一种模块化风场模型的建模方法及风场模拟方法与流程

本申请涉及风工程领域，尤其涉及一种模块化风场模型的建模方法及风场模拟方法。

背景技术：

我国沿海地区地形环境复杂，多为山地丘陵地貌。复杂山地地形的坡度、高度，植被及遮挡效应都会影响流经该区域的风场分布情况。这种地形、地貌环境对风场的影响可以用无量纲化的风速比大小来表示。计算流体动力学(computationfluiddynamics,cfd)能够模拟大气边界层中的气流在复杂地形环境中产生的加速、分离、环绕等现象，目前已被风能评估单位，电力设计单位，城市规划设计单位采用。然而，目前采用cfd模拟方法预测某一地区的风场时，往往需要从地形建模开始、然后进行网格绘制、边界条件定义、求解参数设置及后处理等等一系列的步骤，导致了现有的复杂地形风场模拟方法的模拟仿真步骤繁琐，效率低，推广难的技术问题。

技术实现要素：

本申请提供了一种模块化风场模型的建模方法及风场模拟方法，用于解决现有的复杂地形风场模拟方法的模拟仿真步骤繁琐，效率低，推广难的技术问题。

本申请第一方面提供了一种模块化风场模型的建模方法，包括：

s1：基于全球数字高程模型，将目标区域划分成若干个连续的正方形子区域，建立所述子区域对应的三维地形模型；

s2：基于所述三维地形模型，建立包含有所述三维地形模型的空间坐标数据、风向数据及风速比数据的标准数据库子模型；

s3：循环执行步骤s2，分别建立各个所述三维地形模型相对应的所述标准数据库子模型；

s4：将各个所述标准数据库子模型进行整合，得到所述目标区域的标准风场数据库模型。

优选地，所述步骤s1具体包括：

s11：基于全球数字高程模型，将目标区域划分成若干个连续的正方形子区域，并根据预置的阻塞率将所述子区域的计算域沿竖向拉伸至同一高度阈值，得到所述子区域对应的三维地形模型。

优选地，所述步骤s11具体包括：

s111：基于全球数字高程模型，将目标区域划分成若干个连续的正方形子区域，其中，所述子区域的中心向外依次分为核心区、扩展区和过渡区；

s112：根据所述全球数字高程模型，分别确定所述核心区、所述扩展区及所述过渡区的经纬度坐标信息、海拔高程信息、地表覆盖类型信息及叶面积密度信息；

s113：合并所述核心区、所述扩展区及所述过渡区的经纬度坐标信息、海拔高程信息、地表覆盖类型信息及叶面积密度信息，生成三维地形曲面，并根据所述三维地形曲面和预置的阻塞率确定所述子区域的计算域的高度阈值，并将所述计算域沿竖向拉伸至与所述高度阈值相等的高度，得到所述子区域对应的三维地形模型。

优选地，所述步骤s2具体包括：

s21：基于所述三维地形模型，获取所述子区域的计算域的地表粗糙度信息，并根据流体动力学控制方程，建立所述地表粗糙度信息与空气动力学阻力系数的对应关系；

s22：获取空气动力学模型的计算参数，并根据所述计算参数批量计算并输出模型风速比数据，其中，所述计算参数包括：湍流模型类型、边界条件、收敛标准阈值；

s23：根据所述模型风速比数据，建立包含有所述三维地形模型的空间坐标数据、风向数据及风速比数据的标准数据库子模型。

本申请第二方面提供了一种基于上述发明内容建立的标准风场数据库模型的风场模拟方法，包括：

s6：根据待模拟区域的经纬度坐标，从所述标准风场数据库模型中调用与所述待模拟区域对应的标准数据库子模型；

s7：获取所述待模拟区域的实际风参数，将所述实际风参数代入所述标准数据库子模型进行运算，得到所述待模拟区域的风场模拟结果数据，其中，所述实际风参数包括：所述待模拟区域的长短期风气候参数与所述待模拟区域的实际参考风速参数。

本申请第三方面提供了一种模块化风场模型的建模装置，包括：

初始地形建模单元，用于基于全球数字高程模型，将目标区域划分成若干个连续的正方形子区域，建立所述子区域对应的三维地形模型；

子模型生成单元，用于基于所述三维地形模型，建立包含有所述三维地形模型的空间坐标数据、风向数据及风速比数据的标准数据库子模型；

子模型整合单元，用于将各个所述标准数据库子模型进行整合，得到所述目标区域的标准风场数据库模型。

优选地，所述初始地形建模单元具体用于：基于全球数字高程模型，将目标区域划分成若干个连续的正方形子区域，并根据预置的阻塞率将所述子区域的计算域沿竖向拉伸至同一高度阈值，得到所述子区域对应的三维地形模型。

