本发明属于风场特性模拟，具体涉及一种复杂地形的风场特性模拟。
背景技术：
1、近几年，全球各国正致力于推动风能等可再生能源技术的发展，旨在应对日益紧迫的能源危机和环境恶化问题，从而实现社会的可持续发展。风能作为一种丰富的清洁能源，目前正处于迅猛发展的阶段。风电场建设也由平坦地形逐渐转向复杂地形，故在风电场选址建设前，需要预先对复杂地形进行风场特性研究。计算流体动力学(cfd)数值模拟技术以其模型的数字化、全尺寸、高精度和模拟周期短、费用低等优势受到风场特性研究领域的越来越多的关注。通过考虑山区的各个地形环境参数进行山地模型构建并基于cfd数值模拟技术对该山地模拟进行风场模拟技术，从而实现整个预先对复杂地形的风场特性研究。
2、然而，影响风场特性变化的影响因素有很多，现有的风场模拟考虑因素单一，无法准确还原真实场景。另外，为了提高模拟结果的准确性，现有技术往往是通过细化网格尺度，增加网格数量的手段去捕捉目标场域的细节特征从而提高数据的准确性，但这同时无疑会大大增加计算的复杂度，导致计算时间和计算成本过高。
技术实现思路
1、本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种适用于风场模拟的山地模型构建及风场特性模拟方法，在实现风场特性精细化模拟的同时计算成本可控。
2、为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
3、一种适用于风场模拟的山地模型构建，其特征在于，包含如下步骤：
4、step a1、映射表创建
5、所述映射表包含山地覆盖类型数据、类型标签和反应地表粗糙度的粗糙数值，相同的所述类型标签对应的所述粗糙数值也相同；
6、step a2、原始数据获取
7、得到目标区域的原始数据，所述原始数据包含所述山地覆盖类型数据和基本地形数据；
8、step a3、粗糙度获取
9、基于所述映射表的映射规则，获得所述山地覆盖类型数据对应的所述粗糙数值；
10、step a4、模型成型
11、基于所述基本地形数据和所述山地覆盖类型数据以及对应的所述粗糙数值建立最终山地模型。
12、建立映射表，所述映射表包含山地覆盖类型数据、类型标签和反应地表粗糙度的粗糙数值，相同的所述类型标签对应的所述粗糙数值也相同。山地覆盖类型数据具体为：雨养农田、草本覆盖、落叶阔叶林、针叶林、草原、湿地等。根据山地覆盖类型对应的粗糙程度，将其分为几大类，分别设为标签一、标签二、标签三等，即所述类型标签。相同的所述类型标签对应的所述粗糙数值也相同，例如标签一中的所述山地覆盖类型有雨养农田、草本覆盖等，其对应的所述粗糙度值均为0.03；标签二所述山地覆盖类型有落叶阔叶林、针叶林等，其对应的所述粗糙度值均为0.3；标签三中所述的山地覆盖类型有草原、湿地等，其对应的所述粗糙度值均为0.0024。
13、从asf data search(nasa合成孔径雷达数据)网站上获取的高精度的12.5米高程dem数据，即所述基本地形数据；从地球大数据科学工程数据共享服务系统上获取30米全球覆盖数据，即所述山地覆盖类型数据。基于所述映射表的映射规则，获得所述山地覆盖类型数据对应的所述粗糙数值。将所述基本地形数据、山地覆盖类型数据以及对应的所述粗糙数值导入到arcgis地理处理软件中，坐标系投影为2000国家大地坐标系，得到所述山地模型。
14、本发明技术方案考虑到了地表覆盖情况也是影响风场特性变化的影响因素，通过加入地表覆盖类型对应的所述粗糙度值数据进行所述山地模型的构建，使得后续基于该山地模型的风场数值模拟更加接近真实，提高了模拟数据的准确性。但由于在真实山区中存在多种的植被类型且分布范围无规律，复杂的地表覆盖情况在数值模拟中不好表征，且对风场数值模拟计算量较高。故通过建立所述映射表，将粗糙度值相近的所述山地覆盖类型设为一个类型标签，并赋上相同的粗糙度值，在保证数据准确性的同时还能简化数据计算的复杂度和计算成本。在风场数值模拟中，网格的数量直接关系到计算的复杂度和计算成本。通过映射表简化粗糙度值的种类，可以减少网格的数量，从而降低计算的复杂度和成本，在实现风场特性精细化模拟的同时计算成本可控。
15、作为本发明的优选，所述映射表中的所述粗糙数值为原始粗糙数值列表的平均值，所述原始粗糙数值列表包含同一所述类型标签下的所述山地覆盖类型对应的真实粗糙度值。
16、在比较不同山地覆盖类型的粗糙度时，使用平均粗糙数值可以提供一个更加稳定和可靠的参考值。
