中國(guó)海裝風(fēng)電劉靜：基于WRF與CFD結(jié)合的數(shù)值模擬研究

　　2021年10月17日-20日，2021北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP 2021）在北京新國(guó)展隆重召開(kāi)。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會(huì)之一，這場(chǎng)由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國(guó)內(nèi)外參會(huì)代表共同參與的風(fēng)能盛會(huì)，再次登陸北京。

　　

　　本屆大會(huì)以“碳中和——風(fēng)電發(fā)展的新機(jī)遇”為主題，歷時(shí)四天，包括開(kāi)幕式、主旨發(fā)言、高峰對(duì)話、創(chuàng)新劇場(chǎng)以及關(guān)于“國(guó)際成熟風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資機(jī)會(huì)”“國(guó)際新興風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資機(jī)會(huì)”“風(fēng)電設(shè)備智能運(yùn)維論壇”“碳達(dá)峰碳中和加速能源轉(zhuǎn)型”等不同主題的15個(gè)分論壇。能見(jiàn)App全程直播本次大會(huì)。

　　

　　在19日下午召開(kāi)的風(fēng)資源精細(xì)化評(píng)估論壇上，中國(guó)船舶集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司整體方案經(jīng)理劉靜發(fā)表了題為《基于WRF與CFD結(jié)合的數(shù)值模擬研究》的主題演講。

　　

　　劉靜：各位風(fēng)電行業(yè)朋友們大家下午好，我是中國(guó)海裝劉靜，今天我所分享內(nèi)容是“基于WRF和CFD相結(jié)合的主枝模擬研究”。我分為兩個(gè)部分，第一個(gè)是WRF模擬，第二個(gè)是CFD模擬部分。

　　

　　首先看第一個(gè)部分，在座很大一部分都是風(fēng)資源工程師，我們經(jīng)常思考發(fā)電量不確定性究竟有哪些方面，我總結(jié)了三個(gè)方面，第一大氣環(huán)境不確定性，包括像風(fēng)測(cè)量以及風(fēng)未來(lái)年級(jí)變化。第二機(jī)組不確定性，它的可靠性等等。第三，模型仿真不確定性，也是我今天分享的內(nèi)容。

　　

　　自然界的風(fēng)是多尺度的，從中尺度到微尺度都會(huì)影響到風(fēng)資源評(píng)估，微尺度本身不能提供指定范圍內(nèi)氣象背景場(chǎng)，中尺度由于分辨率限制沒(méi)有變化細(xì)化到每一臺(tái)機(jī)位點(diǎn)的風(fēng)流要素，我們將它們兩者進(jìn)行結(jié)合，增加發(fā)電量模擬一個(gè)準(zhǔn)確性。

　　

　　技術(shù)路線是通過(guò)全球尺度一個(gè)再分析數(shù)據(jù)，通過(guò)我們的中尺度WRF模式，再降到中尺度，再通過(guò)CFD模擬選擇最新版WT再降到微尺度。

　　

　　跟大家簡(jiǎn)單介紹一下WRF模式，由美國(guó)研發(fā)的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，它主要流程用地形數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，通過(guò)WPS前處理，再通過(guò)粗編輯制作最后驅(qū)動(dòng)我們的計(jì)算，計(jì)算之后的結(jié)果可以提取出來(lái)做WRF再分析。

　　

　　此次模擬的風(fēng)電場(chǎng)位于廣東南雄，也是一個(gè)復(fù)雜山地，有五個(gè)測(cè)風(fēng)塔，我們采用三層嵌套方式，做到一公里×一公里的精度，采用了最適應(yīng)的參數(shù)化方案。我們都知道風(fēng)電場(chǎng)建在大氣邊界層以內(nèi)的，難點(diǎn)就是大氣邊界層以內(nèi)的邊界參數(shù)和方案，我們?nèi)绾螠?zhǔn)確描述它的一個(gè)風(fēng)波動(dòng)，也就是湍流，做了兩種技術(shù)方案。第一，加密垂直邊界層的垂直分辨率，我們可以看到下面兩張圖，黑色是觀測(cè)，紅色通過(guò)加密之后的，它比不加密更加準(zhǔn)確的描述出風(fēng)波動(dòng)的風(fēng)流情況。第二嘗試采用更細(xì)化的邊界層參數(shù)化方案，能夠提高湍流描述能力。

　　