优选地，所述初始地形建模单元具体包括：

子区域划分子单元，用于基于全球数字高程模型，将目标区域划分成若干个连续的正方形子区域，其中，所述子区域的中心向外依次分为核心区、扩展区和过渡区；

地形信息获取子单元，用于根据所述全球数字高程模型，分别确定所述核心区、所述扩展区及所述过渡区的经纬度坐标信息、海拔高程信息、地表覆盖类型信息及叶面积密度信息；

地形建模子单元，用于合并所述核心区、所述扩展区及所述过渡区的经纬度坐标信息、海拔高程信息、地表覆盖类型信息及叶面积密度信息，生成三维地形曲面，并根据所述三维地形曲面和预置的阻塞率确定所述子区域的计算域的高度阈值，并将所述计算域沿竖向拉伸至与所述高度阈值相等的高度，得到所述子区域对应的三维地形模型。

优选地，所述子模型生成单元具体包括：

流体动力模型建模子单元，用于基于所述三维地形模型，获取所述子区域的计算域的地表粗糙度信息，并根据流体动力学控制方程，建立所述地表粗糙度信息与空气动力学阻力系数的对应关系；

流体动力参数获取子单元，用于获取空气动力学模型的计算参数，并根据所述计算参数批量计算并输出模型风速比数据，其中，所述计算参数包括：湍流模型类型、边界条件、收敛标准阈值；

子模型生成子单元，根据所述模型风速比数据，建立包含有所述三维地形模型的空间坐标数据、风向数据及风速比数据的标准数据库子模型。

本申请第四方面提供了一种基于上述发明内容建立的标准风场数据库模型的风场模拟装置，包括：

子模型调用单元，用于根据待模拟区域的经纬度坐标，从所述标准风场数据库模型中调用与所述待模拟区域对应的标准数据库子模型；

风场模拟运算单元，用于获取所述待模拟区域的实际风参数，将所述实际风参数代入所述标准数据库子模型进行运算，得到所述待模拟区域的风速场分布模拟结果数据，其中，所述实际风参数包括：所述待模拟区域的长短期风气候参数与所述待模拟区域的实际参考风速参数。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请通过批量求解及后处理，建立包含目标区域不同风向角、任意位置的风速数据的标准风场数据库模型，基于本申请建立的标准风场数据库模型，结合目标地区的实时的短期或长期风气侯特性参数，可快速得出目标区域的风速场分布模拟结果。通过风速场模型的模块化极大的简化了繁琐的建模计算步骤，解决了现有的复杂地形风场模拟方法的模拟仿真步骤繁琐，效率低，推广难的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请提供的一种模块化风场模型的建模方法的第一个实施例的流程示意图；

图2为本申请提供的一种模块化风场模型的建模方法的第二个实施例的流程示意图；

图3为本申请提供的一种基于标准风场数据库模型的风场模拟方法的一个实施例的流程示意图；

图4为本申请提供的一种模块化风场模型的建模装置的第一个实施例的结构示意图；

图5为本申请提供的一种基于标准风场数据库模型的风场模拟装置的一个实施例的结构示意图；

图6为本申请提供的一种标准风场数据库模型的子区域划分俯视图；

图7为本申请提供的一种标准风场数据库模型的子区域划分侧视图；

图8为本申请的三维地形模型施加边界条件后得到的计算域示意图。

具体实施方式

传统的风速场分析方法从最初的地形地表数据到最终的风速分布结果需要经历繁琐的步骤，且不同软件之间的跨平台操作会耗费大量的时间，这些因素限制了其大规模的应用。

本申请实施例提供了一种模块化风场模型的建模方法及风场模拟方法，用于解决现有的复杂地形风场模拟方法的模拟仿真步骤繁琐，效率低，推广难的技术问题。

为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，本申请实施例提供了一种模块化风场模型的建模方法，包括：

