一种复杂风场风速模拟方法、装置、设备及介质

本发明涉及风速模拟，具体涉及一种复杂风场风速模拟方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、自然风是由两部分组成：平均风和脉动风。近年来随着风电场、大型场馆、大跨度桥梁等大型工程不断投入使用，对风场的研究也不断深入，目前已经可以比较高效准确的获取指定地形地貌下自然风。但这些研究都只是针对单一地形风场，而对于大型风电场中存在不同地形地貌下的自然风场风速如何获取，将是准确研究风电场设址、风力机运行的关键。

2、目前来看，获得三维风场的方法主要有两种：一是使用计算流体动力学(computational fluid dynamics,cfd)方法数值模拟风场；二是基于随机过程理论的数值计算方法。前者需要建立一个足够大的计算区域，通过地理软件建立其中下垫面曲面，通过入口风在计算域中的自然发展，获得在研究对象前的风速。这是一种比较成熟的风速模拟方法，但由于需要建立一个包括研究风场在内的较大计算区域，在数值计算中需要很大的计算资源，对硬件条件要求很高。基于随机过程理论的数值计算方法产生的风速满足大气边界层湍流风场特性和时空相关性，同时该方法的计算效率较高，目前大多采用这种方法来生成风场的入口风速。

3、目前的数值模拟方法可以提供对简单地形情况下的风场入口风速，从而进一步进行研究。但是随着研究的对象风场面积越来越大，以及地形变化更加的复杂，风场不能以单一地形类别进行区分。特别是对有复杂地形的风场，由于季节变化，风向随之改变，不同风向上的地形是不同的。

4、在不同类型地形中，气流流动时是相互影响的，存在着耦合机制，因此不能简单划分风场类型为国家规范的那四类标准地形的组合。同时不同区域间地形是渐变的。这些因素导致研究风场有多种地形存在时，现有的技术方案不能实现对风场入口风速的正确模拟。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种复杂风场风速模拟方法、装置、设备及介质，采用本发明这种方法可以对存在不同地形的风场风速进行模拟，从而完善了对复杂地形风场的风速模拟方法，解决了上述背景技术中提到的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种复杂风场风速模拟方法，包括如下步骤：

3、步骤1、风场风速入口划分；

4、步骤2、在每个单一地形区域中，利用声雷达测量不同高度平均风速；

5、步骤3、基于风速功率谱及空间相关性，模拟大气边界层中脉动风速；

6、步骤4、将模拟出的平均风速和脉动风速叠加，获得该区域入口风速时程。

7、优选的，所述步骤1中具体包括：

8、步骤1.1、利用地图下载器获得目标区域地形的经纬度及高程坐标；

9、步骤1.2、进行坐标转换，得到目标区域的数据点阵；

10、步骤1.3、利用建模软件，建立地形曲面；

11、步骤1.4、根据地面粗糙度及高度，对风速入口分区。

12、优选的，所述步骤1.4中是根据地面粗糙度及高度所对应的地形分类对风速入口进行分区，所述地形分类包括a、b、c、d四类，所述a类指近海面、沙漠等平坦地区；b类指田野、乡村、丘陵和大城市郊区；c类指有密集建筑群的城市市区；d类指有密集建筑群且有大量高层建筑的大城市市区。

13、优选的，所述步骤2中利用声雷达测量不同高度平均风速，具体包括：

14、通过声雷达测量不同高度平均风速后，然后根据平均风速表达式的一般形式，拟合获得在该地形下的地面粗糙度指数α，从而得到此地形下的平均风速剖面以及平均风速；平均风速表达式如下：

15、

16、式中，z1,z2分别为大气边界层内任意两点高度；为对应z1、z2高度的平均风速；α为地面粗糙度指数。

17、优选的，所述步骤3中基于风速功率谱及空间相关性，模拟大气边界层中脉动风速，具体包括：

18、风速功率谱密度矩阵s(ω)为半正定的hermitian矩阵，当s(ω)具有零主子式时，通过由远及近依次减少与该空间离散点具有相关性的相邻点点数来达到该点处自谱密度的相对强势，从而保证s(ω)为正定矩阵；依据cholesky分解法，将正定的谱密度函数矩阵s(ω)分解为

