一种山区地貌下强风三维脉动风场综合模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及风场模拟方法，具体地说是一种山区地貌下强风=维脉动风场综合模 拟方法。
【背景技术】
[0002] 风可W看作是由两部分组成：平均风和脉动风。近年来对山地风场的研究越来越 多，但大部分的研究都只是针对平均风场。而对于类似于输电塔线体系的风敏感结构，仅考 虑平均风场不够全面，还须考虑风敏感结构在脉动风场下的动力放大效应。因此，如何高效 准确地获取指定山区地貌下强风的=维脉动风场至关重要。
[0003] 从目前的研究进展来看，获得=维脉动风场的方法主要有两种：一是基于随机过 程理论的数值计算方法；二是使用计算流体力学（ComputationalFluidDynamics,简称 CFD)方法数值模拟流速场。前者主要包括谐波叠加法、小波法等，其中，谐波合成法是发展 较早且比较成熟的脉动风速模拟方法，但存在W下问题：一方面，对大型结构或者山区地貌 运种空间跨度较大的情况，需要考察的特征风速点较多，模拟如此多的节点风速时程的计 算成本太大，计算机硬件的限制也是一个问题；另一方面，谐波合成法中所用的风功率谱往 往是对空旷场地实测风速数据进行数学变换和曲线拟合后得到的，仅仅能够表达空旷场地 风速的能量在频域内的特征，因此在类似于山区地貌的复杂地貌下，其适用性有待商権。
[0004] 随着计算机技术的发展，计算流体动力学方法已经能够模拟得到具有一定精度的 建筑周边端流风场，具体方法主要有Reynolds平均法和大满模拟方法。Reynolds平均法 求解的是时均化的Reynolds方程，因此具有计算速度快和计算效率高的特点；但Reynolds 平均法仅能给出端流场的统计特性，无法给出脉动风速的时程分析结果。虽然大满模拟方 法可W有效地模拟瞬时脉动风场，但是其计算过程中仍然需要求解大量瞬态N-S方程，计 算耗时较长，同时计算结果受网格的影响较大。因此，需要一种更加简单高效的山地脉动风 场模拟方法。
[0005] 此外，现有对山区地貌下的风场研究大多仅针对形状简单、规则的山体，常见的如 正余弦形山体、贝尔形、=角形等，其计算结果能反应出一些基本的风场规律，但是较难推 广到更复杂的实际山区地貌下。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种更加简单 高效且适用于复杂山区地貌下强风的=维脉动风场综合模拟方法。
[0007] 为此，本发明采用如下的技术方案：一种山区地貌下强风=维脉动风场综合模拟 方法，其包括W下步骤：
[0008] A.根据工程需求，在GoogleEarth二次开发的GoodyGIS系统中设置高程点采集的 数量、精度及范围，导出目标山区数据提取点的经缔度及高度坐标；
[0009] B.将上述提取点的经缔度换算得到满足精度要求的平面坐标，最终形成点云文 件；
[0010] c.将步骤B形成的点云文件导入到Imageware软件中，使用"由点去构造自由曲 面"的功能生成目标山区的地貌曲面模型；
[0011] 化将步骤C中形成的地貌曲面模型导入到Fluent的前处理软件GAMBIT中，完成 CFD计算所需的建模、网格划分和定义边界条件；
[0012] E.使用RSM模型计算各个提取点的雷诺应力分量值，对风功率谱和点相干函数进 行修正，得出山区地貌下更加真实合理的同点异向的风谱矩阵，修正后的风谱矩阵包括自 功率谱和互功率谱；
[0013] F.构造得到提取点处的考虑同点异向的=维脉动风场模拟公式，并引入了快速傅 里叶变换技术。
[0014] 本发明首先针对目标山区地貌，结合GoogleEarth和Imageware软件生成满足误 差要求的精准的山区地貌模型，然后采用CFD技术计算得到监控点（即提取点）的雷诺应 力，并将其引入随机脉动风场生成技术中，W此得到目标山区地貌的=维脉动风速场。因为 求解过程中综合使用了两种技术，故称为综合模拟方法。
[0015] 作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采取W下技术措施：
[0016] 步骤E中，当山区地貌条件变化过于复杂，难W生成满足RSM模型计算需求的网格 时，使用对网格质量要求相对较低的k-e端流模型，得到由端动能k求解各个雷诺应力分 量值的计算公式。
[0017] =个对角雷诺应力分量值的计算公式为：
[001引
式中，i为u、v或W;
[001引其中，
[002引上式中，0。、0V和0冷别代表顺风向、横风向和竖风向脉动风速分量的均方根， Z为=维脉动风场模拟目标点的高度，H为大气边界层的梯度风高度。
[0024] 对于非对角的雷诺应力分量值，由于顺风向和横风向、横风向和竖风向之 间几乎没有相关性，T。、和X胃的值极小，忽略不计；雷诺应力分量X的估算公 式：了胃。-化j(1-其中，U*为摩擦风速，U*的计算公式为：u*=Ui〇/[2. 51n(10/z。)]， Ui。为10m高度处的平均风速，z。为粗糖度长度。
[0025] 步骤E中，自功率谱为：
