[发明专利]一种山区地貌下强风三维脉动风场综合模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及风场模拟方法，具体地说是一种山区地貌下强风三维脉动风场综合模拟方法。

背景技术

风可以看作是由两部分组成：平均风和脉动风。近年来对山地风场的研究越来越多，但大部分的研究都只是针对平均风场。而对于类似于输电塔线体系的风敏感结构，仅考虑平均风场不够全面，还须考虑风敏感结构在脉动风场下的动力放大效应。因此，如何高效准确地获取指定山区地貌下强风的三维脉动风场至关重要。

从目前的研究进展来看，获得三维脉动风场的方法主要有两种：一是基于随机过程理论的数值计算方法；二是使用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，简称CFD)方法数值模拟流速场。前者主要包括谐波叠加法、小波法等，其中，谐波合成法是发展较早且比较成熟的脉动风速模拟方法，但存在以下问题：一方面，对大型结构或者山区地貌这种空间跨度较大的情况，需要考察的特征风速点较多，模拟如此多的节点风速时程的计算成本太大，计算机硬件的限制也是一个问题；另一方面，谐波合成法中所用的风功率谱往往是对空旷场地实测风速数据进行数学变换和曲线拟合后得到的，仅仅能够表达空旷场地风速的能量在频域内的特征，因此在类似于山区地貌的复杂地貌下，其适用性有待商榷。

随着计算机技术的发展，计算流体动力学方法已经能够模拟得到具有一定精度的建筑周边湍流风场，具体方法主要有Reynolds平均法和大涡模拟方法。Reynolds平均法求解的是时均化的Reynolds方程，因此具有计算速度快和计算效率高的特点；但Reynolds平均法仅能给出湍流场的统计特性，无法给出脉动风速的时程分析结果。虽然大涡模拟方法可以有效地模拟瞬时脉动风场，但是其计算过程中仍然需要求解大量瞬态N-S方程，计算耗时较长，同时计算结果受网格的影响较大。因此，需要一种更加简单高效的山地脉动风场模拟方法。

此外，现有对山区地貌下的风场研究大多仅针对形状简单、规则的山体，常见的如正余弦形山体、贝尔形、三角形等，其计算结果能反应出一些基本的风场规律，但是较难推广到更复杂的实际山区地貌下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种更加简单高效且适用于复杂山区地貌下强风的三维脉动风场综合模拟方法。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种山区地貌下强风三维脉动风场综合模拟方法，其包括以下步骤：

A.根据工程需求，在GoogleEarth二次开发的GoodyGIS系统中设置高程点采集的数量、精度及范围，导出目标山区数据提取点的经纬度及高度坐标；

B.将上述提取点的经纬度换算得到满足精度要求的平面坐标，最终形成点云文件；

C.将步骤B形成的点云文件导入到Imageware软件中，使用“由点去构造自由曲面”的功能生成目标山区的地貌曲面模型；

D.将步骤C中形成的地貌曲面模型导入到Fluent的前处理软件GAMBIT中，完成CFD计算所需的建模、网格划分和定义边界条件；

E.使用RSM模型计算各个提取点的雷诺应力分量值，对风功率谱和点相干函数进行修正，得出山区地貌下更加真实合理的同点异向的风谱矩阵，修正后的风谱矩阵包括自功率谱和互功率谱；

F.构造得到提取点处的考虑同点异向的三维脉动风场模拟公式，并引入了快速傅里叶变换技术。

本发明首先针对目标山区地貌，结合GoogleEarth和Imageware软件生成满足误差要求的精准的山区地貌模型，然后采用CFD技术计算得到监控点(即提取点)的雷诺应力，并将其引入随机脉动风场生成技术中，以此得到目标山区地貌的三维脉动风速场。因为求解过程中综合使用了两种技术，故称为综合模拟方法。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采取以下技术措施：

步骤E中，当山区地貌条件变化过于复杂，难以生成满足RSM模型计算需求的网格时，使用对网格质量要求相对较低的k-ε湍流模型，得到由湍动能k求解各个雷诺应力分量值的计算公式。

三个对角雷诺应力分量值的计算公式为：

式中，i为u、v或w；

其中，