小型风力发电系统模拟风场试验台的研制

随着常规能源的日益缺乏、开发成本的增加以及污染的加剧,越来越多的国家认识到开发清洁能源的重要。近年来,新能源尤其是风力发电得到了突飞猛进的发展,相关专业的人才需求日益增加。针对风力发电相关专业人才培养的需要,研制出了基于小型风力发电机模拟风场试验平台,并对该试验台的设计思路、研究方法、技术路线进行阐述。

谱表示法模拟风场的误差分析

研究了原型谱表示法模拟的非各态历经性多变量风场的统计矩的时域估计值和目标值之间误差的概率描述。基于原型谱表示法的模拟公式,以三变量风场为例,导出了模拟结果的均值、相关函数、功率谱密度函数和根方差等四项统计特征的单样本时域估计表达式,它们是随机变量或随机过程。运用概率论的计算方法,推导出了上述随机变量或过程的前二阶矩的解析表达式,得到了模拟风场的统计特征时域估计的偏度误差和随机误差。将三变量过程的结果加以推广,给出了误差计算的通式。通过算例中统计误差值和理论误差值的对比,验证解析解的正确性。探讨了可能的降低随机误差的方法。求得的误差闭合解将有利于结合误差传播理论进行可靠性分析。

基于本征正交分解的谱表示法模拟风场的误差

推导了本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)型谱表示法模拟所得平稳正态脉动风场的偏度误差和随机误差。从POD型谱表示法的模拟公式出发,推导了N变量风场模拟结果序列的样本均值、相关函数、功率谱函数和根方差等前二阶矩统计特征的时域估计表达式;并证明了时域估计相关函数是正态过程,功率谱函数为非正态随机过程。进一步,计算上述样本时域估计二阶矩特征的均值和根方差,即得到了POD型谱表示法模拟所得风场的各统计量时域估计的偏度误差和随机误差,并以此给出了误差计算的通式。算例中统计误差和理论误差值的对比验证了所推导的解析解。

两类谱表示法模拟风场误差对比分析

对原型和POD型谱表示法模拟多变量正态风场时的随机误差进行了对比分析。给出了原型、POD型谱表示法的风场模拟标准算法,以及使用这套标准算法模拟风场时所产生随机误差的解析计算公式。基于此解析解,以总体随机误差和根方差相对随机误差为标准,比较了两类谱表示法在模拟一个64点简单风场时的随机误差。数值分析结果表明:相对于原型谱表示法,POD型谱表示法的模拟随机误差较小而且空间分布更加均匀,模拟时应优先选用。此外,还研究了频率采样点数对误差的影响;给出了控制模拟随机误差的方法。

基于计算机模拟风场的建筑形体自生成——以广州科学馆设计为例

结合广州科技馆设计竞赛的研究与实验,提出用遗传算法筛选风场模拟的结果,以期在具体的建筑方案设计中,实现计算机算法在建筑方案设计中的应用。

WRF模式中参数化方案对新疆北部不同地形地区风场模拟的影响

WRF(weather research and forecasting)模式中参数化方案的选择与近地面风场的仿真模拟结果关系密切。为解决新疆北部不同地形地区风场模拟准确性的问题,采用WRF中尺度气象模式,探究4类参数化方案(边界层、微物理、陆面过程、近地面层)以及次网格地形方案对新疆北部不同地形地区风场模拟结果的影响。结果表明:每组试验均能模拟出风速的变化趋势;陆面过程RUC(rapid update cycle)方案和微物理Lin(Purdue Lin)方案对平原地区模拟结果较好,陆面过程Noah方案和微物理WSM6(WRF single moment 6 class)方案对山区地形模拟结果较好,且对于平原和山谷地形,次网格地形方案对模拟地区均能起到较好的修正作用。

基于WRF-LES的崇礼复杂地形局地风场模拟研究

采用四重嵌套的WRF-LES,针对2022年北京冬奥会张家口崇礼赛区开展局地风场模拟试验,基于地面自动气象站和激光雷达观测资料,对一次晴空高压系统控制下的具有明显局地风环流特征的天气个例模拟结果进行检验评估。文中引入了STRM130 m地形数据、glc201527 m土地利用数据和CL‐DAS的土壤湿度数据用以提高模拟结果的准确性,并设计了敏感性试验来探讨不同资料对模拟结果的影响。结果表明:(1)WRF-LES能够呈现出复杂地形下局地风场的时空变化特征,各站风向绝对误差在10°~60°,风速绝对误差在0.5~2 m·s^(-1)。在山谷和山沟区域,模拟风场和观测风场都表现出明显的日变化特征,海拔较高站点的误差比海拔相对较低站点的误差更小。海拔较低站点在山谷风或上下坡风发展稳定时段风向误差较小,风向转换时段误差较大。(2)更新地形、土地利用以及CLDAS土壤湿度初始场对模拟结果都有一定程度改善。其中更新CLDAS土壤湿度初始场对风向和2 m气温的改善效果最为明显,风向绝对误差减小4.26°,2 m气温绝对误差减小0.84℃。更新土地利用对风速的改善效果最明显,风速绝对误差减小0.32 m·s^(-1)。(3)CLDAS土壤湿度较ERA5的土壤湿度明显偏小,较小的土壤湿度会使土壤具有低传导率或低热容量,这种状态会导致地表温度在白天的升温幅度和夜间的降温幅度都增大,较强的白天增温垂直高度可延伸至700~900 m,较强的夜间降温垂直高度在200 m以下,与此同时,较小土壤湿度也会使白天低层风速增大,这些特征在山谷和山沟中更为明显。