　　除了通過(guò)以上兩種方案之外，還會(huì)通過(guò)一些中尺度天氣系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證模式準(zhǔn)確性，我這邊采用了降水和臺(tái)風(fēng)方式驗(yàn)證，首先先看一下降水，由于降水產(chǎn)生，也是伴隨著天氣系統(tǒng)生成發(fā)展，沉著消亡的，我們可以通過(guò)形勢(shì)場(chǎng)預(yù)報(bào)判斷WRF是否準(zhǔn)確。2017年6月4號(hào)降水是地壓槽東移南亞的過(guò)程，隨著時(shí)間的推移，因?yàn)槲覀冏髠?cè)是實(shí)側(cè)，右邊是模擬的，我們做這么一個(gè)對(duì)比。雖然時(shí)間的推移，它的低壓槽東移南亞的，模擬和實(shí)測(cè)來(lái)看速度和準(zhǔn)確性強(qiáng)度都還是趨勢(shì)一致。

　　

　　這次降水量一個(gè)預(yù)報(bào)也是趨勢(shì)比較一致，4號(hào)達(dá)到了峰值，7號(hào)降水趨于0的過(guò)程，雖然說(shuō)降水量可能還是有一定差距，但是趨勢(shì)來(lái)說(shuō)還是不錯(cuò)的。

　　

　　再看另外一個(gè)降水形式，它由于我們東亞大槽逐漸加深的過(guò)程，情況跟上面的一個(gè)情況基本上是一個(gè)類似的，它的東亞大槽逐漸向東邊移動(dòng)，并且加強(qiáng)的過(guò)程，產(chǎn)生了此次暴雨過(guò)程。這次降水量是在8號(hào)達(dá)到最大值。

　　

　　接下來(lái)看一下臺(tái)風(fēng)，可能大家都知道廣東有很多臺(tái)風(fēng)，這次臺(tái)風(fēng)我們用了2018年9月份的臺(tái)風(fēng)，它左側(cè)是實(shí)測(cè)，右側(cè)是WRF模擬的情況，臺(tái)風(fēng)位于南雄東南方向沿海的，隨著時(shí)間的推移是往西北方向平移，低壓渦旋也是非常明顯的。

　　

　　9月17號(hào)暖心結(jié)構(gòu)已經(jīng)消失了，它的臺(tái)風(fēng)已經(jīng)登錄了，并且逐漸消散的過(guò)程，可以看到從實(shí)測(cè)對(duì)比來(lái)看WRF這次模擬還是比較準(zhǔn)確的。

　　

　　再看風(fēng)速和風(fēng)向比對(duì)，除了天氣系統(tǒng)我們常用風(fēng)速和風(fēng)向驗(yàn)證，左邊是平均風(fēng)速，右邊是平均風(fēng)向，因?yàn)槲覀冿L(fēng)電場(chǎng)有5個(gè)測(cè)風(fēng)塔，就這個(gè)來(lái)看，它的風(fēng)速和風(fēng)向趨勢(shì)都是一致的，會(huì)有一些細(xì)小差距，但是差距不是很大。

　　

　　我們知道中尺度它由于分辨率限制，它地形刻劃并不是這么準(zhǔn)確，所以我們進(jìn)近層模擬并不是很準(zhǔn)，我們通過(guò)美德最新版6.3嘗試把地形刻劃加進(jìn)去，我們采用兩種模式，第一種點(diǎn)模式，第二區(qū)域單元模式，點(diǎn)模式類似于虛擬測(cè)風(fēng)塔形式，單元模式將我們中尺度網(wǎng)格內(nèi)所有風(fēng)加速因子加權(quán)到一個(gè)風(fēng)加速因子，這次我們采用區(qū)域單元模式。

　　

　　通過(guò)與CFD結(jié)合，在五個(gè)測(cè)風(fēng)塔位置來(lái)看，與中尺度相結(jié)合不同高度，它的結(jié)果是不一樣的，五個(gè)測(cè)風(fēng)塔隨著高度一個(gè)增加，風(fēng)速是逐漸減小的，平均風(fēng)速誤差絕對(duì)值先減少，達(dá)到一個(gè)最低值，然后再增加的，尤其注意的是，這兩個(gè)1505和1507在500米情況下都還沒(méi)有達(dá)到一個(gè)最佳擬合高度，風(fēng)速跟實(shí)測(cè)風(fēng)速都還有差距，所以我們進(jìn)一步往上面進(jìn)行模擬了，這個(gè)測(cè)風(fēng)塔1507在600米左右達(dá)到了比較好的結(jié)果，它的平均風(fēng)速誤差跟實(shí)測(cè)比較接近，而1505在650米左右。

　　

　　基于剛剛計(jì)算的規(guī)律我們引入一個(gè)量叫做地形復(fù)雜度，以測(cè)風(fēng)塔為中心，在中尺度單元網(wǎng)格范圍內(nèi)采用一公里×一公里的，提取微尺度WT網(wǎng)格點(diǎn)高層一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，我們作為地形復(fù)雜度，來(lái)描述每個(gè)測(cè)風(fēng)塔位置它的地形復(fù)雜度，這張圖，橫坐標(biāo)是地形復(fù)雜度，縱坐標(biāo)是中尺度最佳的擬合高度，除了1505之外，其他四個(gè)塔都是呈線性相關(guān)的，越復(fù)雜的地形，它的最佳中尺度擬合高度應(yīng)該是越高的。

