一种风场模拟方法及装置与流程

1.本技术涉及风场模拟的技术领域，特别是涉及一种风场模拟方法及装置。


背景技术：

2.随着电网建设的发展，输电线路需要跨越峡谷、山峰等典型山区地貌。输电线路作为大跨度的柔性结构，对风荷载的作用非常敏感。设计时若采用现有设计规程基于大气边界层风场给出的风荷载，可能会低估山区地貌下输电线路的风致响应。因此，研究山区地貌下不同区域的风场模拟方法及参数选取对输电线路抗风设计具有重要意义。
3.现有技术多以现场实测、风场数值模拟和风场物理模拟的手段来进行山区地貌下三维风场特性的研究。然而现场实测周期长且测点布置较为困难，多作为风场数值模拟和风场物理模拟的验证手段；风场物理模拟受测点数量等因素的限制，通常仅能获取模型关键位置处的风速数据，难以重现整个山区地貌下的风速场。若要重现整个山区地貌则需要布置较多测点，布置成本高；基于风场数值模拟的大涡模拟虽然可以获得山区地貌下计算域内各点的脉动风速时程，但计算成本过高是大涡模拟中难以解决的技术问题。
4.因此，如何减小风场模拟的成本，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术实施例提供了一种风场模拟方法及装置，旨在减小风场模拟的成本。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种风场模拟方法，包括：
7.进行风场物理模拟，得到不同区域的三维平均风速和三维脉动风速；
8.进行风场数值模拟，得到不同区域的三维平均风速加速比；
9.利用所述不同区域的三维平均风速，对所述不同区域的三维平均风速加速比进行验证；
10.响应于所述验证的结果为通过，根据风场模拟点的位置，确定所述风场模拟点对应的三维平均风速，所述风场模拟点对应的三维平均风速根据所述不同区域的三维平均风速加速比确定；
11.根据所述不同区域的三维脉动风速的特点，得到脉动风速互功率谱矩阵；
12.将所述风场模拟点对应的三维平均风速输入所述脉动风速互功率谱矩阵，得到所述风场模拟点对应的三维脉动风速；
13.叠加所述风场模拟点对应的三维平均风速和三维脉动风速，得到所述风场模拟点对应的风场。
14.可选的，所述进行风场物理模拟，得到不同区域的三维平均风速和三维脉动风速，包括：
15.根据山体轮廓参数和模型缩尺比，建立山体模型；
16.将所述山体模型放置于大气边界层风洞进行物理模拟，得到所述不同区域的三维
平均风速和三维脉动风速。
17.可选的，所述进行风场数值模拟，得到不同区域的三维平均风速加速比，包括：
18.根据所述山体轮廓参数，绘制网格划分的山体模型；
19.将所述网格划分的山体模型输入流体力学计算模型，确定山体的入口边界条件、壁面函数和湍流模型；
20.利用所述山体的入口边界条件、壁面函数和湍流模型，进行风场数值模拟，得到所述不同区域的三维平均风速加速比。
21.可选的，所述根据所述不同区域的三维脉动风速的特点，得到脉动风速互功率谱矩阵，包括：
22.根据所述不同区域的三维脉动风速，提取脉动风场特性，所述脉动风场特性包括湍流度、湍流积分尺度、自功率谱函数、空间相关函数和点相干函数；
23.根据所述脉动风场特性，得到脉动风速互功率谱矩阵。
24.可选的，所述将所述风场模拟点对应的三维平均风速输入所述脉动风速互功率谱矩阵，得到所述风场模拟点对应的三维脉动风速，包括：
25.将所述风场模拟点对应的三维平均风速输入所述脉动风速互功率谱矩阵，得到风场模拟矩阵；
26.对所述风场模拟矩阵进行乔斯分解后，根据谐波叠加法，得到所述风场模拟点对应的三维脉动风速。
27.第二方面，本技术实施例提供了一种风场模拟装置，包括：
28.物理模拟模块，用于进行风场物理模拟，得到不同区域的三维平均风速和三维脉动风速；