101：基于全球数字高程模型，将目标区域划分成若干个连续的正方形子区域，建立所述子区域对应的三维地形模型；

需要说明的是，在实施本申请的风场模拟方法之前，需要先获取目标区域的地形信息，建立各个子区域的三维地形模型。

102：基于三维地形模型，建立包含有三维地形模型的空间坐标数据、风向数据及风速比数据的标准数据库子模型；

需要说明的是，在建立好包含有子区域地形信息的三维地形模型后，在三维地形模型的基础上，将各个子区域的空间坐标数据、风向数据及风速比数据套入对应的三维地形模型，得到该子区域的标准数据库子模型。

103：判断是否标准数据库子模型的数量与三维地形模型的数量是否相等，若是则执行步骤104，若否，则返回步骤102。

需要说明的是，循环执行步骤102，直至目标区域的所有子区域均建立了对应的标准数据库子模块后再执行步骤104。

104：将各个所述标准数据库子模型进行整合，得到所述目标区域的标准风场数据库模型。

本申请实施例通过批量求解及后处理，建立包含目标区域不同风向角、任意位置的风速数据的模块化标准风场数据库模型，基于本申请建立的标准风场数据库模型，结合目标地区的实时的短期或长期风气侯特性参数，可快速得出目标区域的风速场分布模拟结果。通过风速场模型的模块化极大的简化了繁琐的建模计算步骤，解决了现有的复杂地形风场模拟方法的模拟仿真步骤繁琐，效率低，推广难的技术问题。

以上本申请提供的一种模块化风场模型的建模方法的第一个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种模块化风场模型的建模方法的第二个实施例的详细说明。

请参阅图2，本申请实施例提供了一种模块化风场模型的建模方法，包括：

201：基于全球数字高程模型，将目标区域划分成若干个连续的正方形子区域，其中，所述子区域的中心向外依次分为核心区、扩展区和过渡区；

需要说明的是，请参阅图6和图7，根据预置边长的正方形进行分区，该分区为提取风场信息及建立数据库的核心区。核心区的外层设置的是扩展区，设置扩展区是为了减小边界对核心区风场结果的影响，其中，扩展区中的地形信息为真实地形高程，也从全球数字高程模型中获取。扩展区的外层为过渡区，设置过渡区是为了避免目标区域边界的高程突变，保证来流风速剖面并避免实际复杂边界产生回流，其中，过渡区高程由扩展区边界逐渐降低至核心区的最低高程。

另外，扩展区和过渡区均为与核心区共中心点的正方形环，且核心区、扩展区和过渡区的面积大小可按计算能力调整，出于实际工程的最优方案考虑，本实施例的核心区的边长优选为10公里，扩展区的宽度优选为1公里，过渡区的宽度优选为5公里。

202：根据所述全球数字高程模型，分别确定所述核心区、所述扩展区及所述过渡区的经纬度坐标信息、海拔高程信息、地表覆盖类型信息及叶面积密度信息；

需要说明的是，将目标区域划分好子区域后，接着从全球数字高程模型中获取目标区域下的各个子区域包括子区域的核心区、扩展区和过渡区对应的经纬度坐标信息、海拔高程信息、地表覆盖类型信息及叶面积密度信息；

203：合并所述核心区、所述扩展区及所述过渡区的经纬度坐标信息、海拔高程信息、地表覆盖类型信息及叶面积密度信息，生成三维地形曲面，并根据所述三维地形曲面和预置的阻塞率确定所述子区域的计算域的高度阈值，并将所述计算域沿竖向拉伸至与所述高度阈值相等的高度，得到所述子区域对应的三维地形模型。

需要说明的是，根据所述的地形高程包括目标区域离散点的经纬度坐标及其对应的海拔高程，所述的地表粗糙度数据包括地表覆盖类型、植被类型和叶面积密度信息。合并核心、扩展及过渡区域的经纬度坐标、海拔高程和地表粗糙度数据，生成三维地形曲面。

然后根据所述三维地形曲面和预置的阻塞率，计算各风向下的地形投影面积，以及满足阻塞率要求的最大高度为计算域高度阈值，并将所述计算域沿竖向拉伸至与所述高度阈值相等的高度，得到所述子区域对应的三维地形模型。

其中，计算域的高度取全风向下阻塞率最大的风向的计算域高度。阻塞率＝绕流物体最大迎风面积/流域横截面积，绕流物体的最大迎风面积取目标区域与外扩区在迎风面上的投影面积，流域的横截面积为计算域在迎风面的投影。另外，为避免计算域内的阻塞效应，依据风洞试验经验，本实施例的预置阻塞率可以优选为3～5％。

