。为检验FLUENT模拟陡峭地形上风场的能力,本节以位于中国西南部的某峡谷地区为例,进行了陡峭地形上近地层风场的模拟试验。所选取的模拟区域为我国西南部的一条峡谷,峡谷两侧地形极为陡峭,相对高度超过了1000m,坡度最大达到70°以上。经试验,即使是以往被证明对复杂地形边界层过程描述较好的模式,诸如RAMS和RBLM,也无法在1km分辨率上得到稳定的模拟结果。利用模拟区域地形高程的格点数据建立的FLUENT计算模型如图5所示,模拟区域水平范围为8000m×5400m。由图5a可见,模拟区域内的地形非常陡峭,在基于差分格式的中尺度模式中,对于这样的地形只能做强行的平滑处理,否则不能保证模式模拟的稳定性。对解域的大部分作六边形网格划分,而在地形变化非常剧烈的地区,仍然保留三角形网格划分,以保证数值模拟对这部分地形的准确刻画(图5b)。六边形网格的引入,可以在增加计算稳定性的同时大大减少计算耗时。选取的模拟时段为冬季(1月),模拟区域附近丽江气象站的30年统计数据表明,1月的常年主导风向为西风,因此模拟中假设入流风向为西风。在模拟中假设风速的垂直分布满足幂指数风廓线规律,而气温随高度变化满足干绝热减温率,这些假设条件均通过FLUENT的用户自定义函数(UserDefinedFunction,UDF)模块编程实现。4.2fluen数值模拟技术的特点图6给出模拟得到的地面20m高度的风场。由图6可知,即使模拟区域内的地形极为陡峭,FLUENT仍然可以合理地给出近地面的风场结构。从风速分布来看,在山体的背风侧、峡谷底部,风速都相对较小,而翻越海拔较高山脊的气流风速往往较大。而从风矢量分布情况来看,风向随地形的变化也得到了合理的反映,诸如气流沿河谷方向前进、在山体背风侧形成涡旋等特征,都得到了合理的描述。因此,尽管对于该河谷地区,尚缺乏足够的观测资料进行对比验证,但是定性的分析足以表明,FLUENT对于这样极为陡峭的地区,至少可以得到稳定而收敛的数值解,而且能较好地模拟出地形对近地层风场的影响。FLUENT之所以具有模拟陡峭地形风场的能力,主要是因为它在数值模拟中采用了一些中尺度模式较少使用的技术,归纳起来有以下几个方面:(1)通过计算机辅助设计(Computer-AidedDesign,CAD)技术,利用地形高程格点数据建立地形高程模型,并在该模型基础上进行解域的确定,CAD建模和解域的确定完全在笛卡儿坐标系下进行,将地表以下的部分排除出解域,从而实现了对陡峭地形的真实刻画;(2)计算过程中使用了非结构化网格,非结构化网格能够实现任意几何形状和任意连通区域的网格分解,使得对解域的网格划分可以最大限度地保留地形的原貌;(3)FLUENT采用的有限体积法保证了它可以在非结构网格体系下进行稳定的数值求解,因此FLUENT不必对地形作任何平滑即可求得动力\_热力方程组的数值解;(4)FLUENT的UDF模块和BP模块能够帮助用户通过编程的方式,方便地实现对模拟区域边界条件的确定,并且提供了与中尺度模式或观测数据的接口。UDF模块和BP模块的存在,使得FLUENT不再单纯是一个密闭封装的商业软件,而成为一个以计算流体力学为核心的开发平台。以上这些技术手段的使用,使得FLUENT具备大多数中尺度模式都不具备的功能,能够合理地模拟出陡峭地形上的风场。5复