基于WRF模式的台风“莫兰蒂”地面风场模拟方案对比

利用中尺度气象研究与预报(Weather Research and Forecasting, WRF)模式结合30m分辨率数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)数据进行地形改进,模拟2016年第14号台风“莫兰蒂”10m高水平风场,选择相关系数、准确率和认同指数3个统计参数,对嵌套3km、无嵌套5km和无嵌套3km三种方案的模拟结果进行比较,评估各测风站位置10min间隔模拟风速序列与实测风速资料之间的误差。结果表明,三种模拟方案的台风路径移动方向及移动速度均与实况相近,无嵌套3km方案模拟的台风路径整体偏移最小;模拟风速与极大风速最为接近,且无嵌套3km模拟方案模拟风速明显优于其他两个方案;三种方案在台风中心登陆位置的相关系数、模拟准确率都高于0.7,无嵌套3km认同指数达到0.84,准确率为87.57%,沿海地区优于内陆地区。因此,无嵌套3km方案可以作为一种基于风险模拟构建的精细化台风风场数据的方法。

脉动风场模拟技术的研究与进展

通过对脉动风场模拟技术近20年来国内外研究成果的总结,阐述了脉动风场模拟研究的发展历程。首先简要介绍了近地风场的特性和脉动风场模拟技术的研究现状,然后从脉动风场模拟技术的研究方法出发,分别介绍了谐波合成法、线性滤波法和小波方法在风场模拟技术中的研究发展现状和所面临的问题,最后对风场模拟技术的未来趋势进行了展望。

SRTM数字高程模型在MM5风场模拟中的应用

出于提高基于数值模拟的风资源评估精度的目的,本文对NASA发布的3秒分辨率(90m)SRTM(shuttleradar topography mission,航天飞机雷达地形测绘任务)数据,根据SRTM缺测区域的特点利用直接赋值和双线性多项式内插结合的方法进行填补,并将填补后的SRTM数据作为下垫面的地形高度资料,引入中尺度大气模式MM5中,以研究可提高模拟精度的方法。本文以广东省以及邻近省份地区和近海海域为例,模拟了2002年4月和11月各两天的4个嵌套区域(分别为27km9、km、3km和1km分辨率)的逐时风场,通过与利用USGS地形数据的对比试验,分析了SRTM对近地层风场模拟结果的影响。试验结果表明:与USGS地形数据相比,SRTM数据更接近于真实地形。MM5模式引入SRTM数据后,模拟精度有所提高。地形的变化对风向影响比较明显,但地形的变化引起单点风速的变化情况及其原因比较复杂,有待于进一步研究。

抛送式秸秆粉碎还田机风场模拟

对抛送式秸秆粉碎还田机进行三维建模,应用CFD技术对其风场进行了模拟研究。采用湍流模型和SIMPLE算法进行求解,通过对速度分布场分析,初步得出了甩刀刀柄迎风面积、留茬高度、刀尖间隙、前(后)风口高度、侧面间隙等因素对风场影响的基本规律。

实际地形风场CFD模拟中粗糙度的影响分析

以苏格兰Askervein小山为例,基于Fluent流体计算平台,结合NURBS地形建模方法,模拟了实际地形下的风场分布。分别在粗糙度长度为0～0.05m的情况下进行CFD风场模拟试验。与实测的风速加速比进行比较,发现模拟所得的风速加速比均方根误差在迎风面保持在6%以内,而背风面最大为26.56%,表明粗糙度条件对CFD风场模拟结果有较大影响。实现了用于CFD风场模拟的下垫面粗糙度精细化方法。在迎风坡和背风坡设置不同粗糙度长度的情况下,风速加速比均方根误差减小为7.42%,模拟结果在背风坡区域有明显改善。最后指出,在进行复杂地形风场CFD数值模拟时,有必要进行粗糙度条件的精细化设置。

下击暴流空间相关性风场模拟

考虑时间衰减性研究了下击暴流平均风速与空间观测点位置的关系,并给出了空间中四个点的平均风速随时间的分布情况。在确定性-随机性混合模型的基础上,利用Wood竖向风剖面模型和Holmes水平径向风剖面模型模拟出空间七点处的平均风速,并采用AR模型生成具有时间相关性和空间相关性的脉动风速,从而获得下击暴流空间相关性风场。通过脉动风相关函数及功率谱的对比表明,该方法具有较高的精度。