29.数值模拟模块，用于进行风场数值模拟，得到不同区域的三维平均风速加速比；
30.验证模块，用于利用所述不同区域的三维平均风速，对所述不同区域的三维平均风速加速比进行验证；
31.模拟平均模块，用于响应于所述验证的结果为通过，根据风场模拟点的位置，确定所述风场模拟点对应的三维平均风速，所述风场模拟点对应的三维平均风速根据所述不同区域的三维平均风速加速比确定；
32.矩阵模块，用于根据所述不同区域的三维脉动风速的特点，得到脉动风速互功率谱矩阵；
33.模拟脉动模块，用于将所述风场模拟点对应的三维平均风速输入所述脉动风速互功率谱矩阵，得到所述风场模拟点对应的三维脉动风速；
34.叠加模块，用于叠加所述风场模拟点对应的三维平均风速和三维脉动风速，得到所述风场模拟点对应的风场。
35.可选的，所述物理模拟模块，包括：
36.模型建立单元，用于根据山体轮廓参数和模型缩尺比，建立山体模型；
37.物理模拟单元，用于将所述山体模型放置于大气边界层风洞进行物理模拟，得到所述不同区域的三维平均风速和三维脉动风速。
38.可选的，所述数值模拟模块，包括：
39.网格绘制单元，用于根据所述山体轮廓参数，绘制网格划分的山体模型；
40.第一特征提取单元，用于将所述网格划分的山体模型输入流体力学计算模型，确定山体的入口边界条件、壁面函数和湍流模型；
41.数值模拟单元，用于利用所述山体的入口边界条件、壁面函数和湍流模型，进行风场数值模拟，得到所述不同区域的三维平均风速加速比。
42.第三方面，本技术实施例提供了一种设备，所述设备包括存储器和处理器，所述存储器用于存储指令或代码，所述处理器用于执行所述指令或代码，以使所述设备执行前述第一方面任一项所述的风场模拟方法。
43.第四方面，本技术实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有代码，当所述代码被运行时，运行所述代码的设备实现前述第一方面任一项所述的风场模拟方法。
44.本技术实施例提供了一种风场模拟方法及装置，在执行所述方法时，先进行风场物理模拟和风场数值模拟，然后利用所述不同区域的三维平均风速，对所述不同区域的三维平均风速加速比进行验证，再确定所述风场模拟点对应的三维平均风速，根据所述不同区域的三维脉动风速的特点，得到脉动风速互功率谱矩阵，然后，将所述风场模拟点对应的三维平均风速输入所述脉动风速互功率谱矩阵，得到所述风场模拟点对应的三维脉动风速，最后叠加所述风场模拟点对应的三维平均风速和三维脉动风速，得到所述风场模拟点对应的风场。
45.这样，通过对物理模拟以获不同区域测点的脉动风速特性和平均风速，不仅可为谱表示法提供脉动风速互功率谱的构建依据，也可作为风速数值模拟的检验手段。当风速数值模拟的准确性可以得到保证时，它也可以弥补物理模拟在大范围风速测试时效率较低、测点有限等缺陷。与传统方法相比，在计算效率上具有优势，且对计算机性能的要求也更低。在节约成本的同时，可以有效提高风场模拟的精度。
附图说明
46.为更清楚地说明本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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1为本技术实施例提供的风场模拟方法的一种方法流程图；
48.图2为本技术实施例提供的风场模拟方法的另一种方法流程图；
49.图3为本技术实施例提供的风场模拟方法的三维双山模型示意图；
50.图4为本技术实施例提供的风场模拟方法的各测点处风速加速比对比图；
51.图5为本技术实施例提供的风场模拟方法的沿线路方向三维平均风速数值模拟结果图；
