[发明专利]一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法

说明书

本发明属于计算风工程领域，并公开了一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法，该方法包含以下步骤：1)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)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。本发明能够使用计算机支持的程序语言，实现WRF模型和复杂地形CFD模型在边界上的数据耦合，有利于提升复杂地形风资源评估和风场数值模拟的精准度。

技术领域

本发明属于计算风工程领域，更具体地，涉及一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法。

背景技术

在研究复杂地形的风场时，首要难题是如何给定合理的入口边界条件。入口边界的合理性是影响计算结果的重要因素，不论是风洞试验还是数值模拟，在给定入口边界的时候都做了大量简化，可能导致结果与实际情况偏差较大。

近年来，随着气象预报模式的快速发展，中尺度气象预报模式得到了广泛应用，其中WRF模式最受欢迎。WRF是美国国家大气研究中心、国家环境预报中心及多个大学、研究机构共同研发的新一代中尺度数值模式系统。WRF模式在水平方向采用Arakawa C交错网格点，竖直方向则采用地形跟随质量坐标，具有灵活、可扩展、易维护和使用计算机平台广泛的特点。WRF模式系统改进了从云尺度到天气尺度等不同尺度重要天气特征预报精度，重点考虑1～10公里的水平网格，结合先进的数值方法和资料同化技术，采用经过改进的物理过程方案，同时具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力，可以很好的适应从理想化的研究到业务预报等应用的需要，并具有便于进一步加强完善的灵活性。

当前国际上关于复杂地形风场的模拟大都采用的是中尺度气象模式，通过嵌套网格到某一最小内层尺度，然后通过动力降尺度或统计降尺度的方法，以及大气边界层风廓线分布理论或半经验公式，获得高分辨率的风速分布资料。然后与观测站点的实测资料进行对比分析，从而改进模式和模拟方法，最终得到满足一定精度要求的数值模拟结果和风能资源分布图。但是，中尺度气象预报模式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，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，当遇到极为陡峭的地形时，有可能出现积分溢出的情况，因此单纯的中尺度模式很难对复杂微地形风场进行详细分析，对风能资源进行准确评估。

基于CFD方法的数值模式适用于复杂地形条件下的边界层精细流场的模拟，具有所需费用低、计算时间短、计算效率高、便于模拟真实风场特性等特点。但局限在于，一方面，CFD商业软件较为昂贵，封闭性强，用户不清楚详细的计算过程，对软件进行自定义功能或基于控制方程的离散从源头编制程序时，难度高、工作量大，很不方便。对此，OpenFOAM是一套免费开源的完全由C++编写的CFD类库，OpenFOAM不仅将程序代码对外公开，而且其软件程序的结构和软件的架构设计也完全开源化。因此用户可以最大程度地拓展程序以实现用户功能的自定义或是扩展软件已有功能。除此之外，OpenFOAM也支持多种网格，可以处理复杂的几何结构，并且支持区域分解并行计算等。

另一方面，通常只能假设边界入流条件采用平均风速或幂指数风廓线状态，无法保证数值模拟中能正确地包含真实的中尺度环流信息。因此WRF与CFD的耦合模式是复杂地形数值模拟的重要发展方向，有利于提升复杂地形风资源评估和风场数值模拟的精准度。