一种用于复杂地形风场数值模拟的地形建模方法

本发明涉及风力发电，具体涉及一种用于复杂地形风场数值模拟的地形建模方法。

背景技术：

1、面向深远海和复杂山地是未来风电场建设的两大方向，但由于深远海风电场建设和输电成本较高，复杂山地风电场比较受欢迎。复杂山地风场中存在高湍流、大风剪切及流动分离等现象，这对精细化风资源评估是一个很大的挑战。在复杂地形中，由于地形的影响，测风塔的代表性不足，需要借助中尺度数据对当地机位进行资源评估，中尺度数值天气预报模式（nwp）+微尺度计算流体力学方法（cfd）的模式已经成为复杂山地非定常流场仿真和机组载荷及发电量评估的重要手段。

2、基于中微尺度耦合的复杂地形流动模拟时，地形建模是关键的一步。地形建模需要考虑一下几点：一是合理评估计算域范围，保证计算的精度和效率，二是保证微尺度地形的精度，三是保证微尺度计算域网格建模的便利，四是保证中尺度风速和温度等时序信息传输的精度。采用中尺度模拟时，常用的地形分辨率为30″（约900m左右），微尺度计算时地形分辨率可达10-50m，因此需要进行中微尺度地形融合，以保证中尺度输出和微尺度输入的一致性。复杂地形风场网格建模可以采用商业软件（如icem），也可以采用openfoam之类的开源代码，这两种软件需要的地形输入格式均为stl格式，因此，为保证融合后地形的通用性，融合后的地形以stl格式保存。

3、目前大多数复杂地形建模均采用商业软件，需要不断进行格式转换、投影转换和剪裁工作，操作流程相当繁琐。而且绘制网格时，地形还需进行多次裁剪与修复，耗费了大量的时间。采用传统的融合函数进行地形融合时，从边界处直接开始融合，这影响了中尺度数据的提取。为节省计算资源，需保证融合过渡区域不要过大，为保证中尺度数据提取的精度，需留有一部分中尺度地形在计算域边界附近用于提取中尺度数据，而传统的融合函数并未考虑到这一点。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种用于复杂地形风场数值模拟的地形建模方法，在传统地形融合函数的基础上，考虑中尺度数据的提取及输入过程，修正地形融合函数，获得的中微尺融合地形为微尺度计算提供了良好的地形边界条件，能够较好的传输来自于中尺度的数据信息，提高了复杂地形风电场精细化资源评估的精度。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种用于复杂地形风场数值模拟的地形建模方法，所述地形建模方法包括以下步骤：

4、步骤1，获取微尺度地形：

5、根据所研究的风电场区域的实际地形海拔高度差及测风塔的位置，确定用于微尺度计算的微尺度计算域和参考点位置，获取微尺度计算域的微尺度地形；微尺度地形比所研究的风电场区域大；

6、步骤2，获取中尺度地形或确定平板地形：从所研究的风电场区域的中尺度结果数据中提取测风塔所在区域最内层嵌套地形对应的经纬度及海拔高度数据，提取微尺度计算域对应的中尺度地形；中尺度地形数据的分辨率低于微尺度地形数据的分辨率；如果与平板地形融合，需要确定平板地形的海拔高度；

7、步骤3，中微尺度地形融合或与平板地形融合：

8、根据中尺度地形分辨率分别确定中尺度地形融合时在西、东、南、北四个方向的保留范围： dw,w、 dw,e、 dw,s和 dw,n， dw,w、 dw,e、 dw,s和 dw,n均大于0.5* ds小于 ds，ds为中尺度地形分辨率；

9、分别确定西、东、南、北四个方向的从低分辨率地形到高分辨率地形的过渡范围： dc,w、 dc,e、 dc,s和 dc,n， dc,w、 dc,e、 dc,s和 dc,n均大于0.5* ds小于1.5 ds；

10、计算地形融合函数 fb：

11、；

12、；

13、；

14、；

15、；

16、式中， f b,w 、f b,e 、f b,s和 f b,n分别是地形西、东、南、北四个方向的融合函数， x和 y分别是微尺度计算域的其中一个点的x轴坐标和y轴坐标， xmin、 xmax、 ymin和 ymax分别是微尺度计算域在x轴和y轴上的边界坐标； df是与平板地形融合时四个方向的保留范围；

17、进行中微尺度地形海拔高度的融合，得到融合后的海拔高度分布：

18、；

19、式中， zb为融合后的地形海拔高度； zh为微尺度地形的海拔高度； zl为低精度地形的海拔高度，低精度地形为中尺度地形或者平板地形； fb为地形融合函数；

20、步骤4，获得微尺度数值模拟的地形文件，用于微尺度计算域网格生成。

21、进一步地，所述计算域范围为6h×4h×h，其中h的取值为大气边界层厚度，由大气稳定度决定，6h对应于流向方向，4h对应与流向垂直的方向，h对应垂直方向。

22、进一步地，步骤1中，微尺度地形分辨率范围为10m-30m，在获取微尺度地形数据后，将其转换为tif格式；

23、在确定微尺度计算域的过程中，同时确定中微尺度耦合时参考点的位置信息，参考点一般位于微尺度计算域中心，微尺度地形数据以地理坐标方式保存。

24、进一步地，步骤2中，中尺度地形采用usgs格式。

25、进一步地，步骤3中，在地形融合时，微尺度地形与平板地形或者中尺度地形融合；如果微尺度地形与中尺度地形进行融合， df取0；如果微尺度地形与平板地形进行融合， dw,w、 dw,e、 dw,s和 dw,n取0。

26、进一步地，步骤4中，融合后的地形格式为stl。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

28、与实际风电场数值模拟结果和雷达实测数据对比分析，本发明的用于复杂地形风场数值模拟的地形建模方法，操作简单、便于自动化，省去了大量的时间成本，效率高、精度良好，所建立的融合地形在边界处与中尺度地形一致性较好，中尺度输出和微尺度输入一致性较好，数值模拟结果与实测数据有较好的一致性。另外，该方法能够全部采用python语言完成，建模效率高，同时可以保证中尺度输出和微尺度输入的一致性。