204：基于所述三维地形模型，获取所述子区域的计算域的地表粗糙度信息，并根据流体动力学控制方程，建立所述地表粗糙度信息与空气动力学阻力系数的对应关系；

需要说明的是，在建立所述地表粗糙度信息与空气动力学阻力系数的对应关系时，首先获取计算的三维地形模型的水平网格间距参数、竖向网格首层高度参数及网格增长比例参数。

同时，以保证数值解的独立性为前提。本实施例优选水平网格尺寸参数为50米，竖向首层高度参数为1米，网格增长比例参数优选小于1.1。

然后通过在近地面风场的动力控制方程中施加源项，将粗糙地表提供的空气动力学阻力引入流场计算模型；阻力源项在计算流体动力学控制方程中表示为：

su＝-cda|u|u

sk＝cda(βp|u|³-βd|u|k)

其中，su、sk、sε分别表示在动量方程、湍动能方程以及耗散率方程中施加的阻力源项，cd表示地表类型对应的阻力系数，a为叶面积密度系数，表示单位体积中所含有叶面积的大小，u为平均风速，u为瞬时风速，k为湍动能，ε为耗散率，αp、βp、αd、βd为湍流模型中的经验常数。

且地表植被对流场的影响和植被的类型、密集度有关。本实施例中，阻力源项通过地表植被的叶面积密度系数及其对应的阻力系数确定。然而同一区域的植被类型和生长状况并不能保证均匀性，因此本实施例结合离散点对应的地表粗糙度数据信息，将模拟域以公里为单位分区，分别采用各区平均的叶面积密度系数和阻力系数计算。

205：获取空气动力学模型的计算参数，并根据所述计算参数批量计算并输出模型风速比数据，其中，所述计算参数包括：湍流模型类型、边界条件、收敛标准阈值；

需要说明的是，获取空气动力学模型的计算参数，并根据所述计算参数采用并行计算方法批量求解风场运动并输出模型风速比数据。

具体的，湍流模型类型优选采用sst的k-ω模型，压力与速度耦合采用simplic算法，对流项采用quick格式，扩散项采用中心差分格式。收敛标准为所有变量的残差收敛，当x、y、z动量和的残差达到10^-5，ω和连续性方程的残差达到10^-3时，所有残差都达到收敛。

所述的边界条件为速度入口、出口条件。请参阅图8，图8为本实施例在指定风向计算时，所采用的边界条件形式。该形式在进行批量计算时，不需要重新生成计算域，提升了计算效率。

其中，模型风速比数据中的单个离散点的风速比数据的计算具体包括：以风速比表征地形高程及地表粗糙度对风速分布的影响，θ风向角下，目标区域中点(x,y,z)的风速比s可表示为：

s(x,y,z,θ)＝u(x,y,z,θ)/uin(z,θ)

其中，u(x,y,z,θ)为目标区域点(x,y,z)的风速求解结果，uin(z,θ)为边界入口z高度处的来流风速大小。

最后，将目标区域风速比输出结果的笛卡尔坐标转换为经纬度坐标，得到该子区域中的离散点的风速比数据。

206：根据所述模型风速比数据，建立包含有所述三维地形模型的空间坐标数据、风向数据及风速比数据的标准数据库子模型。

需要说明的是，获取并统计经过步骤205计算得到的离散点的风速比数据，并将统计好的各个离散点的风速比数据与步骤203建立的三维地形模型结合，得到该三维地形模型对应的标准数据库子模型。

207：判断是否标准数据库子模型的数量与三维地形模型的数量是否相等，若是则执行步骤208，若否，则返回步骤204

需要说明的是，循环执行步骤204至步骤206，直至目标区域的所有子区域均建立了对应的标准数据库子模块后再执行步骤208。

208：将各个所述标准数据库子模型进行整合，得到所述目标区域的标准风场数据库模型。

另外，本实施例还可以基于全球数字高程模型框架，扩充数据库子条目，包括多个空间高度、多个风向及对应风速比。

本申请实施例通过批量求解及后处理，建立包含目标区域不同风向角、任意位置的风速数据的模块化标准风场数据库模型，基于本申请建立的标准风场数据库模型，结合目标地区的实时的短期或长期风气侯特性参数，可快速得出目标区域的风速场分布模拟结果。通过风速场模型的模块化极大的简化了繁琐的建模计算步骤，解决了现有的复杂地形风场模拟方法的模拟仿真步骤繁琐，效率低，推广难的技术问题。

以上本申请提供的一种模块化风场模型的建模方法的第二个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种基于标准风场数据库模型的风场模拟方法的一个实施例的详细说明。