19、s(ω)＝h(ω)·h*t(ω)           (14)

20、式中，h(ω)为下三角矩阵，h*t(ω)是h(ω)的共轭转置矩阵；

21、h(ω)中的元素由对s(ω)进行cholesky逐列分解计算：

22、

23、由shinozuka理论，空间点上的脉动风速uj(t)可表示成如下形式：

24、

25、式中，n为频率采样点数，|hjm(ωml)|和θjm(ωml)分别为h(ω)中相应元素的模和幅角，ωu为脉动风速谱采样截止圆频率，t为采样时间点序列，φml为[0,2π]之间呈均匀分布的随机数；

26、对多变量风速模拟采用fourier变换，将式(16)改写为式(17)，得到模拟大气边界层中脉动风速：

27、

28、(p＝0,1,…,m×n-1,q＝0,1,...，m-1,j＝1,2,...n)

29、式中，re表示得到计算结果的实部，q是p/m的余数。

30、另外，为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：一种复杂风场风速模拟装置，所述装置包括：

31、风速入口划分模块：用于根据地面粗糙度及高度，对风速入口划分分区；

32、平均风速获取模块：用于在每个单一地形区域中，利用声雷达测量不同高度平均风速；

33、脉动风速获取模块：基于风速功率谱及空间相关性，模拟大气边界层中脉动风速；

34、风速时程获取模块：用于将模拟出的平均风速和脉动风速叠加，获得该区域入口风速时程。

35、另外，为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：一种设备，所述设备包括：处理器；和存储器，用于存储一个或多个程序；

36、当所述一个或多个程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的风速模拟方法。

37、另外，为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的风速模拟方法。

38、本发明的有益效果是：本发明方法将单一地形风场风速模拟方法应用到复杂地形风场的风速模拟中，扩展了风速模拟方法应用的范围，适用于各种复杂地形风场入口风速的模拟。在目前国内风电场规模不断扩大，以及在风资源丰富但地形复杂的西南各省建设风电场越来越多的情况下，该风速模拟方法可以很好的应用于不同地形风电场入口风速模拟，从而通过数值分析，研究风电场中各风力机组的运行效率，改善风力机组工作位置，使整个风电场运行达到最优。本发明具有较高的社会、经济推广价值。

技术特征：

1.一种复杂风场风速模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的复杂风场风速模拟方法，其特征在于：所述步骤1中具体包括：

3.根据权利要求1所述的复杂风场风速模拟方法，其特征在于：所述步骤1.4中是根据地面粗糙度及高度所对应的地形分类对风速入口进行分区，所述地形分类包括a、b、c、d四类，所述a类指近海面、沙漠等平坦地区；b类指田野、乡村、丘陵和大城市郊区；c类指有密集建筑群的城市市区；d类指有密集建筑群且有大量高层建筑的大城市市区。

4.根据权利要求1所述的复杂风场风速模拟方法，其特征在于：所述步骤2中利用声雷达测量不同高度平均风速，具体包括：

5.根据权利要求1所述的复杂风场风速模拟方法，其特征在于：所述步骤3中基于风速功率谱及空间相关性，模拟大气边界层中脉动风速，具体包括：

6.一种复杂风场风速模拟装置，其特征在于：所述装置包括：

7.一种设备，其特征在于：所述设备包括：处理器(210)；和存储器(220)，用于存储一个或多个程序；

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于：其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器(210)执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的风速模拟方法。

技术总结
本发明设计风速模拟技术领域，具体公开了一种复杂风场风速模拟方法、装置、设备及介质，包括如下步骤：步骤1、风场风速入口划分；步骤2、在每个单一地形区域中，利用声雷达测量不同高度平均风速；步骤3、基于风速功率谱及空间相关性，模拟大气边界层中脉动风速；步骤4、将模拟出的平均风速和脉动风速叠加，获得该区域入口风速时程。本发明风速模拟方法可以很好的应用于不同地形风电场入口风速模拟，从而通过数值分析，研究风电场中各风力机组的运行效率，改善风力机组工作位置，使整个风电场运行达到最优。本发明具有较高的社会、经济推广价值。

技术研发人员：杜强,薛世钦,赵国尧
受保护的技术使用者：西华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14