[发明专利]一种适用于复杂地形风场流动数值模拟的侧向边界条件设置方法

说明书

本发明提供的一种适用于复杂地形风场流动数值模拟的侧向边界条件设置方法，方法基于计算流体力学模拟中求解不可压缩流体控制方程的有限体积法，根据计算域侧向边界面(即与主流动方向平行布置的计算域边界)中每个面元对应有限体积单元体心上的气流通量方向，判定气流在该面元处的入流或出流情况，进而建立相应的速度和压强耦合边界条件。本发明考虑到由于复杂地表对风向的局部改变效应以及地转偏向力对气流的宏观转向作用，可以在同一侧向边界面上，模拟出不同空间位置处的大气入流和出流并存的真实物理现象，较好地克服了现有单向、简化型侧向边界条件的局限性，建立了与风场流动实际情况更为吻合、适用于各类常用湍流模式、且能够保持数值计算稳定与收敛性的复合型侧向边界条件。

技术领域

本发明属于计算流体力学技术领域，具体涉及一种适用于复杂地形风场流动数值模拟的侧向边界条件设置方法。

背景技术

我国内陆地形复杂，潜在和现役的大型陆上风电场大多坐落于山地、高原、丘陵、盆地等地带的风资源聚集区域，以计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)为基础的数值模拟方法已成为研究复杂地形风场风资源评估的重要工具。通常，风场计算范围的选取是以地表下垫面为基准面，竖直向上延伸至大气边界层高度(一公里量级)而形成的六面体区域，在数值计算中需要在不同边界面对风速、压强等变量的边界条件进行合理的选定与设置，从而确保流动控制方程在计算区域内的可解性。研究表明，风场计算区域的边界条件设置方法作为数值模拟中的关键因素，直接影响着整个运算过程的收敛性与稳定性，进而决定着数值求解算法的可行性与精确度。

目前，有关复杂地形风场CFD数值模拟边界条件的研究主要集中在入口边界生成与地表边界的处理两个方向上。由于侧向边界条件对数值模拟的空间离散格式、下垫面边缘的不规则程度以及风速-压强耦合算法的敏感型，对其最优化设置一直以来是CFD领域的一个开放性的研究课题。目前，国内外对风场CFD数值模拟中风速与压强条件在侧向边界上的选取与设置，通常是以求解流体力学偏微分(Partial Deferential Equation，PDE)控制方程组(即Navier-Stokes方程组)的两大类边界条件为基础，对第一类Dirichlet边界条件(即待求变量在边界面上的值被直接给定)与第二类Neumann边界条件(即待求变量在边界面外法线的方向导数被指定)进行直接选用、修正或组合使用。

例如，Churchfield M.J.等在侧向边界面采用以Dirichlet边界条件为基础建立的连续性周期(Periodic)边界条件，即两个(一对)侧向边界上所有的变量值对应相等，对山丘与山谷相结合的风场地形上空的大气边界流动进行模拟。然而，周期边界条件要求两个侧向边界中的源边界与目标边界在几何形状与网格划分上必须完全一致，从而实现流动变量从源界面到目标界面的完整映射，这就使得该边界条件仅适用于典型二维地形下流场的模拟验证，无法应用在实际的三维复杂地形中。Peralta C.等在侧向边界面采用以Neumann边界条件为基础的滑移(Slip)边界条件，即流体在侧向边界面上的法向速度为零，切向速度与沿边界面内侧第一层网格的切向速度相等，对坐落于海中的陡崖独立山丘的风场流动进行模拟。然而，滑移边界条件在机理上不允许流体穿过边界面，无法反映现实中流体通量的交换，造成流场模拟在边界区域的不准确性。Balogh M.等在侧向边界面采用Dirichlet与Neumann相结合的对称(Symmetry)边界条件，对缓坡独立山丘周围的风场进行模拟，在一定程度上减少了计算量，但仍旧对实际流动情况做了相应的简化而无法反映气流在边界的真实状态。

综合而言，上述常用的侧向边界条件在计算程序实现上较为简洁，但是在遇到不规则几何边界(如山区、丘陵地带等复杂地形)时，存在着无法适用导致求解发散，或者使用后无法准确模拟边界处风场的实际流动状态，从而对计算域整体的求解准确性造成影响。

发明内容