一种山区复杂地形风场大涡模拟入口边界条件输入方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种山区复杂地形风场大涡模拟入口边界条件输入方法。
【背景技术】
[0002] 山区复杂地形风场的数值研究对风能、大跨度桥梁的选址研究有着广泛的理论与 现实意义，而目前对山区复杂地形的风环境数值研究，合理的入口边界条件给定是其首要 难题，同时入口边界的合理性是其计算结果正确的重要影响因素。一般情况下入口边界由 平均风和脉动风两部分组成，对于入口平均风速的给定，以往研究都对其做了很大程度的 近似和简化，Maurizi等采用1/10的斜坡作为气流过渡段，对14km X 15km区域范围的山区地 形进行了模拟，但其模拟过程中斜坡形式较为简单，其适用性有待验证;胡朋等用曲线过渡 段对山区峡谷边界进行处理，但这种处理会引起人为的来流风攻角；李永乐等采用指数率 风剖面近似等效入口风速剖面，对深切峡谷桥址区风场空间分布特性进行了数值模拟研 究，考虑不同来流风向角和风偏角后得到了峡谷桥址处的风场分布特性，但是其入口边界 形式的给定对经验依赖较强，通过对已有文献的调研与分析，发现目前研究对山区风场入 口的给定均基于主观判断，其给定结果与实际风场相比偏差较大，同时，由于山区地形起伏 多样，模型在截断过程中会出现"人为峭壁"现象(如图2所示），导致数值模拟入口边界速度 场的给定出现地面速度不为零现象，因此，一系列问题的出现使得山区峡谷风场的研究进 展缓慢。近年来，随着气象预报模式的快速发展，中尺度气象预报模式与CH)软件的耦合方 法近年来得到了广泛应用，这也给实现山区复杂地形入口边界的合理给定带来了曙光，中 尺度模式的分辨率可以达到百米量级，但是中尺度模式对于山区陡峭峡谷地区会失效，有 可能出现积分溢出的情况，单纯的中尺度模式不能对山区复杂地形处的风场进行详细分 析，只有将中尺度模式与CFD软件结合起来才能得到山区复杂地区的详细流场信息。
[0003] 采用多项式插值的方法可以获得从大尺度到小尺度上的平均风速，虽有误差，但 基本能控制在允许范围内。但对于脉动风速的给定，用普通的插值方法误差很大，目前还不 能直接通过简单的降尺方法直接获取小尺度的湍流信息，而脉动特性对山区峡谷桥梁的风 致振动研究非常重要。Uchida和Ohya采用大祸模拟的方法对9.5km X 5km区域范围内空气流 动进行数值模拟，使用粗糙方块制造脉动风，获得计算区域内平均风速与脉动风速情况，但 其粗糙元的摆放产生的脉动风场可调性差，只能模拟一种特定的脉动特性，同时通过这种 方法模拟的脉动风场与实际的边界条件仍存在一些出入。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种山区复杂地形风场 大涡模拟入口边界条件输入方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种山区复杂地形风场大涡 模拟入口边界条件确定方法，包括以下步骤：
[0006] 1)确定目标区域的大涡模拟计算域；
[0007] 2)生成目标区域的入口速度信息；
[0008] 3)将步骤1)建立的计算域入口边界进行分块处理，然后把步骤2)得到的入口速度 信息按多项式插值的方法分别赋给每个分块；
[0009] 4)用风速监测仪对所述目标区域入口实际位置的脉动风场特性进行监测，并用最 小二乘法拟合成风谱；
[0010] 5)在步骤3)分块后的基础上，用谐波合成法对拟合的风谱进行脉动风速合成，生 成满足实际入口风场特性的脉动风速；
[0011] 6)将考虑脉动风速后的风速时程数据赋给大涡模拟的入口边界。
[0012] 所述步骤1)中，计算域的确定方法为:对于山区峡谷桥址风场，计算域选取原则以 峡谷桥址所在位置为中心，向外延伸N公里，其中N不超过10km。
[0013] 所述步骤2)中，入口速度信息生成过程包括：
[0014] 1)输入需要模拟的地形分析资料；
