风电场CFD仿真选择不同精度粗糙度数据的效果对比分析

风资源微观选址发电量计算评估中，为了计算地形和地貌对风的影响，需要对影响风流场模拟的因素进行综合考虑。地形和地貌对风的影响主要来自于三个方面：地形、障碍物和粗糙度等。CFD建模过程中，在整个计算区域中选择不同的粗糙度文件对于各机位处的风速、湍流等风况参数以及发电量均有影响。分析不同粗糙度对于风参的具体影响，规范科学取值，有利于真实仿真风机周边的地形地貌对流体建模影响，更为准确的评估客观发电量。

地表粗糙度是表示下垫面性质对大气运动影响的物理量，具有长度量纲的特征参数，地表粗糙度常用Z0来表示，从空气动力学角度衡量地表面粗糙程度的量，在一定风速条件下它的大小反映湍流动量传输的效率。地表粗糙度的大小取决于地面障碍物的高低、式样和间距。通常也借助于近地面层风速廓线的观测来确定。现阶段风能资源评估在流体仿真中使用的粗糙度数据源主要有ESA300m-2010、ESA10m-2020、LC100m-2019、GLC30-2010与GLC30-2020。

为对比不同精度粗糙度在风资源评估中对结果的影响，现以某平原项目为例，采用不同粗糙度数据作为输入进行仿真模拟（其他仿真输入条件保持一致），对比哪种粗糙度数据对仿真结果更为有利。该项目地形地貌表现为平原，村庄、农田、树林分布其间，表征地形地貌的粗糙度和测风塔与机位分布图如下：

图1  ESA10m-2020定向粗糙度示意图

图2 ESA300m-2010定向粗糙度示意图

不同粗糙度建模下，2个测风塔风速互推模拟情况如下：

表1 某项目测风塔互推对比

对比两个数据源定向结果，ESA10m-2020、ESA300m-2010对平原项目不同地类区分中，均将成片民居及村镇识别为粗糙长度为0.4，其中ESA10m对成片树林识别为0.5，ESA300m识别较少且识别为粗糙长度为0.3，对比来看，ESA10m模拟更符合当地地形地貌分布情况。

从此平原项目的风速推算发现，在使用CFD仿真软件进行风资源评估时，使用ESA10m-2020版本数据源时，风速模拟的模拟误差较小，且切变的模拟也与实际更接近。

通过多个项目（包括山地项目）采用不同粗糙度数据的对比，主要关注的覆盖国内的粗糙度数据源ESA300m-2010、ESA10m-2020、LC100m-2019这三个数据源从提取地表影像来看粗糙度精细化程度优先级顺序为：

ESA10m-2020＞LC100m-2019＞ESA300m-2010；

从粗糙度分辨率来说粗糙度精细化优先级为：

ESA10m-2020＞LC100m-2019＞ESA300m-2010。

从不同案例的测风塔互推结果来看，对于地表覆盖多样性的平坦地形区域，例如村庄、城镇、农田、森林、湖泊众多的内陆及沿海，年代最新和分辨率较高的数据能更好的反映实际的地表情况，因此使用ESA10m-2020粗糙度进行仿真结果较好，但是对于山地项目，效果相对不明显，主要原因在于仿真时复杂的地形影响起到了主导作用。