CFD风速场重建.docx

基于CFD的风速场重建1 前言本文基于CFD技术，构建了包含两个正弦山脊的二维山丘风场模型，分别得出了不同湍流模型作用于此模型时的求解结果。风场重建，第一步就是要选择合适的布置传感器的测点。在传感器的优化布置方面，本文对基于速度梯度较大的地方布置测点和基于均匀布置测点的两种方式作了对比分析，得出按照速度梯度布置传感器更为灵敏。同时，本文验证了日本学者通过模拟和检索手段重建风速场。1.1风力发电场的数值模拟方法和现状经过查阅文献资料总结出，目前国内外主要使用的风电场模拟方法有直接模拟方法（DNS），雷诺时均方法（RANS），大涡模拟方法（LES），分离涡模拟（DES）等模拟方法。论文旨在通过计算流体力学（CFD）方法，模拟自然风，建立流体流动的数学模型。从质量、动量以及能量守恒的基本原理出发构建流体流动的基本方程。设定流场边界条件。用ANSYS ICEM15.0预处理软件建立地风场几何模型,在计算区域内划分合理的网格。采用基于有限体积法的ANSYS FlUENT15.0软件，设定计算区域边界条件，采用数值模拟计算方法，得出整个风场网格节点数据、风流动的速度云图、速度矢量图以及速度流线图等等，在CFD-post后处理软件中进行流场数据后处理。利用matalab软件计算出网格节点风速的梯度，找出速度梯度的极值点，作为布置传感器的测点，风场重建主要基于ECT图像重构思想，找出测点速度与全场速度的关系，进而求出测量矩阵，达到重建风速场的目的。2 风场的CFD模拟计算2.1 模拟风场前预处理2.1.1模型介绍利用CFD软件模拟复杂地形时，首先要考虑的是计算域的尺度。由于实际地形，连续群山之间的风场流动的影响是相互的，在起伏不定的山丘地形中，由于受到前方山坡风场流动的影响，后方山坡也不能仅仅看成孤立山来模拟。同理，后方山坡的气流影响，也会波及到前方山坡风速和湍动能的分布，因而在设定模拟的山地目标模型时，就需要设置合适的计算区域，才能保证研究目标不受其它山包风速流动的影响，因此就需要在山坡前后延伸一定的尺度大小，因此计算域的选取是进行复杂地形风场模拟时首先考虑的问题。查阅文献可知，山丘地形的轮廓通常符合以下模型，比如贝尔模型(Bell shape)，余弦模型(Cosine squared)，高斯模型(Gaussian)，正弦模型(Sinusoidal)等。[1]采用ANSYS15.0软件包里的ICEM15.0预处理软件构建合理的几何模型，在本次二维模拟中，两个小山包的轮廓线都符合正弦曲线的形式，第一个山包的正弦模型是:（2-1）第二个山包的正弦模型是：（2-2）其中，x表示山脊上各点方向的坐标值，m；y表示山脊上各点的高度，m.本文中，计算域最左下方的点设定为坐标原点（0,0），第一个山包的山底两个点的坐标分别为（25.28,0）、（31.58，0）；第二个山包轮廓线与x轴的两个交点分别是（56.86,0）、（63.14,0）其中x是横坐标，计算区域两个山包的高度分别1m和2m,为了更好的模拟出在山包前后流体的流动，在山包前后分别将计算域水平延长了30m 左右，两个山包山顶之间的距离为30m，总的计算域水平长度为100m，高度是30m，如图2-1所示： 图2-1 计算区域几何形状2.1.2 网格划分由于本论文考虑的是平面流动问题，所以在ICEM软件里需要生成面网格，对计算域进行网格划分，为了便于生成高质量的结构化网格，借助block,将计算域划分为八个块，采用的就是传统的映射网格划分技术，添加网格辅助线后创建的块如图2-2所示。图2-2 分块后的模型在生成块之后，进行线的关联，然后调整块上点的位置，力求生成质量比较高的网格，为了得到山包附近更为细致的流动，需要在山包附近进行网格加密，本论文采用的是在块10沿x方向布置10个节点，而在上文我们知道第一个山包底面的长度是（m）,平均0.314m一个节点，而在远离山包的计算区域网格节点间隔就会大一些。图2-3显示了网格生成结构。图2-3 生成的网格示意图2.2 计算域求解2.2.1 模型设置本文采用ANSYS15.0软件包里的FLUENT软件，该软件采用有限体积法求解湍流Navier—Stokes方程，设定工作介质为空气，采用二维定常、不可压缩雷诺时均N-S方程描述计算域内部流场；选用压力速度修正方法作为压力和速度的耦合方式，即SIMPLE算法，分析类型为稳态，计算收敛标准设置为1e-8。由于现在只考虑二维平面，因此需要对模型选择ANSYS FLUENT二维求解器，导入FLUENT15.0里进行求解。FLUENT15.0能够提供很多种湍流模型，在保证符合物理现象、节省时间，高精度的基础上，选择符合实际流体流动特点的湍流模型进行求解。在本论文中选用带有壁面函数的标准湍流模型， 一方程模型，标准的二