中国典型复杂地形风能资源特性及其形成机制

为提高对复杂地形风资源特性及其形成机制的认识,改进复杂地形风场数值模拟方法,分别选取代表极大起伏山地与宽谷地形的藏南谷地、代表极大起伏山地与深谷地形的横断山区以及代表中、小起伏丘陵山地的山西高原开展风资源特性观测实验,分析不同典型复杂地形条件下天气背景风场、局地大气环流、地形动力强迫、地表摩擦与热力作用对风资源特性形成的贡献,结果表明:山西高原局地大气环流的作用较小;藏南谷地和横断山区的山谷风环流对其风能资源特性的形成起主要作用,尤其是横断山区还存在多尺度的局地大气环流,传统的风电场风资源CFD数值模拟不足以描述如此复杂的风场。因此,在局地大气环流作用明显的复杂地形地区,需要采用中尺度与CFD结合的风电场选址风资源数值模拟方法。

复杂地形对风速廓线的影响

随着风电利用的发展,越来越多的风电场建立在复杂地形的山区,为了更好地进行风能评估和风电预报,就需要了解复杂地形对风速廓线的影响。本文基于薄翼理论和湍流边界层扰动的线性化理论,采用两层模型对坡度较小的山地在其二维横截面上的风廓线进行了预测,该模型能够较为准确地预报地形、压力、稳定度对风速增速的影响,但对于三维地形或其他因素产生的风速的复杂变化,需要进一步将其扩展至三维,并结合数值模拟进行研究。

基于高密度站点的四川复杂地形下大风特征分析

基于四川省2016—2021年4—9月大风事件和闪电资料,将大风类型分为雷暴大风和一般大风,统计分析了两类大风的时空分布特征及与地形因子的关系。结果表明:四川地区两类大风均呈现高原多、盆地少的特征,大风类型普遍以一般大风为主,盆地内部分站点雷暴大风占比较高。各个分区不同类型大风发生频次均存在日变化和月变化。对于风速,盆地南部大风更强,盆地东北部和攀西地区的雷暴大风次之。对于风向,川西高原一般大风以北风和西南风为主,雷暴大风以北风为主,攀西地区和盆地不同分区的两类大风均以北风和东北风为主。大风的发生频次和风速与不同地形因子有一定的关系,不同类型大风总体变化趋势类似。发生频次均随海拔高度的增大逐渐增大,随坡度、粗糙度和起伏度的增大先增大后减小。风速随海拔高度的增大而增大,随坡度增大先增大后减小,而粗糙度和起伏度越小,平均风速和最大风速越大。

基于机载多角度InSAR技术的复杂地形高精度DEM重建方法

干涉合成孔径雷达(Interferomtric Synthetic Aperture Radar,InSAR)是全天时、全天候获取三维地表信息重要的技术手段。机载InSAR系统具有机动灵活、多角度获取数据的优势,可以高效率、高精度获取数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据。但是,在地形复杂区域,InSAR侧视成像易在地形陡峭区域形成较大范围的阴影和严重的叠掩现象,阴影和叠掩区域在SAR图像上体现为信息的丢失,从而导致DEM数据大面积无效数据的存在,严重影响DEM数据的质量及应用。针对这一问题,本文提出了基于机载多角度InSAR技术的复杂地形高精度DEM重建方法,基于考虑地形起伏的机载多角度InSAR数据获取任务规划设计,最大程度的避免阴影和叠掩导致的无效数据;基于高精度InSAR数据处理,保证每个角度DEM数据精度的高度一致性;基于快速多角度DSM数据融合与滤波处理,实现多角度InSAR体制复杂地形DEM高精度重建。本文以四川省西部山区大坡度、非连续等复杂地形为例,基于本文提出的方法,利用3个角度InSAR数据融合处理,生成了高精度DEM数据,试验结果表明,本文提出的方法获取复杂地形DEM数据高程均方根误差为0.6 m,同时,数据有效率大于99%。