52.图6为本技术实施例提供的风场模拟方法的湍流度和湍流积分尺度物理模拟结果图；
53.图7为本技术实施例提供的风场模拟方法的三维脉动风速结果图；
54.图8为本技术实施例提供的风场模拟方法的三维风速结果图；
55.图9为本技术实施例提供的风场模拟装置的一种结构示意图。
具体实施方式
56.现有研究多以现场实测、风场数值模拟和风场物理模拟的手段来进行山区地貌下三维风场特性的研究。然而现场实测周期长且测点布置较为困难，多作为风场数值模拟和风场物理模拟的验证手段；风场物理模拟受测点数量等因素的限制，通常仅能获取模型关键位置处的风速数据，难以重现整个山区地貌下的风速场。若要重现整个山区地貌则需要布置较多测点，布置成本高；基于风场数值模拟的大涡模拟虽然可以获得山区地貌下计算域内各点的脉动风速时程，但计算成本过高是大涡模拟中难以解决的技术问题。
57.本技术实施例提供的方法由计算机设备执行，用于减小风场模拟的成本。
58.显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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他实施例，都属于本技术保护的范围。
59.参见图1，图1为本技术实施例提供的风场模拟方法的一种方法流程图，包括：
60.步骤s101：进行风场物理模拟，得到不同区域的三维平均风速和三维脉动风速。
61.风场物理模拟，需要先在模型关键位置确定受测点若干；然后在受测点处布置物理测量风场的设备；进而，根据受测点的测量结果，得到不同区域的三维平均风速和三维脉动风速；最后，根据不同区域的三维平均风速和三维脉动风速，可以推算整个山区的风场。
62.但是单纯依靠此方法进行模拟，通常仅能获取模型关键位置处的风速数据，难以重现整个山区地貌下的风速场。若要重现整个山区地貌则需要布置较多测点，布置成本高。
63.步骤s102：进行风场数值模拟，得到不同区域的三维平均风速加速比。
64.风场数值模拟，可以先采用网格划分软件对山体模型进行网格划分；再将网格划分结果输入到流体力学计算模型；然后确定入口边界条件、壁面函数和湍流模型；最后，进行流场风速数值模拟计算得到山区三维平均风速加速比。但是单纯依靠此方法进行模拟，计算结果缺乏验证。
65.步骤s103：利用所述不同区域的三维平均风速，对所述不同区域的三维平均风速加速比进行验证。
66.在确定某一三维平均风速和三维平均风速加速比位于同一位置时，可以将二者进行比较计算，从而验证步骤s102中三维平均风速加速比的准确性。只有在验证通过的情况下，才可以进行后续步骤，否则以上数值无法相结合。
67.步骤s104：响应于所述验证的结果为通过，根据风场模拟点的位置，确定所述风场模拟点对应的三维平均风速。
68.风场模拟点是需要进行风场模拟的特定点，可以预先设置山区需要进行风场模拟的重要节点作为风场模拟点。风场模拟点对应的三维平均风速根据所述不同区域的三维平均风速加速比确定。
69.步骤s105：根据所述不同区域的三维脉动风速的特点，得到脉动风速互功率谱矩阵。
70.脉动风速功率谱反映风速能量在频域内的分布情况，冯卡门功率谱密度模型(von karman功率谱密度模型)被普遍认为是最准确的函数表达。可采用pwelch函数提取脉动风速的功率谱，对冯卡门功率谱密度模型(von karman功率谱密度模型)进行修正得到目标谱，使目标谱能够较好反映脉动风速的功率谱。
71.脉动风速互功率谱矩阵为任意两点脉动风速相关信息的表示，包括自功率谱和空间相关性，对角线元素为空间点的自功率谱，其余元素为任意两点的互功率谱。
72.作为一种可能的实施方式，三维脉动风速的特点包括湍流度、湍流积分尺度、自功率谱函数、空间相关函数和点相干函数等特点及其取值。可以根据以上特点，得到脉动风速互功率谱矩阵。