[0015] 2)以所述计算域为中心，利用多重嵌套手法对WRF模拟区域的计算域进行划分；
[0016] 3)输入需要模拟时间段的气象分析资料；
[0017] 4)运行WRF，通过多尺度耦合分析，将计算域分为若干个区域，从最外层区域到最 里层区域依次进行计算，将当前层的计算结果作为该当前层的里面一层的计算边界，最终 得到最里层计算域的入口速度信息。
[0018] 所述步骤6)的具体实现过程包括以下步骤：
[0019] 1)在ICEM中根据网格尺寸和延伸率换算大涡模拟入口边界网格坐标的理论值；
[0020] 2)将步骤5)生成的脉动风速赋值给步骤1)中入口边界网格坐标的理论值；
[0021] 3)将附上理论值的的风速时程数据与入口边界实际坐标值进行检验对接；
[0022] 4)当理论值与实际坐标值之间的误差大于0.1时，返回步骤1)重新换算理论值，当 误差小于0.1时，风速时程赋值成功。
[0023] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为:本发明可以实现平均风和脉动风 的输入，较好的解决了山区风场入口输入时的"人为峭壁"问题，给出了与实际情况更为吻 合的入口边界。
【附图说明】
[0024] 图1为WRF计算域；
[0025]图2为人为峭壁示意图；
[0026]图3为入口边界分块示意图；
[0027] 图4为UDF程序流程图
[0028] 图5和图6为峡谷地区8月份风玫瑰图；
[0029] 图7为风剖面实测α值次数分布图；
[0030] 图8(a)和图8(b)分别为风速与风向角时程；
[0031]图9为现场实测拟合功率谱；
[0032]图10为计算域示意图；
[0033]图11为计算网格图；
[0034]图12为数值模拟过程中桥位处风速监测点布置图。
【具体实施方式】
[0035] 本发明中，利用WRF模式结合现场监测数据通过自编程序，实现了大涡模拟入口边 界条件的输入，具体实施步骤如下：
[0036] 1)确定大涡模拟计算域，对于山区峡谷桥址风场，计算域选取原则以峡谷桥址所 在位置为中心，向周围数公里进行延伸，对于风能研究，计算域选取以风速较大区域为原 贝1J，计算域大小一般在10公里左右。
[0037] 2)通过WRF模式利用多尺度耦合技术，生成目标区域的入口速度信息，具体步骤 为：
[0038] 1)输入需要模拟的地形分析资料(NCEP提供的全球30s地形数据及M0DIS下垫面分 类资料)。
[0039] 2)以步骤1的计算域为中心，利用多重嵌套手法对WRF模拟区域的计算域进行划 分，如图1所示。
[0040] 3)输入需要模拟时间段的气象分析资料(美国国家环境预报中心(NCEP1° Xl°)再 分析资料)。
[0041 ] 4)运行WRF，利用多尺度耦合技术，将计算域分为若干个区域(划分原则：需保证目 标区域在WRF模拟区域的正中心，划分过程中网格尺寸从最外层依次向最内层减小），如图1 左图所示，从最外层到最里层依次进行计算，将外层的计算结果依次作为下一层的计算边 界，最终得到最里层计算域的入口风速。
[0042] 5)将步骤1)建立的CFD计算域入口边界进行分块处理(如图3)，然后把上述入口风 速信息按多项式插值的方法分别赋给大涡模拟入口的每块区域。
[0043] 6)用风速监测仪对目标区域入口实际位置的脉动风场特性进行监测，并用最小二 乘法拟合成风谱。
[0044] 7)用谐波合成法对拟合的风谱进行脉动风速合成，生成满足实际入口风场特性的 脉动风速。
[0045] 8)自编UDF程序，将考虑平均和脉动风速后的风速时程数据赋给大涡模拟的入口 边界，其程序流程图见附图4。
[0046] 本发明以张花高速澧水大桥所在峡谷为研究背景。桥梁主跨为856m，属典型的山 区峡谷大跨径桥梁，桥位所处峡谷谷顶宽420m，谷顶与谷底高差280m。
[0047] 澧水大桥风速监测系统由观测站、桥塔站和桥跨站组成。观测站根据盛行风方向 设立在桥址西南侧