复杂地形寻迹机器人变步长全局避障仿真

以往的复杂地形寻迹机器人变步长全局避障仿真方法对寻迹机器人在运行过程中的受力分析不够准确,导致避障效果不佳。因此,文章设计了复杂地形寻迹机器人变步长全局避障仿真方法。根据寻迹机器人的运动状态,构建寻迹机器人运动状态数学模型,并对其进行坐标转换,得到在复杂环境下的运动状态模型,通过构建复杂地形信息模型,分别计算寻迹机器人的斥力和引力,由此计算出对应的合力和运动方向,设计寻迹机器人的避障路径,通过调整寻迹机器人的步长和转向角度,实现对寻迹机器人变步长的全局避障。通过上述设计,完成对复杂地形寻迹机器人变步长全局避障仿真方法的设计。在仿真实验中,和以往的复杂地形寻迹机器人变步长全局避障仿真方法相比,设计的复杂地形寻迹机器人变步长全局避障仿真方法在实际应用中避障成功率更高,避障效果更好。

复杂地形下光伏电站集电线路的优化设计与施工研究

本文旨在研究复杂地形下光伏电站集电线路的优化设计与施工方法,以提高线路的整体性能。因此,本文采用理论和实践相结合的方法,分析了复杂地形对集电线路设计的影响,探讨了优化设计与施工的方法,提出相关优化设计与施工方案,确保复杂地形下光伏电站集电线路的安全运行。经过实践证明,通过优化光伏电站机电线路,能有效控制电路运行的稳定性,降低施工成本。

复杂地形下轮腿复合机动平台动态运动控制

复杂地形环境下质心参考轨迹的动态精确跟踪是保障轮腿复合机动平台稳定执行各项任务的关键。为提升平台的地形适应能力与位姿跟踪能力,提出一种动态运动控制策略。综合地形因素,建立包含车轮动力学的单刚体动力学模型,并通过近似简化将系统动力学模型转化为状态空间方程的标准形式。考虑车轮与腿部耦合运动,提出一种基于前馈力矩与反馈力矩的混合运动控制方法。通过二次规划算法求解最优地面反作用力,利用雅克比矩阵将作用力映射至关节以获取前馈力矩。为避免由环境引起的外部扰动造成系统无法在较短时间内完成优化计算,引入关节力矩反馈控制及时修正位姿跟踪误差,使系统能够快速准确地响应外部扰动,有效提高系统的鲁棒性和稳定性。仿真结果表明,新方法可有效提升平台在复杂地形下位姿动态跟踪精度,保障平台平稳运行,为复杂地形下轮腿复合机动平台的工程应用提供有力支撑。

考虑大气稳定度的典型复杂地形风场CFD模式

为评估中国典型复杂山地风资源,实现风资源的高效利用,结合雷诺时均的k-ε两方程模型、大气粗糙度壁面函数和热浮力作用,提出能模拟不稳定、中性和稳定状态复杂地形风场特性的大气CFD模式,并针对湍流参数、大气粗糙度对风速廓线的影响进行参数化研究。采用两种方式驱动CFD模式:一种是通过来流上游的实测风速廓线驱动CFD模式,一种是通过WRF模式输出风速廓线和温度廓线驱动CFD模式。利用山西神池南桦山丘陵山地测风数据进行大气CFD模式验证,通过WRF-CFD耦合仿真研究山地公里级范围热浮力作用对风场的影响,详细对比不同热浮力作用下的大气CFD模式仿真精度。结果表明大气CFD模式能准确地模拟不同稳定度状态下的山区大气风环境,但对于不稳定状态下山后风场的模拟能力稍差。

复杂地形条件下充填工艺研究及应用

在构建高效绿色环境友好型矿山指导思想下,全尾砂胶结充填采矿法因其具备处理尾砂及控制围岩变形、降低开采对地表环境影响的优点,成为了矿山安全、高效、绿色开采的关键支撑技术,得到了全面的推广应用。在矿山应用过程中,尾砂料浆多采用管道运输,而在以陡峭山谷为主的复杂地形条件下,特别是长距离、大落差、反坡输送过程中,极易出现堵管、爆管,甚至损坏输送泵等问题,成为了限制大规模充填的瓶颈问题。本文以武里蒂卡金矿为例,在开展系统性试验研究获取完整充填试验数据的基础上,结合矿山总图布置特点、地形条件及采空区空间相对区域位置等因素,进行尾砂输送方案对比优选,首次提出适应大落差山地条件的压滤尾砂缆车运输再造浆充填工艺方案,并在现场成功实施和运行。矿山生产运行情况表明:单套充填系统即可满足矿山3 000 t/d的生产需求,充填料浆似膏体态,系统运行稳定,配比参数精准,充填质量有保障。压滤尾砂缆车运输再造浆工艺方案具有流程短、占地少、效率高、运行经济可靠等优点,在大落差山地条件下该充填工艺能够实现充填物料高效运输、制备及低成本充填,具有较好的推广应用意义。