17、作为本发明的优选，所述step a4、模型成型中，还包含过渡段添加步骤：
18、基于所述基本地形数据和所述山地覆盖类型数据以及对应的所述粗糙数值建立目标区域山地模型；
19、建立过渡段模型zn(x，y)，将所述过渡段模型和所述目标区域山地模型组合，得到所述最终山地模型；所述过渡段模型zn(x，y)的表达式为：
20、
21、其中，zn(x，y)为过渡段模型的坐标点竖坐标；ze(x，y)为所述目标区域山地模型的坐标点竖坐标；r为所述目标区域边界点距所述目标区域中心点的水平距离；d为过渡段长度，可由用户自定义。
22、为了避免在复杂地形下进行风电场数值模拟时，出现因直接截断数字地形边界而产生的“人造悬崖”现象，在所述目标区域外添加了的保留原始地貌特征的过渡段，所述过渡段的长度为d，可由用户自定义，一般可设为1000m。
23、在matlab环境下将所述zn(x，y)编译成代码，利用arcgis软件提目标区域的点云数据，导入到matlab软件中由代码控制生成过渡段，并将过渡段的点云数据导出。过渡段的点云数据导入到建模软件构建成过渡段模型，并使用组合命令将之和目标区域的地形模型组合在一起，从而形成所述最终山地模型。
24、通过在所述目标区域外添加过渡段，可以避免因直接截断数字地形边界而产生的“人造悬崖”现象，从而减少模拟过程中的误差。同时，过渡段保留了原始地貌特征，使得风电场数值模拟更加接近实际地形，提高模拟的真实度和可靠性。
25、一种风场特性模拟方法，其特征在于，在如权利要求1-3任意一项所述的一种适用于风场模拟的山地模型构建后，还包含风场特性模拟步骤：
26、step b1、模型导入
27、将所述最终山地模型导入进风场特性模拟软件中；
28、step b2、流体域建立
29、基于所述最终山地模型建立圆形流体域；
30、step b3、网格划分
31、对所述最终山地模型和所诉和圆形流体域进行网格划分，网格尺寸由用户自定义。
32、step b4、边界条件设置
33、设置所述目标区域的风廓线为所述圆形流体域的入口边界条件；
34、step b5、计算和结果输出
35、选择风流模型对所述最终山地模型进行风场特性模拟，得到风场特性参数表。
36、fluent是一款计算流体力学(cfd)仿真软件，能够通过数值分析求解流体力学问题。本技术方案可以选用fluent软件中进行风场特性模拟步骤。需要在软件中导入所述最终山地模型并建立流体域以及设置入口边界，并对所述圆形流体域以及所述最终山地模型进行网格划分，网格的质量对模拟结果有很大影响，因此用户可以根据实际情况选择使用合适的网格类型和尺寸，以提高计算精度和稳定性。再选用适当的风流模型进行计算得到所述风场特性参数表。风流模型可以选用软件中自带的n-s方程、rans方程等。在完成风场特性模拟的计算之后，fluent会生成一系列的数据和结果，即所述风场特性参数表，通常包含了风场的各种特性参数，如速度、压力、温度、浓度等分布情况。
37、本技术方案采用圆形流体域进行风场特性模拟，由于所述圆形流体域具有较好的旋转对称性，更贴合实际的风场情况的同时，还能够减少模型的复杂性。另外，所述圆形流体域可以保证在入口边界条件下，风场在各个方向上受到的影响是均匀的，这对于模拟均匀流场或者需要全面考虑各个方向上影响的风场特性模拟非常重要。
38、在复杂地形风场的cfd数值模拟中，入流边界条件的设置至关重要，不同的参数设置可能导致完全不同的结果，这可能降低cfd结果的可靠性。准确的入流边界条件既能提高数值模拟结果的准确性又能保证模拟的可靠度。由于现自然界的风速是随高度变化的，风廓线是指在垂直方向上不同高度的风速和风向的变化曲线。本技术方案将所述目标区域的风廓线作为所述圆形流体域的入口边界条件可以提高所述模拟结果的准确性。现有的风廓线的计算方式常用的有两种，一是指数律(power law)，另一则为对数律(logarithmiclaw)。通过搭建在所述目标区域上测风塔测得的不同高度上的风速数据，将其带入到计算公式中从而得到所述目标区域的风廓线。
39、作为本发明的优选，所述风场特性模拟步骤还包括：获取不同风向的入口边界条件，并对应进行不同风向的所述风场特性模拟步骤。