73.步骤s106：将所述风场模拟点对应的三维平均风速输入所述脉动风速互功率谱矩阵，得到所述风场模拟点对应的三维脉动风速。
74.将所述风场模拟点对应的三维平均风速输入所述脉动风速互功率谱矩阵后，可以进行乔斯分解，并根据谐波叠加法进行三维脉动风速的模拟，得到风场模拟点对应的三维脉动风速。
75.步骤s107：叠加所述风场模拟点对应的三维平均风速和三维脉动风速，得到所述风场模拟点对应的风场。
76.将三维平均风速和三维脉动风速叠加的同时，其实是将三维平均风速加速比的处理结果和三维脉动风速的处理结果叠加，即将风场物理模拟和风场数值模拟叠加，可以结合两种模拟的优点，弥补彼此的缺陷。一方面减少成本，另一方面增加模拟准确度。
77.综上所述，本实施例对物理模拟以获不同区域测点的脉动风速特性和平均风速，不仅可为谱表示法提供脉动风速互功率谱的构建依据，也可作为风速数值模拟的检验手段。当风速数值模拟的准确性可以得到保证时，它也可以弥补物理模拟在大范围风速测试时效率较低、测点有限等缺陷。与传统方法相比，在计算效率上具有优势，且对计算机性能的要求也更低。在节约成本的同时，可以有效提高风场模拟的精度。
78.在本技术实施例中，上述图1所述的步骤存在多种可能的实现方式，下面分别进行介绍。需要说明的是，下文介绍中给出的实现方式仅作为示例性的说明，并不代表本技术实施例的全部实现方式。
79.参见图2，该图为本技术实施例提供的风场模拟方法的另一种方法流程图，包括：
80.步骤s201：进行风场物理模拟，得到不同区域的三维平均风速和三维脉动风速。
81.作为一种可能的实施方式，所述进行风场物理模拟，得到不同区域的三维平均风速和三维脉动风速，包括：
82.步骤s2011：根据山体轮廓参数和模型缩尺比，建立山体模型。
83.山体轮廓参数可通过简化地形的几何参数确定，也可采用真实地形的高程信息确定。根据山体轮廓参数以及合适的模型缩尺比，建立山体模型。同时可根据风洞截面大小进行调整。此外，山体模型应选用合适的材料，表面应模拟实际山体表面粗糙度。
84.步骤s2012：将所述山体模型放置于大气边界层风洞进行物理模拟，得到所述不同区域的三维平均风速和三维脉动风速。
85.作为一种可能的实施方式，大气边界层风洞可以根据地貌类型确定，并在物理模拟中进行调整，获得对应的地貌类型的风速。不同区域的三维平均风速可以表示为和三维脉动风速(u，v，w)。
86.例如，生成余弦形双山的风场需要确定山体轮廓参数。参见图3，图3为本技术实施例提供的风场模拟方法的三维双山模型示意图。图中单个山体模型的长度为l、宽度为d和高度为h，其数值分别为600m、300m和100m。图3a中标注了来流方向为平行于山体模型长度
方向，图中线条为该山区地貌下四塔三线输电线路的布置方式。图3b中单个山体模型的横截面轮廓在局部坐标系下可采用余弦函数进行描述：
[0087][0088]
其中，z为横截面轮廓在局部坐标系下的表示，d为单个山体模型的宽度，h为单个山体模型的高度，x为横截面轮廓某点的横坐标。
[0089]
确定模型缩尺比为1:500，采用abs塑料板为骨架，将合成纤维并辅以涂料固定在塑料板表层以模拟实际山体表面粗糙度，制作完成山体实体模型。
[0090]
将山体实体模型置于大气边界层风洞中进行风速物理模拟，采用尖塔漩涡发生器、挡板和粗糙元组合的被动模拟方法在风洞中模拟b类风速，确定试验来流风向角为平行山脉方向，确定10m高度处的基本风速为33m/s。试验中采用眼镜蛇湍流风速测量仪对各测点处的纵向、横向和竖向三维风速时程数据进行采集，获得三个方向的平均风速和三个方向的脉动风速(u、v、w)。
[0091]