复杂地形下仿生轮腿式机器人位姿控制研究

丘陵山地地势复杂、地形多变,农机装备作业环境以倾斜角度较大的斜坡为主,传统农机装备在丘陵山区复杂地形下作业时效率低、稳定性差,甚至会出现侧倾、翻车等现象。本文从仿生机械设计角度出发,提出一种在丘陵山地复杂地形下能够自主实现位姿调平控制的轮腿式机器人平台,提升复杂地形下的作业稳定性和安全性。以昆虫后足为仿生机械设计对象,并结合多连杆机构原理,完成新型变行程轮腿机构及机器人平台的整体架构设计。采用D-H参数法分析了轮腿机构运动学特性,结果显示轮腿式机器人离地间隙最大调整量为574mm,具备较强的越障能力。在空间坐标系上定义轮腿式机器人空间姿态参数,推导得到机身姿态角与轮腿伸缩量之间的空间姿态模型,并设计了基于NSGA-Ⅱ的机身空间姿态逆解算法。基于空间姿态逆解算法构建了轮腿式机器人全向位姿调平位姿控制系统,包含机身调平控制器、“虚腿”补偿控制器和质心高度控制器,在复杂地形下行驶时能够控制轮腿式机器人俯仰角、侧倾角、接地力、质心高度等空间姿态参数,然后通过搭建的轮腿式机器人ADAMS-Matlab联合仿真模型完成了位姿控制系统算法仿真验证。在机器人样机上开展了离地间隙自动调整和机身全向位姿调平试验,试验结果表明,试验样机离地间隙最大调整量为574mm,同时在复杂地形下能够实现机身位姿全向自动调平,调平平均时间约为1.2s,调平平均误差为0.8°,位姿控制响应速度与调平精度能够满足实际工作要求。

长距离复杂地形架空输电线路无人机载雷达巡检技术研究

架空输电线路是电力系统中重要的输电通道。长距离复杂地形的架空输电线路具有较大的安全风险,受到地理条件、气候等因素的限制,无法全面、准确地检测输电线路的潜在问题。为此,提出长距离复杂地形架空输电线路无人机载雷达巡检技术。结合无人机载激光雷达系统原理和不同作业场景需求,采集并预处理点云数据,进行数据融合和分类,完成数据融合解算,生成电力专业报告,实现输电线路巡检。实际应用案例展示了本文技术能够有效提高项目作业效率,且数据成果质量好、精度高,满足项目需求,充分体现了无人机载激光雷达技术在架空输电线路巡检应用中的优越性。

平衡大气边界层理论在复杂地形风场模拟中的应用

针对大气边界层数值模拟时入口湍动能及耗散率在下游持续衰减的问题,基于标准k-ε模型及其改进模型研究不同湍流黏性更新方法对平衡大气边界层自保持性的影响,然后采用平衡大气边界层自保持性方法结合建筑绕流影响区(BIA)问题解决方法对Askervein山绕流问题进行模拟研究,最后基于数值模拟结果,分析复杂地形绕流对风力机选址的影响。结果表明,选择合适的湍流黏性更新方法、粗糙度处理方法、湍动能和耗散率方程源项可使出口处的流动参数与入口处给定初值保持较高的一致性;BIA问题解决方法的引入可进一步提高复杂地形绕流模拟精度;风力机宜安装在山顶,避开湍流度较大的山体背风区,山后风力机的排布应结合山顶风力机尾流和山体影响区域综合考量。

