【风能模型】风能模型的发展及 CFD 在风资源开发利用中的应用

引 言

早期 CFD 广泛用于空气动力学，比如飞机外形设计、发动机设计、汽车外形设计、涡轮发动机设计，以及一些传热传质工业设备，比如流化床等，其特点是能够建立复杂形状的网格，很好地模拟复杂结构内的流场。随着计算机技术的发展，CFD 可以建立更大规模的网格，用于风工程、环境工程领域，研究桥梁抗震、高速列车安全、街区空气污染等。

随着风能开发利用规模的扩大，需要对大气边界层流场中更多微尺度的运动过程进一步研究。Raithby 等基于 CFD 开展的山地风场研究是这方面最早的工作之一。然而，CFD 对于复杂下垫面高雷诺数的大气边界层风场模拟仍面临挑战。

本文首先回顾了风能模型的发展 ，包括基于CFD 的风能模型，之后从中尺度到微尺度的“降尺度”、尾流模拟和复杂地形风场模拟 3 个方面详细评述了 CFD 在风能开发利用中的重要作用，最后对风能模型发展过程中 CFD 方法所面临的挑战进行了展望。

风能评估和风电选址模型

CFD模型

大多数 CFD 模型对 N-S 方程进行求解，并使用恒定的入口风剖面运行到收敛。对于理想的情况，比如悬崖或丘陵二维/三维流动， CFD模型表现良好，并能刻画出湍流的高精度细节特征。

研究发现，由于能够自适应地生成各种复杂地形上的贴体网格，处理局部的复杂流动，CFD 模型更适应于复杂地形条件下的边界层流场模拟。

但有一些研究也表明，CFD 模型并非在所有情况下都优于行业标准的 WAsP 模型，在平坦地形 WAsP的模拟结果要好于某些 CFD 模型。

数值天气预报（NWP）模型

中尺度数值天气预报模型通过质量、动量、热量、水汽以及其他如气溶胶等守恒方程的时间、空间积分计算预报大气系统的演化过程，在风能开发利用中已得到广泛应用。各种模式的守恒方程采用不同的近似方案和云物理、沉降、湍流、通量等参数化方案，不同模式的网格划分、数值方法、初边界条件设置、坐标系的选择等也不相同，各有各的局限性。其近地层、边界层、次网格参数化方案对近地层风速模拟影响较大。此外，通过方程组的坐标变换来描述复杂地形，需要对地形进行不同程度的平滑，获得计算稳定性，对于陡峭地形，可能会出现较大计算误差。目前广泛使用的预报模式有 MASS、WRF、MM5、RAMS、ARPS、MC2、KAMM 等。

对于复杂地形风场的精细化数值模拟，需要采用动力降尺度的方法来实现，通过预报模式和诊断模式相结合计算三维流场。诊断模式包括 Jackson Hunt 型模型和质量守恒一致模型。

耦合模型

由于模拟尺度跨度大、计算成本高，当前风能模型的发展趋势是 NWP 模型与 CFD 模型耦合，并取得了不少成果 。

其中，NWP 与 LES 嵌套耦合用于风能研究逐步受到广泛关注 。大涡模式起源于边界层模拟，现在可以用全物理参数化方案（辐射、微物理、云对流、地面-大气相互作用、湍流等）求解非定常、非线性 N-S 方程。与 RANS 模型相比，它们在高分辨率下运行，接近三维湍流的惯性子区，因此能够在参数化小尺度湍流时直接解出重要的含能尺度湍涡。美国国家大气研究中心在 WRF 基础上，结合实时四维数据同化技术，通过 FDDA 根据大尺度天气确定 LES 的网格，形成天气尺度和微尺度嵌套的多尺度天气模式（WRF-RTFDDA-LES），模拟真实天气环流的重点地区风场，如风力发电场。

风功率预测模型

2002—2006 年，欧洲 7 个国家 20 多个组织开展 ANEMOS 项目，应用中尺度气象模式、CFD 模型和各种风速预报模型，进行复杂地形极端天气的风功率预报研究。近年来人们用神经网络、小波分析和模糊逻辑等新方法显著地提高了预报精度，并且预报长度达到了24～36 h。风功率预报模型现在已经在风电场风力发电过程中得到广泛应用。

CFD在风能发展中的应用

尾流模拟

随着计算能力的发展，CFD 越来越多地用于风力发电机建模。这里必须区分转子、近尾流和远尾流区域：近尾流通常指风力发电机下风处一个转子直径内的区域，在此之外是远尾流区域，风力发电机引起的涡旋结构开始分解，对叶片的空气动力学的研究被归为转子模型。基于 N-S 方程，转子和近尾流计算大约在 10 m/s 风速阈值下可以得到较好的结果。与非定常 RANS 相比，LES 可模拟更高分辨率的湍流尺度，对分析非定常叶片载荷和风力发电机尾流演化具有重要意义。

复杂地形风电场模拟

近年来 ，复杂地形风场 CFD 模拟得到快速发展。Murakami 等基于 CWE 发展了局地风场预报系统进行风电场选址，用新的线性 k-ε 湍流模型和冠层模型精确预测局地风能分布，对二维山脊、山地以及草地下垫面的起伏地形的预测结果比 WAsP 好。

使用 CFD 模拟复杂地形大气流动通常非常耗时。对于目前的处理器，只有使用并行计算才足以使用 CFD 进行风场预测，即代码运行速度比真实天气演变更快。Castro 等用并行版本的 VENTOS CFD，成功进行了风电场风功率预报，并与中尺度模式结合，形成短期预测工具，对位于葡萄牙北部门多罗/布斯塔维德风电场进行模拟，显示了并行效率对预测的影响。

参考文献：程雪玲. 风能模型的发展及CFD在风资源开发利用中的应用[J]. 空气动力学学报, 2023, 41(6): 1-15.

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