步骤s202：进行风场数值模拟，得到不同区域的三维平均风速加速比。
[0092]
作为一种可能的实施方式，可以先采用网格划分软件对山体模型进行网格划分；再将网格划分结果输入到流体力学计算模型；然后确定入口边界条件、壁面函数和湍流模型；最后，进行流场风速数值模拟计算得到山区三维平均风速加速比。
[0093]
例如，采用几何绘图软件绘制余弦形双山的山体模型，将山体模型导入网格划分软件进行网格划分。计算域尺寸选为8倍的山脉长度
×
6倍的山脉底部直径
×
6倍的山脉高度，可知阻塞比小于3％，可以满足来流的充分发展。将网格划分结果输入到流体力学计算模型，确定入口边界条件为b类风速，10m高度的参考风速为33m/s，确定壁面函数为考虑压力梯度的非平衡壁面函数，确定湍流模型为realizable k-ε模型，根据流体力学计算模型进行流场风速数值模拟。通过风速数值模拟计算得到山区三维平均风速。
[0094]
参见图4，图4为本技术实施例提供的风场模拟方法的各测点处风速加速比对比图。以与输电线路重合的y＝0剖面为例，图4给出了x＝0m，75m，150m，225m，300m处的纵向(y轴方向)平均风速横向(x轴方向)平均风速和竖向(z轴方向)平均风速沿高度的变化规律。双山模型另一山体对应位置处的三维平均风速剖面可由对称性获取。各方向平均风速剖面上的风速值可根据对应图例换算得到，图中虚线可视为对应测点风速剖面的零刻度线，当风速剖面位于虚线右侧时风速为正，位于左侧时风速为负，而纵向、横向、竖向风速的正方向分别与图3a中的y轴、x轴、z轴的正方向相同。图4同样给出了b类地貌下的风速剖面作为参照，其中横向与竖向风速的值均为0。
[0095]
从图4可以看到受该山区地貌的影响，y＝0剖面处的三维平均风速相较于来流发生了较大变化：纵向风速在近地面附近产生了不同程度的加速效应，且该加速效应在两侧山腰和山顶处较强、最大纵向风速较来流增大了50％以上；剖面沿线各点处的横向、竖向平均风速多不为0，呈现出了明显的三维效应，最大的横向、竖向风速约为来流的16％。
[0096]
步骤s203：利用所述不同区域的三维平均风速，对所述不同区域的三维平均风速加速比进行验证。
[0097]
例如，采用风洞物理模拟结果中分解得到的平均风速对模拟得到的三维平均风速
进行检验。定义测点的纵向风速与来流对应高度处的纵向风速之比为风速加速比。
[0098]
参见图5，图5为本技术实施例提供的风场模拟方法的沿线路方向三维平均风速数值模拟结果图。图5给出了y＝0剖面处典型测点的风速物理模拟与风速数值模拟的风速加速比对比结果。由图5可得，风速数值模拟结果与风速物理模拟结果非常接近，上述风速数值模拟计算结果的准确性可以得到保证。
[0099]
步骤s204：响应于所述验证的结果为通过，根据风场模拟点的位置，确定所述风场模拟点对应的三维平均风速。
[0100]
以上步骤和实施例一类似，在此不再赘述。
[0101]
步骤s205：根据所述不同区域的三维脉动风速的特点，得到脉动风速互功率谱矩阵。
[0102]
作为一种可能的实施方式，三维脉动风速的特点包括湍流度、湍流积分尺度、自功率谱函数、空间相关函数和点相干函数等特点及其取值。
[0103]
其中，湍流强度用于描述风速的脉动强度，通常将其定义为基本时距内的脉动风速标准差与平均风速的比值，即
[0104][0105]
式中，ii(z)表示高度z处的湍流强度，σi(z)为高度z处的脉动风速的均方根，为高度z处的平均风速，u，v和w分别表示顺风向，横风向和竖向。
[0106]
其中，湍流积分尺度表征气流中湍流涡旋的平均尺度，其数值大小决定了脉动风的影响范围，可采用自相关函数直接积分法计算湍流积分尺度，即
[0107][0108]
