PDF《资源评估方法研究》

CFD 技术在一定的评估区域内可以提高分 辨率,但无法考虑大范围小气候异化的影响.通过结合中尺度大气模式和 CFD 技术的优势,采用中 尺度大气模式获得复杂地形大范围的低分辨率风资源评估结果;

基于 CFD 技术,对中尺度低分辨率 计算结果进行降尺度处理,获得微观尺度的高精度风资源分布.实例验证表明,结合中尺度大气模 式和 CFD 降尺度技术,综合考虑微地形小气候和复杂地形的影响,可以获得大范围高精度的风资源 评估结果,能够有效地解决复杂地形风资源评估中微地形小气候的问题.

1 中尺度大气模式原理 中尺度大气模式是小于天气尺度,大于单个积云尺度的天气系统研究,水平尺度一般约 2km 到2000km.通常根据研究需要的不同而采取不同的尺度[26]:在雷暴、对流现象和复杂地形流动研究 中采用 2~20km 水平尺度(Meso-γ) ;

在处理如海风现象、湖泊效应和暴雪等气候常采用 20~200km 水平尺度(Meso-β) ;

在研究飑线、中尺度对流系统(MCS)和在热带气旋等现象时采用 200-2000km 水平尺度(Meso-α) . 二战后,由于计算机技术的迅猛发展,气象预报技术也随之突飞猛进.短短的几十年里,世界 各地的气象研究机关开发出了各自的相对独立的气象模式.NCAR、NCEP、FSL、AFWA 和OU 等 美国的科研机构对气象模式进行了统一,于2000 年开发出了 WRF 模式. 中尺度大气模式计算数据来源包括气象卫星遥感数据、 地面气象站观测数据和测风塔实测数据, 通过中尺度大气模式求解器对各渠道来源的数据进行同化和再分析,得到研究区域的中尺度气象数 据.目前主流的中尺度再分析结果水平分辨率在 15km 左右,对省市范围尺度内的风电场宏观选址 具有一定程度的指导意义,对县一级的复杂地形风电场宏观选址需要降低中尺度分辨率在 2.5km 以下,以保证计算结果的可靠性. 中尺度大气模式计算模型基于连续方程、热力学方程、水汽方程、状态方程和

3 个运动方程所 构成的方程组,可以综合考虑速度沿 x,y,z 三个方向的分量 u、v、w 和温度、气压、空气密度以 及比湿

7 个变量的影响.方程组中的粘性力,非绝热加热量和水汽量,作为时间、空间和这

7 个变 量的函数处理. 采用中尺度大气模式进行风资源评估,不需要树立测风塔测风,采用历年的气象卫星遥感数据 可以考虑到过去几十年的气候变化,在计算分辨率足够小的情况下,中尺度大气模式可以考虑到复 杂地形风电场局部气候的差异.受到计算机硬件的限制,中尺度大气模式的分辨率较大,在风电场 的风资源详细评估中需要结合 CFD 降尺度技术,以满足风电场选址的工程精度需要.

2 CFD 降尺度原理 对于有限的评估范围,假设气候具有局部的均一性,风流不是雷诺依赖的(即定向风特性是不 依赖于风速的) ,特定风向的风流分布可以用风加速因子表达. CFD 技术可以通过计算机根据流体力学的规律进行模拟求解,将风电场的流场分解为小的立方 体空间(即通常我们所说的网格) ,并在其中求解复杂的偏微分方程组.如式(1)和(2)所示,风场内 流体运动可以通过 Navier-Stokes 流体运动方程与连续方程进行数学描述. (1) (2) 模拟流体最准确的方法是直接数值模拟, 从而需要在小于 Kolmogorov 长度尺度的网格中求解方 程(针对于自然风,湍流中最小涡旋尺寸从 0.1mm 到1mm) .针对于实际的工程流体,采用直接数 值模拟方法将远远超出现有计算机的能力.为了降低计算数量,需要对湍流进行模拟并对 Navier-Stokes 方程进行简化. 中尺度计算结果代表一定区域内的风流参数平均值,通过对各风向进行定向计算并结合中尺度 计算结果进行综合分析,获得一定评估区域内的高分辨率的风流场分布.