复杂地形地质条件下地震动放大系数研究进展

地震动放大系数是评估地震波在地表传播时放大效应的关键参数,复杂地形(如山脊、河谷、盆地、组合地形等)和复杂地质(如岩土特性、层理结构、发震断层、地下水位等)对地震动具有显著的放大作用,这对工程结构的稳定性和安全性构成了挑战。对当前复杂地形地质条件下地震动放大效应及放大系数取值的研究进展进行了综述,分析了地形、地质特征对地震动放大效应的影响,探讨了地震动放大系数的取值范围。在此基础上,探讨了现有研究及规范地震动放大系数取值的有关问题,为地震灾害的预防及应对提供了参考。

新源县复杂地形下风电场的风场结构特征分析

利用新源县风电场周边气象站及测风塔观测资料、ERA5-Land再分析资料和数值模拟结果,分析了新源县风电场的风场结构特征。结果表明:(1)风电场周边气象站的逐小时10 m风速均呈现出早晚偏低、中午偏高的变化规律,且风向以东风和南风为主。测风塔的观测风向以南风和北风为主,随高度升高,南风呈现向西南偏转的趋势。(2)ERA5-Land资料与观测资料存在较大差异,不能很好地再现研究区域风场变化。(3)2022年7月23—24日风场的数值模拟结果与观测风场有较好的一致性,且模拟风场呈现出显著的山谷风特征。其中,研究区域夜间的风向以东南风为主,白天以东北风为主,傍晚以西北风为主。

复杂地形风电场微观选址的GA-PSO混合算法研究

提出一种结合改进遗传算法(GA)和粒子群算法(PSO)的GA-PSO混合算法对复杂地形的风力机排布方案进行优化。以湖南省某实际复杂地形为对象,开展风场全风向数值模拟,结合长期观测风资料评估区域的潜在风能分布,提出考虑网格预处理、时变变异率、唯一化和并行化的改进GA(IGA)对风力机排布方案进行优化,在此基础上利用PSO算法进行进一步优化,并针对尾流模型和目标函数对优化结果的影响进行不确定性分析。结果表明,在复杂地形风电场微观选址方面,所提GA-PSO算法比贪婪算法、GA、IGA分别改善16.4%、12.9%和5.1%。

基于CALMET-WRF耦合的复杂地形下导线覆冰的精细化数值模拟研究

利用耦合了WRF模式的CALMET模型,对2022年1月5—10日山西省南部中条山区导线覆冰事件的天气背景场进行了数值模拟,在评估了WRF和CALMET对气象要素的模拟效果的基础上,分别利用WRF和CALMET模拟的气象场驱动Makkonen覆冰模型,对本次导线覆冰过程进行了数值模拟,得到了如下结论:1)相比于WRF模式的模拟结果,CALMET降尺度后的气象场能更符合实际地形影响下近地面温度场和风场的分布规律,其模拟的近地面低温区(气温<0℃)范围较WRF模拟范围更大。2)CALMET的气温均方根误差整体较WRF模式减小0.5~1℃,相关系数由0.5~0.8提升至0.6~0.85;风速的均方根误差较WRF减少了1 m/s,相关系数较WRF提升0.2,说明WRF模式结合CALMET模拟气象场更加接近真实观测结果。3)利用CALMET降尺度场驱动覆冰模型能较好地反映微尺度地形下电线积冰的时空分布特征,各杆塔模拟的覆冰厚度偏差较WRF显著减小了2 mm,且降低了模式对覆冰启动的滞后时间。

一种复杂地形场景点云的WOA-CSF自适应性滤波方法

为解决布料模拟滤波算法(CSF)自适应性不高的问题,提出了一种基于鲸鱼优化算法(WOA)和自适应参数调整的改进CSF算法(WOA-CSF)。本文首先构造以误分类点云误差率最小为标准的适应度评价函数,然后采用WOA算法对CSF算法的四个参数进行自适应寻优,构建了WOA-CSF滤波算法,最后开展了WOA-CSF算法与CSF算法滤波实验的对比研究。实验结果表明:WOA-CSF算法在城市、乡镇、村庄和山区等四种复杂环境下平均Kappa系数从68.33%提升到81.54%,平均总误差率从10.54%下降到6.62%,平均I类误差率从25.87%下降到6.77%,在复杂场景下较好地滤除非地面点的同时,又极大程度上保留了地形特征。