式中，li为脉动风速i的湍流积分尺度，r
ii
为脉动风速i的自协方差，τ为时距，σi为脉动风速i的均方根，为平均风速。
[0109]
其中，空间相关函数考虑的是脉动风的空间相关性，对于两个同步实测的脉动风速时程a和b。空间相关函数的计算流程包括：
[0110][0111][0112][0113][0114]
[0115][0116]
式中，coh
ab
(f)为两列脉动风速的空间相关函数，f为风场频率，n
ij
为功率谱的分段数，k为所取到的分段数，sa(f)、sb(f)为脉动风速自功率谱，和分别为两列脉动风速的共同谱和正交谱，可通过对应的自协方差函数和互协方差函数经傅里叶变换得到，ra(τ)为自协方差函数，r
ab
(τ)为互协方差函数，τ为时距，t为脉动风速对应的时间信息，ak(t)为脉动风速时程a在k段t时间的脉动风速时程，ak(t+τ)为τ时距后时间的脉动风速时程，bk(t+τ)脉动风速时程b在k段t+τ时间的脉动风速时程。
[0117]
另外，根据计算得到的空间相关函数，采用davenport衰减系数模型进行拟合，考察测点间距d对衰减系数的影响，包括：
[0118][0119]
式中，为空间中i点和j点的空间相关函数，为衰减系数，(xi,yi,zi)、(xj,yj,zj)为空间i，j两点位置,为空间i，j两点的平均风速。ε表示风向。
[0120]
同点处不同方向的脉动风速相关性通过互功率谱密度函数进行描述，同点处纵向、竖向脉动风速均与横向脉动风速不存在相关性，仅需考虑纵向脉动风速和竖向脉动风速w的相关性，包括：
[0121][0122][0123]
式中，coh
uw
(ωn)为点相关函数，u
*
是为场地摩阻速度，σu和σw分别为u向和v向脉动风速的均方根，a
uw
是表示异向相关性的函数，lu为脉动风速u的湍流积分尺度，为平均风速，su(f)、sw(f)为脉动风速自功率谱，f为风场频率。
[0124]
因此，考虑n个目标点的复杂山区地貌三维脉动风速互功率谱矩阵可以表示为：
[0125][0126]
式中，s(ω)表示互功率谱矩阵，sym表示与左下角矩阵元素对称，s
jk
(ω)表示地貌中j、k两点三维脉动风速互功率谱矩阵。考虑到横向脉动风速与其他两个方向的脉动风速相关性非常弱。
[0127]
上述s
jk
(ω)可以表示为：
[0128][0129][0130][0131][0132]
式中，表示j、k两点之间同一方向脉动风速的互功率谱，和分别表示j、k两点在i方向的自功率谱，表示j、k两点在同一方向上的脉动风速相关性，和表示j、k两点之间纵向和竖向脉动风速之间的相关性，易证得
[0133]
参见图6，图6为本技术实施例提供的风场模拟方法的湍流度和湍流积分尺度物理模拟结果图，给出了y＝0剖面处的三维湍流度ii(i＝u,v,w)和湍流积分尺度li(i＝u,v,w)的结果。该地貌下输电线路沿线的脉动风速谱功率谱密度函数为：
[0134][0135][0136]
式中，si(f)为i方向脉动风速的自功率谱密度函数，li为脉动风速i的湍流积分尺度，σi为脉动风速i的均方根值，为平均风速，f为频率。空间相关函数可以衰减系数来衡量，试验结果表明x方向的衰减系数c
xi
(i＝u,v,w)分别为：
[0137][0138][0139][0140]
式中，d
x
为两点在x方向上的距离。z方向衰减系数的试验结果为：c
zu
＝7.0、c
zv
＝5.2、c
zw
＝3.7。
[0141]
步骤s206：将所述风场模拟点对应的三维平均风速输入所述脉动风速互功率谱矩阵，得到所述风场模拟点对应的三维脉动风速。
[0142]
将所述风场模拟点对应的三维平均风速输入所述脉动风速互功率谱矩阵，后可以进行乔斯分解，并根据谐波叠加法进行三维脉动风速的模拟，得到风场模拟点对应的三维脉动风速。