请参阅图3，本申请实施例提供了一种基于上述实施例建立的标准风场数据库模型的风场模拟方法，包括：

301：根据待模拟区域的经纬度坐标，从所述标准风场数据库模型中调用与所述待模拟区域对应的标准数据库子模型；

302：获取所述待模拟区域的实际风参数，将所述实际风参数代入所述标准数据库子模型进行运算，得到所述待模拟区域的风场模拟结果数据。

其中，所述实际风参数包括：所述待模拟区域的长短期风气候参数与所述待模拟区域的实际参考风速参数。

需要说明的是，本实施例提供了一种基于前述实施例建立的标准风场数据库模型的风场模拟方法，首先根据待模拟区域的坐标位置，从所述标准风场数据库模型中调用与所述待模拟区域对应的标准数据库子模型，然后以选取出的标准数据库子模型为模板，将所述待模拟区域的实际风参数，将所述实际风参数代入所述标准数据库子模型进行运算，得出所述待模拟区域的风场模拟结果数据。

另外，本实施例选取出的标准数据库子模型的数量包括但不限于1个。

以上为本申请提供的一种基于标准风场数据库模型的风场模拟方法的一个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种模块化风场模型的建模装置的一个实施例的详细说明。

请参阅图4，本申请实施例提供了一种模块化风场模型的建模装置，包括：

初始地形建模单元401，用于基于全球数字高程模型，将目标区域划分成若干个连续的正方形子区域，建立所述子区域对应的三维地形模型；

子模型生成单元402，用于基于所述三维地形模型，建立包含有所述三维地形模型的空间坐标数据、风向数据及风速比数据的标准数据库子模型；

子模型整合单元403，用于将各个所述标准数据库子模型进行整合，得到所述目标区域的标准风场数据库模型。

优选地，所述初始地形建模单元401具体用于：基于全球数字高程模型，将目标区域划分成若干个连续的正方形子区域，并根据预置的阻塞率将所述子区域的计算域沿竖向拉伸至同一高度阈值，得到所述子区域对应的三维地形模型。

优选地，所述初始地形建模单元401具体包括：

子区域划分子单元4011，用于基于全球数字高程模型，将目标区域划分成若干个连续的正方形子区域，其中，所述子区域的中心向外依次分为核心区、扩展区和过渡区；

地形信息获取子单元4012，用于根据所述全球数字高程模型，分别确定所述核心区、所述扩展区及所述过渡区的经纬度坐标信息、海拔高程信息、地表覆盖类型信息及叶面积密度信息；

地形建模子单元4013，用于合并所述核心区、所述扩展区及所述过渡区的经纬度坐标信息、海拔高程信息、地表覆盖类型信息及叶面积密度信息，生成三维地形曲面，并根据所述三维地形曲面和预置的阻塞率确定所述子区域的计算域的高度阈值，并将所述计算域沿竖向拉伸至与所述高度阈值相等的高度，得到所述子区域对应的三维地形模型。

优选地，所述子模型生成单元402具体包括：

流体动力模型建模子单元4021，用于基于所述三维地形模型，获取所述子区域的计算域的地表粗糙度信息，并根据流体动力学控制方程，建立所述地表粗糙度信息与空气动力学阻力系数的对应关系；

流体动力参数获取子单元4022，用于获取空气动力学模型的计算参数，并根据所述计算参数批量计算并输出模型风速比数据，其中，所述计算参数包括：湍流模型类型、边界条件、收敛标准阈值；

子模型生成子单元4023，根据所述模型风速比数据，建立包含有所述三维地形模型的空间坐标数据、风向数据及风速比数据的标准数据库子模型。

以上为本申请提供的一种模块化风场模型的建模装置的一个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种基于标准风场数据库模型的风场模拟方法的一个实施例的详细说明。

请参阅图5，本申请实施例提供了一种基于上述发明内容建立的标准风场数据库模型的风场模拟装置，包括：

子模型调用单元501，用于根据待模拟区域的经纬度坐标，从所述标准风场数据库模型中调用与所述待模拟区域对应的标准数据库子模型；

风场模拟运算单元502，用于获取所述待模拟区域的实际风参数，将所述实际风参数代入所述标准数据库子模型进行运算，得到所述待模拟区域的风速场分布模拟结果数据，其中，所述实际风参数包括：所述待模拟区域的长短期风气候参数与所述待模拟区域的实际参考风速参数。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。