[0026]
[00引]其中，鮮心4,巧中A? = ?u/N，《。为截止圆频率（根据数据精度需求 L 来选定，一般可W选2 31或4 31)，N为风功率谱在频域的离散点数，n为风功率谱上的第n个离散点，互功率谱公式中的i、j=U、V和W分别代表脉动风速的顺风向、横风向和竖风 向，X1,为雷诺应力分量值，L1为各方向上的端流积分长度尺度，L。为顺风向的端流积分长 度尺度，Uz为Z高度处的风速，[为Z高度处的平均风速，Coh(?。）为用Reynolds应力修 正后的点相干函数。
[0032] 第n个频率点上风谱对应的能量为与?辟，采用特征值特征向量分解法对每个频 率点上的互功率谱矩阵进行分解，得到一组特征值银和正交张量培；
[0033]
[0034] 式中，爲为互功率谱，为截止圆频率，嫣和辦均为正交张量，巧妨为特征值。
[0035] 步骤F中，S维脉动风场模拟公式如下：
[0036]
[0037] 其中：
扣试'，Xm为提取点的空间坐标，Lm为端流积分尺度，t表示时间，C，C.和 爷，带，<，c为相互独立的随机数，且有《:，CeW〇，l)，谭e轉)，1巧，货eW(0，]/2)，. I'/;'居/V(0.l/2):，n(M，0 )表示均值为M、方差为0的正态分布，e,mi为置换 张量，且满足正交条件：的抑:=0*嫁:廠为正交张量，为特征值。
[0038] 本发明模拟=维脉动风速场的过程中，采用了逐点模拟，不需要分解阶数庞大的 互功率谱矩阵，大大降低了对计算机软硬件的要求，同时能针对具体的、复杂的山区地貌进 行模拟，得出的结果比简单、规则的山区模型更具有适用性、准确性。
【附图说明】
[0039]图1是本发明应用例的我国某海岛真实地貌图。
[0040] 图2是本发明应用例的目标海岛点云显示图。
[0041] 图3是本发明应用例的目标海岛地貌模型图。
[0042] 图4-6是本发明应用例的目标海岛测点处的S维脉动风速时程图（图4为顺风 向，图5为横风向，图6为竖风向）。
[0043] 图7-9是本发明应用例的测点处S维脉动风自功率谱的对比图（图7为顺风向， 图8为横风向，图9为竖风向）。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。
[004引一、建立山区模型
[0046] 完成不同山区地貌下的建模工作，主要分为W下几个步骤：
[0047] (1)山区数据的获取
[0048] 在该步骤中需要使用基于GoogleEarth二次开发的GoodyGIS系统，在专业版的 GoodyGIS系统中，需自主定义截取S维坐标点的范围、精度和提取点的个数，设置满足需求 的参数值即提取出目标山区的经缔度和高程值。
[0049] 似山区数据的整理换算
[0050] 在上一步中得到的山区坐标是W经缔度的形式给出的，为了方便后面的建模工作 需要将经缔度坐标形式转换成普通的平面坐标形式。当山区地貌复杂时，坐标点数众多，本 发明中使用如下简单的估算公式进行坐标转换：
[0051]AX= (xj-Xq) /0. 00001
[0052] Ay=1.IX(y-y〇)/0. 00001
[0053] 其中和y1分别表示任一数据提取点的经、缔度，而X。和y。则为预先给定的坐标 原点的经、缔度，运样通过上式计算出的水平面上的坐标差值即可得到所有坐标点的=维 平面坐标值。
[0054] (3)山区模型的形成
[00巧]在山体表面的生成过程中，需要使用Imageware逆向工程软件，该软件可W实现 的功能是：通过给定的点云文件，拟合得到满足要求的=维曲面。因此，将上步中计算得到 的S维点坐标W点云文件的形式导入到Imageware软件中，然后使用"由点云构造自由曲 面"的功能即可得到需要的山区地貌的曲面模型。在该功能中还可W设置拟合面的标准偏 差、张力、光滑度等参数，为得到准确度更高的模型，需将其中的标准偏差设置到最小值。 [005引二、理论推导
[0057] 本发明的理论推导过程主要包括W下5个步骤：
[005引（1)采用雷诺应力模型
[0059] 在计算流体力学中，往往把端流应力假定为端流动力黏度的函数，因此求解端流 模型的关键在于如何确定流场的端流动力黏度，之所W首选RSM模型进行计算时因为运种 计算模型不对端流脉动应力做各向同性的假定，而是直接建立关于雷诺应力的输运方程并 进行求解，所W能够得出各个点的雷诺应力张量，即流场中各点脉动风速的协方差。对于没 有系统转动的不可压缩流动，Reynolds应力输运方程具有比较简单的形式：
[0060]
[00川式中：TU、IIk和Tjk为Reynolds应力张量，U1和Uj分别为X方向的平均风 速，为端动黏度，y为运动黏度，k和e分别为端流动能和耗散率，Xk为方向分量，Uk为 速度分量，P为流体密度，Pii为流体剪应力产生的项，Pkk为Pii的求和项，Ci、C2和0k为有 关系数，5^为Kronecker张量。
[0062] (2)雷诺应力求解方法的补充
[0063] 考虑到RSM方法对于网格划分的质量要求较高，当山区地形较为复杂时，网格的 划分难度较大，尤其