[0143]
作为一种可能的实施方式，乔斯分解可以通过如下公式：
[0144]
s(ω)＝h(ω)h(ω)
*t
；
[0145]
式中，s(ω)为互功率谱矩阵，h(ω)为互功率谱矩阵经乔斯分解后的下三角矩阵，*t表示共轭转置，h(ω)可以表示为
[0146][0147]
式中，h
11
(ω)、h
21
(ω)、h
22
(ω)、h
m1
(ω)、h
m2
(ω)和h
mm
(ω)为分解后下三角矩阵中的元素，下标数字表示所在行列。
[0148]
根据谐波叠加法进行三维脉动风速的模拟时，可以对u、v和w三个方向分别采用谐波叠加法进行脉动风速模拟，得到三个方向的脉动风速时程u(t)、v(t)和w(t)。
[0149]
在此过程中，需要进行两次三角级数求和，可以通过如下公式计算：
[0150][0151]
δω＝ωu/m；
[0152]
ω
l
＝(l-1)δω；
[0153][0154]
式中，uj(t)为第j个脉动风速时程，h
jk
(ω
l
)为h矩阵中的元素，δω为圆频率增量，ωu为圆频率的截取上限，θ
jk
(ω
l
)为j、m两点之间的相位角，为均匀分布于[0,2π]的随机相位角，m为频率等分数，im[
·
]和re[
·
]分别表示取实部和取虚部。
[0155]
采用此方法需要满足的条件，包括：
[0156][0157]
t＝(r-1)δt,r＝1,2,
…
,n
t
；
[0158]
式中，n
t
表示时间等分数，δt为时间增量，δω为圆频率增量，m为频率等分数，ωu为圆频率的截取上限，为避免数据失真，时间等分数n
t
和频率等分数m应满足n
t
≥2m。
[0159]
步骤s207：叠加所述风场模拟点对应的三维平均风速和三维脉动风速，得到所述风场模拟点对应的风场。
[0160]
作为一种可能的实施方式，叠加可以通过以下公式进行：
[0161][0162][0163][0164]
式中，分别为纵向、竖向和横向平均风速，不随时间变化，仅与空间位置有关，x、y、z为某点空间位置，u、w、v分别为纵向、竖向和横向脉动风速，是有关时间和空间的函数。
[0165]
例如，参见图7，图7为本技术实施例提供的风场模拟方法的三维脉动风速结果图，为采用谐波叠加法计算得到的沿线路x＝150m的山顶测点三维脉动风速结果。通过风速数值模拟得到该测点的三维平均风速数据为纵向风速35m/s，横向风速1.4m/s，竖向风速
3.2m/s，将两者相加得到该测点三维风速，如图8所示，图8为本技术实施例提供的风场模拟方法的三维风速结果图。
[0166]
综上所述，本实施例以缩尺模型的风速物理模拟进行物理模拟以获不同区域测点的脉动风速特性和平均风速，不仅可为谱表示法提供脉动风速互功率谱的构建依据，也可作为风速数值模拟的检验手段。当风速数值模拟的准确性可以得到保证时，它也可以弥补物理模拟在大范围风速测试时效率较低、测点有限等缺陷。
[0167]
以上为本技术实施例提供风场模拟方法的一些具体实现方式，基于此，本技术还提供了对应的装置。下面将从功能模块化的角度对本技术实施例提供的装置进行介绍。
[0168]
参见图9所示的风场模拟装置900的结构示意图，该装置900包括物理模拟模块901、数值模拟模块902、验证模块903、模拟平均模块904、矩阵模块905、模拟脉动模块906和叠加模块907。
[0169]
物理模拟模块901，用于进行风场物理模拟，得到不同区域的三维平均风速和三维脉动风速；
[0170]
数值模拟模块902，用于进行风场数值模拟，得到不同区域的三维平均风速加速比；
[0171]
验证模块903，用于利用所述不同区域的三维平均风速，对所述不同区域的三维平均风速加速比进行验证；