　　

　　看一下1505測(cè)風(fēng)塔為什么沒(méi)有明顯的趨勢(shì)，是因?yàn)?505測(cè)風(fēng)塔位置比較數(shù)，它處于山坡位置，并且周圍四周都是高山，它屬于洼地位置，我們分析它中尺度模擬的風(fēng)速情況不理想，所以導(dǎo)致我們需要更高的一個(gè)中尺度高度來(lái)進(jìn)行結(jié)合。

　　

　　除了不同的中尺度高度進(jìn)行結(jié)合之外，我們知道還可以通過(guò)不同的熱穩(wěn)定度，大氣穩(wěn)定度來(lái)改變我們的入口風(fēng)控線，在主風(fēng)向上，不同人穩(wěn)定下的風(fēng)加速因子的分布圖，不穩(wěn)定大氣條件下，它垂直湍流比較大，風(fēng)加速因子較小，我們可以驗(yàn)證得到，改變大氣穩(wěn)定度是可以改變?nèi)肟陲L(fēng)控線的。

　　

　　基于以上的規(guī)律做了三種測(cè)試，第一種是用大氣穩(wěn)定度時(shí)間序列進(jìn)行結(jié)合，跟中尺度WRF結(jié)合，我們根據(jù)中尺度兩個(gè)高度層一個(gè)溫度差做一個(gè)溫度梯度進(jìn)行計(jì)算大氣穩(wěn)定度的時(shí)間序列，再結(jié)合微尺度進(jìn)行模擬。第二種方法，工程上經(jīng)常用的中性大氣穩(wěn)定度做一個(gè)模擬。第三種結(jié)合二者之間，取了一個(gè)折中，分散區(qū)的大氣穩(wěn)定度，每一個(gè)散區(qū)選用分布頻率最大的那一個(gè)。理應(yīng)我們做這三種嘗試，從理論上來(lái)說(shuō)第一種，大氣穩(wěn)定度時(shí)間序列應(yīng)該是最準(zhǔn)確的，第二種才是分散區(qū)，最后才是中性，但是我們結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，它并沒(méi)有很大的趨勢(shì)，從風(fēng)速誤差和風(fēng)速相關(guān)性來(lái)看，跟我們所預(yù)想理論是有偏差的，它的相關(guān)性和誤差都是如此，沒(méi)有明確的趨勢(shì)，我們考慮它產(chǎn)生的原因，一是因?yàn)槲覀冇?jì)算大氣穩(wěn)定度是基于兩個(gè)高度層溫度，溫度來(lái)源于中尺度WRF模擬出來(lái)的一個(gè)近地層的溫度，模擬準(zhǔn)確性不高。第二點(diǎn)，參考我們國(guó)家氣象局研究院對(duì)于穩(wěn)定度頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，這個(gè)風(fēng)電場(chǎng)它是全年有55%時(shí)間是處于中性的，也有可能大部分時(shí)間是中性的，然后說(shuō)它采用不同的去測(cè)試它的變化不大，當(dāng)然這兩種都有可能，所以說(shuō)我們未來(lái)可能做的第一種多案例去驗(yàn)證，僅采用這一個(gè)項(xiàng)目肯定得不了決定性因素。第二，提出更多的大氣穩(wěn)定度的方法，我們僅采用溫度梯度去做，可能也會(huì)存在一些誤差。

　　

　　最后我們通過(guò)WRF跟CFD結(jié)合采用不同的中尺度數(shù)據(jù)高度模擬之后得到的降尺度或者平均風(fēng)速誤差都是小于2%，因此可以得到以下四點(diǎn)結(jié)論。

　　

　　第一，中尺度數(shù)據(jù)高度對(duì)于平均誤差影響是比較明顯的，而風(fēng)速相關(guān)性和風(fēng)向相關(guān)性敏感性都比較低。第二，在采用最佳中尺度高度之后微尺度降尺度后的平均風(fēng)速誤差是能夠控制在2%以內(nèi)的。第三，通常情況下中尺度最佳高度隨著地形復(fù)雜度提高而提高，呈現(xiàn)一個(gè)正相關(guān)，所以說(shuō)當(dāng)我們位置特殊的時(shí)候，最佳的中尺度高度應(yīng)該要特殊去關(guān)注，而不僅僅看我們一個(gè)地形復(fù)雜度。謝謝大家，我的分享到此結(jié)束！

　　

　　(根據(jù)速記整理，未經(jīng)本人審核)