1000kV汉江大跨越输电塔线体系三维脉动风场模拟

对1000kV汉江大跨越输电塔线体系进行风振响应分析,有必要考虑不同方向的随机脉动风速对体系产生的整体作用。谐波合成法是一种精度较高且无条件稳定的随机过程模拟方法,在单维多变量随机风场合成方法的基础上,引入了纵向与竖向脉动风速的交叉谱的影响。经过对模拟样本的谱密度函数、相关函数检验验证,该方法能准确有效地模拟出符合要求的多维多变量随机样本。为汉江大跨越输电塔线体系的三维风振响应分析提供基础。

基于小波分析的空间相关性风场模拟

根据标量过程AR模型生成空间相关性风场的思路,在文献[1,2]的基础上,进行了基于小波分析的空间相关性风场的模拟。在对风速时程做出合理的假定后,给出了由互不相关的随机过程生成具有给定相关特性随机过程的推导步骤。利用逆快速Fourier变换(IFFT)改进了通过Wiener—Khintchine公式由功率谱密度函数得到自相关函数的计算方法,使计算效率显著提高。对空间四点和大庆电视塔进行了空间相关性风场的模拟,通过统计参数与目标值的对比可以看出,本文方法具有较高的精度。

大跨度桥梁风场模拟及气动力计算

介绍了一种快速高效的用于大跨度桥梁风致振动分析的风场模拟方法，并对模拟风场的统计性质进行了讨论和验证在此基础上进一步给出了大跨度桥梁抖振力和自激力的时域表达方式，其中针对自激力计算中涉及的参数识别问题，提出了一种简单实用的非线性参数识别方法．本文采用上述理论，获得了作用于香港汀九大桥上的风场和气动力，据此对大桥进行的抖振响应时域分析表明，计算结果与风洞试验结果吻合良好。

基于风场模拟的高铁接触网动态性能分析

风场是影响高铁接触网动态性能的重要因素之一。本文分别使用谐波合成法、自回归模型法、小波重构法和随机傅里叶谱法进行了脉动风速时程的模拟,并进行对比。通过建立高速铁路弓网模型,将生成的风速时程数据加入模型,仿真风场影响接触网受流的主要参数,分析接触网的水平和垂直位移、弓网接触压力等动态性能的影响。其结论为:接触线在水平风力作用下主要在跨中点一侧做水平摆动和垂直振动,跨中点处的摆动幅值明显较大;当列车速度给定时,弓网接触压力随风速的增大而绕一固定的接触压力均值波动,偏移均值的程度变大。

基于多维AR模型的桥梁随机风场模拟

基于自然风特性,通过考虑结构节点间风速时程的空间相关性,采用多维AR模型模拟主梁和桥墩节点随机脉动风速时程,利用FPE准则和AIC准则确定模型阶数,并对模拟过程中的自回归顺序、功率谱密度等问题进行研究。对兰新二线铁路白杨河大桥采用多维AR模型模拟各节点的脉动风速时程,结果表明:当AR模型阶数为4时,模拟功率谱与目标功率谱吻合较好;当自回归顺序颠倒时,模拟功率谱明显偏离目标功率谱。

风场模拟中AR模型的若干问题

自回归(AR)模型具有计算量小,模拟速度快等优良特性,在风场模拟中得到了广泛应用。本文对AR模型进行了系统的研究,将脉动风场模拟中广泛应用的AR模型归为两大类,对模型中的参数从理论上进行了合理的解释。对两种模型模拟脉动风场时涉及到的Wiener-Khintchine公式的变换形式,通过分析对其进行了修正,指出算法上可以采用FFT技术来计算互相关矩阵的元素以提高计算效率。提出了AR模型编程中偶然发现的自回归顺序问题,算例表明两种不同方法的风速时程样本及其无偏自相关估计和自功率谱估计均有较大的影响,希望能引起更多同行对该问题的注意。尽管标量过程AR模型简单且易于掌握,但不能考虑时滞问题。相比之下,理论分析和数值实验都证明,向量过程的AR模型在精度总体要高于标量过程的AR模型,但其运算时间也相应增多。

海上风力机随机风场模拟及风振响应分析

为研究海上风力机的风振特性,进行风力发电塔-轮系统的随机风场模拟和风振动力响应计算。采用谐波叠加法模拟塔架和风轮的来流风速时程,进而基于改进的叶素-动量理论(MBEM)模拟考虑风轮和塔架相干效应、风轮旋转效应的风轮脉动风速时程。结合已提出的柔性结构风振精细化频域计算方法"一致耦合法",对海上风力发电系统结构进行风振动力响应和风振系数计算。研究结果表明:海上风力发电塔-轮系统的风振动力响应以共振效应为主,但背景响应和耦合项不能忽略,风振呈现多模态耦合和多振型响应2个显著特征;系统风振系数的分布差异较大,其中风轮尖部最大(2.35),塔架中下部位最小(1.40)。