[0172]
模拟平均模块904，用于响应于所述验证的结果为通过，根据风场模拟点的位置，确定所述风场模拟点对应的三维平均风速，所述风场模拟点对应的三维平均风速根据所述不同区域的三维平均风速加速比确定；
[0173]
矩阵模块905，用于根据所述不同区域的三维脉动风速的特点，得到脉动风速互功率谱矩阵；
[0174]
模拟脉动模块906，用于将所述风场模拟点对应的三维平均风速输入所述脉动风速互功率谱矩阵，得到所述风场模拟点对应的三维脉动风速；
[0175]
叠加模块907，用于叠加所述风场模拟点对应的三维平均风速和三维脉动风速，得到所述风场模拟点对应的风场。
[0176]
作为一种可能的实施方式，所述物理模拟模块901，包括：
[0177]
模型建立单元，用于根据山体轮廓参数和模型缩尺比，建立山体模型；
[0178]
物理模拟单元，用于将所述山体模型放置于大气边界层风洞进行物理模拟，得到所述不同区域的三维平均风速和三维脉动风速。
[0179]
作为一种可能的实施方式，所述数值模拟模块902，包括：
[0180]
网格绘制单元，用于根据所述山体轮廓参数，绘制网格划分的山体模型；
[0181]
第一特征提取单元，用于将所述网格划分的山体模型输入流体力学计算模型，确定山体的入口边界条件、壁面函数和湍流模型；
[0182]
数值模拟单元，用于利用所述山体的入口边界条件、壁面函数和湍流模型，进行风场数值模拟，得到所述不同区域的三维平均风速加速比。
[0183]
作为一种可能的实施方式，所述矩阵模块905，包括：
[0184]
第二特征提取单元，用于根据所述不同区域的三维脉动风速，提取脉动风场特性，所述脉动风场特性包括湍流度、湍流积分尺度、自功率谱函数、空间相关函数和点相干函
数；
[0185]
矩阵单元，用于根据所述脉动风场特性，得到脉动风速互功率谱矩阵。
[0186]
作为一种可能的实施方式，所述模拟脉动模块906，包括：
[0187]
模拟矩阵单元，用于将所述风场模拟点对应的三维平均风速输入所述脉动风速互功率谱矩阵，得到风场模拟矩阵；
[0188]
模拟脉动单元，用于对所述风场模拟矩阵进行乔斯分解后，根据谐波叠加法，得到所述风场模拟点对应的三维脉动风速。
[0189]
本技术实施例还提供了对应的设备以及计算机存储介质，用于实现本技术实施例提供的方案。
[0190]
其中，所述设备包括存储器和处理器，所述存储器用于存储指令或代码，所述处理器用于执行所述指令或代码，以使所述设备执行本技术任一实施例所述的风场模拟方法。
[0191]
所述计算机存储介质中存储有代码，当所述代码被运行时，运行所述代码的设备实现本技术任一实施例所述的风场模拟方法。
[0192]
本技术实施例中提到的“第一”、“第二”(若存在)等名称中的“第一”、“第二”只是用来做名字标识，并不代表顺序上的第一、第二。
[0193]
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本技术的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如只读存储器(英文：read-only memory，rom)/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如路由器等网络通信设备)执行本技术各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0194]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0195]
以上所述仅是本技术示例性的实施方式，并非用于限定本技术的保护范围。