[发明专利]一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法

权利要求书

1.一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

1)在OpenFOAM中基于GIS数据建立复杂地形CFD模型，生成精细化网格；

2)建立中尺度WRF模型模拟复杂地形风场，处理WRF模型的风场数据；

3)实现WRF模型和复杂地形CFD模型在边界上的数据耦合，得到复杂地形CFD模型4个侧边界面和顶面上随时间变化的精细化网格风场数据；

4)使用OpenFOAM计算耦合后的复杂地形CFD模型，从而获得复杂地形风场特性模拟结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下子步骤：

1.1)确定目标的中心经纬度，从GIS地理信息系统中获取目标所在区域的ASTERGDEM30米分辨率大地坐标下的地形数据，使用ArcMap处理GIS数据，从而获得WGS_1984_UTM坐标系下的地形数据网格节点；

1.2)参数化建立三维平坦地形CFD模型并生成精细化网格：复杂地形CFD模型的计算域设置为长方体区域，根据实际的地形地貌找到对计算域有影响的复杂地形，计算域包含这些复杂地形，而且采用非结构化三棱柱网格以充分拟合复杂几何边界，其中，在计算域的不同区域采用分辨率不同的网格，复杂地形CFD模型在竖直方向上采用相邻网格尺寸比值为定值的σ网格；

1.3)实现计算域的地形数据网格节点与三维平坦地形CFD模型网格节点之间的数据转换：根据三维平坦地形CFD模型中每一个底面网格数据节点的坐标，找到其在地形数据网格节点中的对应位置，然后使用该位置周围的3个地形数据网格节点的高程，通过三角形共面线性插值得到底面网格节点的高程，同时，在三维平坦地形CFD模型中，竖直方向上其余网格节点的高程会随着底面网格节点高程的变化产生相应变化，最终得到修改高程后的复杂地形CFD模型；

1.4)通过转化器gambitToFoam导入OpenFOAM，将复杂地形CFD模型转换为OpenFOAM可识别的格式。

3.根据权利要求1所述的一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下子步骤：

2.1)建立中尺度WRF模型模拟复杂地形风场，WRF模型为长方体，水平面方向采用多层嵌套网格，其中，WRF模型内层细密网格的尺寸与外层粗糙网格的尺寸成奇数比关系，以实现双向嵌套；

2.2)处理WRF模型计算的不同时间的风场数据，分别得到复杂地形CFD模型周围4个侧边界面和顶面上一系列网格节点上的粗分辨率风场数据(t，x，y，z，u，v，w)，其中，t表示时间，(x，y，z)表示各网格节点位置的三维空间坐标，(u，v，w)表示空间直角坐标系下三个方向的风速分量，具体处理过程如下：

对于复杂地形CFD模型的每个侧边界面或顶面，首先将与其相交的WRF模型网格单元的中心坐标投影在对应的侧边界面或顶面上，得到各网格节点位置的三维空间坐标(x，y，z)，再找到各网格节点在WRF模型中的对应位置，通过各网格节点周围的WRF模型风场数据，使用距离倒数加权法插值得到各网格节点的风速(u，v，w)，以此方式，可以得到复杂地形CFD模型周围4个侧边界面和顶面上一系列网格节点上的粗分辨率风场数据(t，x，y，z，u，v，w)。