一次复杂地形下边界层抬升型暖区暴雨对流触发条件和可预报性的数值研究

长江中下游地区的暖区暴雨过程易受复杂下垫面强迫的影响,具有较大的预报不确定性,尤其是其中的对流触发过程。为探讨此类过程的触发条件及揭示其可预报性受限制程度,本文针对2020年6月23日一次复杂地形包裹下的长江中下游暖区暴雨展开高分辨率的数值模拟和对流尺度集合模拟,通过Lagrange气块后向轨迹分析、去除地形和关闭热效应的敏感性试验以及集合敏感性分析等方法对此次过程的对流触发阶段展开分析。结果表明,此次过程被抬升气块的主要源地为1.5 km以下的边界层,仙霞岭和杉岭在正午时分因热力作用而驱动的出谷风是引发局地辐合抬升的动力源,高低层散度、湿位涡的垂直配置以及偶极型位涡异常对此次对流触发过程具有较好的指示意义。此外,该过程对前期近地面2 m高度处温度和模式底层视热源具有较高的敏感性,该结果证实下垫面强迫的精确刻画对于提升暖区暴雨的预报效果至关重要。逐步减小初始场误差的初值敏感性试验进一步表明,此次暖区对流过程的可预报性显著低于北边的锋面过程,表现为锋面对流的偏差总能量能随初始误差的缩小持续性降低,而暖区对流的偏差总能量曲线则仍能增长至与原水平相近,呈现出非线性辐合收缩特征。因此,对于天气尺度强迫显著的锋面对流,或可优先考虑通过加强资料同化能力等手段降低初始场误差来减小预报误差;但对于复杂地形下的暖区暴雨对流触发过程,则需要更加强调通过集合预报来捕捉其不确定性。

复杂地形条件下CO_(2)泄漏扩散规律研究

随着“双碳”目标的提出,CO_(2)驱油技术在我国油田得到快速发展,应用前景巨大。然而,在油田复杂地形条件下CO_(2)泄漏风险更大,容易造成人员窒息。为有效控制CO_(2)驱油工艺过程中的CO_(2)泄漏扩散危害,需研究复杂地形条件下CO_(2)泄漏扩散规律。结合某油田CO_(2)驱油现场地形实际情况,开展了全尺寸CO_(2)泄漏扩散试验研究,分析了不同条件下的CO_(2)体积分数分布规律。结果表明:在不同泄漏情形下,CO_(2)时均体积分数由近及远均满足指数分布规律,阶梯地形条件下体积分数1%CO_(2)的影响范围约为65 m,比水泥平坦地形下远54.8%;此外,随泄漏时间延长,温度逐渐降低,整体呈现距离泄漏口越近,温度下降速率越快的特征,平均温度梯度约为0.39℃/m。因此,在阶梯形地形条件下应加密CO_(2)体积分数监测布点,在近场区域人员应佩戴防冻劳保用品。

复杂地形区植被覆盖度遥感精细估算方法——以青藏高原山地区为例

植被覆盖度(FVC)是刻画地表植被覆盖的重要参数,是生态监测的重要指标。遥感已成为区域尺度FVC估算的主要技术手段,但受限于地形所导致的太阳辐射变化及遥感像元内部较强的异质性和复杂性,复杂地形区的FVC遥感估算精度仍有很大提升空间。研究利用随机森林回归模型,发展了一种综合遥感地表反射率、地形特征和观测几何信息的复杂地形区FVC遥感精细估算方法(SRTVG)。选择青藏高原祁连山区、黄河源区和横断山区为测试区,利用Sentinel-2影像对新方法进行了应用,并利用基于无人机影像获取的FVC数据和现有FVC遥感产品对新方法进行了评估。加入地形特征与观测几何信息后,新方法估算FVC的R2为0.89,均方根误差(RMSE)为0.13;相较于未加入地形特征与观测几何信息,新方法估算FVC的RMSE降低了19.26%—28.02%;相较于已有的MultiVI FVC产品和GEOV3 FVC产品,新方法估算FVC的RMSE分别降低了40.91%和16.67%。新发展的SRTVG方法提高了复杂地形区的植被覆盖度遥感估算精度,丰富了植被覆盖度遥感估算的技术方法体系。