[发明专利]基于中尺度和小尺度耦合的区域风场模拟方法和系统

说明书

本发明提供一种基于中尺度和小尺度耦合的区域风场模拟方法和系统，其中方法包括采用中尺度数值模式模拟中尺度风场，得到符合真实大气环境的平均风剖面；采用边界层尺度数值模式将符合真实大气环境的平均风剖面作为模拟边界层尺度风场的初始条件和边界条件，得到大气边界层尺度的湍流脉动；采用结构尺度流固耦合数值模式将符合真实大气环境的平均风剖面和大气边界层尺度的湍流脉动作为模拟结构自身及周边尺度风场的初始条件和边界条件，得到建筑结构所处风环境、所受风荷载和响应风效应。本发明采用上述方案，在多尺度风场模拟中实现不同尺度风场连续模拟，提高了模拟不同尺度风场的效率和准确度。

技术领域

本发明属于风场模拟技术领域，尤其涉及一种基于中尺度和小尺度耦合的区域风场模拟方法和系统。

背景技术

重大基础设施选址一直是前期项目评估的关键问题，包括如何使建筑物、桥梁等处于风害最小以及风电场处在年平均风资源最丰富位置。风力机、建筑结构和桥梁直接与大气边界层全天候接触，边界层尺度风场特性与之联系更为紧密。对于土木工程仍需关注结构或更为细部的自身或周边风环境，需要更小尺度风场。因此，从基础设施前期选址至后期运营，涉及不同尺度风场信息，模拟风场的准确性是解决该问题的重要前提，否则将无意义。

基础设施选址涉及区域尺度风场，需采用中尺度数值模式模拟。大气边界层尺度风场是不同建筑结构、桥梁结构等所在大气高度区域，不同边界层风场将影响结构风特性；同时受限于稀疏的现场监测点以及实验缩尺比影响，边界层求解器数值模拟方法已成为研究大气边界层风特性的首要选择；但是近壁面计算网格尺寸决定了无法采用全解析大涡模拟方法进行求解。对于工程结构而言，结构或更为细部的风环境是研究结构风荷载和风效应的关键，计算流体力学程序是研究该问题的主要方法。现有方法均是分别处理不同尺度风场模拟，而未将不同尺度风场模拟方法建立联系，这会使得计算效率和准确度降低。因此，如何实现不同尺度风场连续模拟是多尺度风场模拟亟需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于中尺度和小尺度耦合的区域风场模拟方法和系统。

第一方面，本发明提供一种基于中尺度和小尺度耦合的区域风场模拟方法，包括：

采用中尺度数值模式模拟中尺度风场，得到符合真实大气环境的平均风剖面；

采用边界层尺度数值模式将符合真实大气环境的平均风剖面作为模拟边界层尺度风场的初始条件和边界条件，得到大气边界层尺度的湍流脉动；

采用结构尺度流固耦合数值模式将符合真实大气环境的平均风剖面和大气边界层尺度的湍流脉动作为模拟结构自身及周边尺度风场的初始条件和边界条件，得到建筑结构所处风环境、所受风荷载和响应风效应。

进一步地，所述中尺度数值模式的表达式为：

其中，x、y和η分别为经向、纬向和跟随地形的静力压力方向，对应的风速为U、V和W；Ω为垂向速度通量形式；μ_d为中尺度数值模式在(x,y,η)处的列单位面积干燥空气质量；φ为位势；α为考虑湿度因素的比容；α_d为(x,y,η)处干燥空气时的比容，是空气密度的倒数；p为对应坐标(x,y,η)位置处的气压；u、v和w分别为经向、纬向和跟随地形的静压力方向上的协变速度；t为时间；m_x为中尺度数值模式采用的坐标系计算空间中经度方向水平网格点距离与真实地球表面上相应距离的比值；m_y为中尺度数值模式采用的坐标系计算空间中纬度方向水平网格点距离与真实地球表面上相应距离的比值；F_U为中尺度数值模式物理过程、湍流混合、球面投影和地球自转产生的强迫力项在经向的分量；F_V为中尺度数值模式物理过程、湍流混合、球面投影和地球自转产生的强迫力项在纬向的分量；F_W为中尺度数值模式物理过程、湍流混合、球面投影和地球自转产生的强迫力项在跟随地形的静压力方向的分量；g为(x,y,η)处的重力加速度。