40、对目标区域内的测风塔所获得测风数据进行分析，获得威布尔分布以及不同风向下的风玫瑰图，本技术方案中取了12个风向。将每个风向下一定高度处的平均风速作为每个入口处的风廓线，旋转所述圆形流体域的进出口实现风向的变换，进行12次数值模拟以获得多风向下的流场信息。通过模拟不同风向下的风场情况，可以更全面地了解目标区域内风场的特性，包括风速、风向、风廓线等信息，为后续的风能资源评估、风力发电机组设计以及风电场规划提供更为详尽的数据支持。本发明利用测风塔所获得的实际测风数据进行分析，并通过威布尔分布和风玫瑰图的计算，可以更真实地反映风场的分布特性，提高风能资源评估的准确性。通过旋转流体域的进出口实现风向的变换，可以方便地模拟不同风向下的风场情况，节省了大量的人力和物力。同时，本发明可以适用于各种不同形状和目标区域大小的流体域，具有较高的灵活性。此外，通过旋转进出口实现风向变换，避免了多次建立流体域的麻烦，进一步提高了计算效率。
41、作为本发明的优选，所述风廓线uz的计算公式为：
42、
43、式中，z为高度值，uz为高度z(m)处风速(m/s)；u*为摩擦速度(m/s)，由测风塔测得；κ为冯·卡门常数，取0.41；d为零平面位移(m)；z0为表面粗糙度(m)。
44、本技术方案中所述风廓线uz的确定方法是基于对数定律速度剖面(logarithmicwind profile)，该方法适用于中性或微弱稳定的大气条件。
45、作为本发明的优选，所述网格划分采用boi网格划分方式。
46、所述boi(basis function on interface)网格划分方式是一种在流体动力学模拟中常用的网格划分技术，特别是在计算流体动力学(cfd)模拟中。采用所述boi网格划分方式有助于简化流场数据的分析和解算，因为网格在边界处的质量更高，可以直接用于后续的后处理分析，如计算速度场、压力场等。
47、作为本发明的优选，所述圆形流体域的阻塞率小于3％。
48、阻塞率定义为复杂地形迎风面面积与流体域入口横截面的比值。所述圆形流体域的阻塞率设置为小于3％可以提高风场特性模拟的准确性、计算效率和计算成本效益，同时减少计算误差和提高模拟的可靠性。
49、综上所述，本发明具有如下有益效果：
50、1、本发明技术方案考虑到了地表覆盖情况也是影响风场特性变化的影响因素，通过加入地表覆盖类型对应的所述粗糙度值数据进行所述山地模型的构建；同时建立所述映射表，将粗糙度值相近的所述山地覆盖类型设为一个类型标签，并赋上相同的粗糙度值，在保证数据准确性的同时还能简化数据计算的复杂度和计算成本。
51、2、通过在所述目标区域外添加过渡段，可以避免因直接截断数字地形边界而产生的“人造悬崖”现象，从而减少模拟过程中的误差。同时，过渡段保留了原始地貌特征，使得风电场数值模拟更加接近实际地形，提高模拟的真实度和可靠性。
52、3、采用圆形流体域进行风场特性模拟，由于所述圆形流体域具有较好的旋转对称性，更贴合实际的风场情况的同时，还能够减少模型的复杂性。
53、4、利用测风塔所获得的实际测风数据进行分析，并通过威布尔分布和风玫瑰图的计算，可以更真实地反映风场的分布特性，提高风能资源评估的准确性。
54、5、通过旋转流体域的进出口实现风向的变换，可以方便地模拟不同风向下的风场情况，节省了大量的人力和物力；此外，通过旋转进出口实现风向变换，避免了多次建立流体域的麻烦，进一步提高了计算效率。
1.一种适用于风场模拟的山地模型构建，其特征在于，包含如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适用于风场模拟的山地模型构建，其特征在于，所述映射表中的所述粗糙数值为原始粗糙数值列表的平均值，所述原始粗糙数值列表包含同一所述类型标签下的所述山地覆盖类型对应的真实粗糙度值。
3.根据权利要求1所述的一种适用于风场模拟的山地模型构建，其特征在于，所述stepa4、模型成型中，还包含过渡段添加步骤：
4.一种风场特性模拟方法，其特征在于，在根据权利要求1-3任意一项所述的一种适用于风场模拟的山地模型构建后，还包含风场特性模拟步骤：
5.根据权利要求4所述的一种风场特性模拟方法，其特征在于，还包括获取不同风向的入口边界条件，并对应进行不同风向的所述风场特性模拟。
6.根据权利要求4所述的一种风场特性模拟方法，其特征在于，所述风廓线uz的计算公式为：
7.根据权利要求4所述的一种风场特性模拟方法，其特征在于，所述网格划分采用boi网格划分方式。
8.根据权利要求4-7任意一项所述的一种风场特性模拟方法，其特征在于，所述圆形流体域的阻塞率小于3％。
