CFD方法在建筑物对测风影响分析中应用.pdfVIP

S4 CFD方法在建筑物对测风影响分析中的应用 （1） （2） （3） （4） 游立军 张秀芝 张晓东 白洛林 （1.福建省气候中心,福州,350000;2.国家气候中心,北京,100000; 3.华北电力大学, 北京,100000;4.北京金风科创风电设备有限公司, 北京,100000） 摘要 近年来，跨海大桥、风电场等大型工程项目在我国沿海不断开展。在这些工程的气候论证中，无一不 涉及到确定参考气象站长年代风速序列的问题，然而，城市化、测站周边环境变化等人为因素干扰了长序 列风速资料的正常波动。本文使用计算流体力学方法（CFD）模拟东山站观测场北面建筑物对测风的影响， 验证和解释了建筑物、风的入流角度对风速的影响：1）直对建筑物的风向（N、NNE）风速减小明显，模拟 结果和建筑物出现后的5年平均风速较吻合；2）侧向（NNW、NE）风速减小不明显甚至会增大，模拟结果和 实测风速略微偏差；3）风速在建筑物的迎风面和背风面均受到削弱，建筑物对风速的削弱在迎风面约5倍 建筑物高度距离处基本上消失；在建筑物的背风面，风速衰减后恢复到原风速相应比例与下风方距离间呈 对数关系；4）不同风速情形下，模拟结果和输入值之间呈线性关系，在此基础上建立了受建筑物影响较大 的N、NNE风向下两者的关系式，可以用此关系式做风速订正；5）在竖直方向上，建筑物对风速的影响范围 为建筑物本身高度以上6m以内。利用模拟试验的结果对受建筑物影响的两个方位年平均风速进行订正，订 正后消除了建筑物对N方位风速的影响；建筑物的NNE方位的订正效果并不明显，表明订正偏离了建筑物主 要影响方位的风速，不仅要考虑建筑物，还要考虑其他因素。 关键词：风速序列 观测场环境 CFD 风速订正 1 引言 在风电场风能资源评估、跨海大桥设计等大型工程的气候论证中，均要考察项目所在 地的长年代风速情况，然而，城市化、迁站、仪器变化和测站周边环境变化等人为因素干扰 了长序列气象资料的正常波动[5, 6]。周淑贞、高嫒嫒、韩素芹等的研究表明[16-18],城市化引起 下垫面粗糙度加大，导致风速呈逐年递减趋势；司鹏、李艳等对气温和风速的研究[12-13,25]表 明，相比实测资料,利用反映气候变化自然影响的再分析资料得出的结论是城市增暖效应更 明显而风速的减小趋势更小。因此，使用受城市化影响的台站风速资料，首先要进行风速资 料的订正[7, 8]。 作为一种可以定量计算空间各点温度、风等物理量分布情况的模拟工具，近年来，计算 流体力学（CFD Computational Fluid Dynamics）在开放大气中的应用也引起了很多研究人 员的兴趣：Capeluto等利用CFD模拟在一个商业区设计中考虑了日照、风的因素[32]，Chang 等则比较了街区污染物的扩散模拟结果和风洞实验结果，发现结果吻合很好[33]，李磊等比较 了不同风向下十字路口街区的风速分布和CO质量浓度分布[34]，杨伟、刘朔、江明等分别研究 了建筑物布局形态对流场分布的影响[36-38]。Bechmann、Hanjalic、Andren A等用大涡模拟或 大涡模拟和雷诺时均方程结合的方法研究大气边界层湍流[39-42]，Hargreaves、Zhang、杨伟 等用雷诺时均方法探讨了用CFD模拟边界层的可行性，表明用调整参数的k-ε闭合方案可以 较好地表现平坦地形的近地层流场，进而模拟复杂地形下的情况[36, 43-46]。 本文以东山气象站为例，采用商用CFD软件Fluent进行建筑物对风速影响的模拟试验， 探讨建筑物对风速影响及风速的订正方法。 2.东山站实测风速变化分析 东山站观测场北面建筑物距风杆28m左右，高约11m ,长16m，宽7m，1995—1996年为工 程建设期。统计建设期前后各5年NW-NE方位的风向和风频列于表1。从表1可见，障碍物出现 前后NNW、N、NNE方向上的变化较大， NNE方位尤其明显，