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复杂山地地形风场CFD多尺度数值模拟

作　者: 郭文星
导　师: 肖仪清
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 土木工程
关键词: 风场分布典型山体地形复杂山地地形 CFD 多尺度模拟
分类号: TK89
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

风机的微观选址直接关系到风电场的出力与经济可行性,而在山地建设风电场仅靠现场有限的测风站点并不能全面地评估该场地的风能分布。CFD技术可以获得场地完整的风场分布,在风机微观选址中发挥的作用越来越大。但利用CFD技术评估风资源的研究处于起步阶段,而且限于当前的计算条件,计算模型的网格分辨率还远远达不到工程所需的精度,所以希望能寻找一种多尺度模拟风场的方法以突破目前计算机硬件条件的限制。本文通过典型山体地形的风洞实验,基于通用CFD软件FLUENT 6.3,对复杂山地风场多尺度模拟作了研究。在典型山体地形风场的研究中,制作了二维山坡、二维山脊、三维轴对称山丘三类1:1000的典型山体地形模型,在大气边界层风洞里测量了山体不同位置的风速剖面,得到了各个典型山体地形的风场分布。接着模拟三维轴对称山丘的风场,与风洞实测结果对比,比较壁面函数、入口湍流剖面、入口速度剖面、湍流模型这些计算参数对模拟结果的影响,选取出一组适合模拟山地风场的计算参数。然后模拟二维山坡、二维山脊两种典型山体地形的风场,验证这组计算参数模拟山地风场的适用性,将这组计算参数应用到复杂山地风场的模拟中。以目前计算机的硬件条件,获得水平分辨率5m的复杂山地风场的计算成本太高,使用RNG湍流模型和SST湍流模型尝试对复杂山地风场进行分级模拟。第一级山地模型网格的水平分辨率为40m,第二级山地模型的局部网格分辨率达到5m。两级风场的数据传递通过插值实现,不同分辨率网格间的数据传递使用interface完成。选取了一次风向稳定、无雨的强风过程进行模拟,模拟结果与现场各站点的实测风速比较,发现第二级风场模拟结果的精度和第一级风场模拟结果相比有了一定程度的提高,表明分级模拟风场是可行的。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-16
  1.1 引言  8-10
  1.2 国内外山地风场研究现状  10-12
    1.2.1 典型山体地形风场研究  10-11
    1.2.2 实际山地地形风场研究  11-12
  1.3 课题来源及主要研究内容  12-16
    1.3.1 课题来源  12
    1.3.2 主要研究内容  12-16
第2章典型山体地形的风洞实验  16-31
  2.1 引言  16
  2.2 实验准备与典型山体地形模型  16-22
    2.2.1 风洞情况简介  16-17
    2.2.2 风速测量仪器简介  17-18
    2.2.3 典型山体地形模型  18-22
  2.3 风洞实验方案与结果  22-30
    2.3.1 植被模型空气动力学粗糙度标定  22
    2.3.2 实验步骤  22
    2.3.3 风洞实测山地风场结果  22-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章典型山体地形风场数值模拟  31-49
  3.1 引言  31
  3.2 三维轴对称山丘风场模拟  31-40
    3.2.1 计算模型与求解器的设置  31-33
    3.2.2 各种计算参数的选取  33-35
    3.2.3 模拟结果比较与分析  35-40
  3.3 二维山坡风场模拟  40-46
    3.3.1 二维山坡的计算模型  41
    3.3.2 模拟结果比较与分析  41-46
  3.4 二维山脊风场模拟  46-48
    3.4.1 二维山脊的计算模型  46-47
    3.4.2 模拟结果比较与分析  47-48
  3.5 本章小结  48-49
第4章复杂山地地形风场多尺度数值模拟  49-60
  4.1 引言  49
  4.2 山地风场多尺度模拟  49-54
    4.2.1 复杂山地地形的网格模型  50
    4.2.2 山地风场多尺度模拟方案  50-52
    4.2.3 风过程选取与对比方案  52-54
  4.3 模拟结果比较与分析  54-58
  4.4 本章小结  58-60
结论  60-62
参考文献  62-67
致谢  67

复杂山地地形风场CFD多尺度数值模拟

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