Meteodyn WT軟件的大氣熱穩(wěn)定度影響研究

袁紅亮，王 炎，陳 彬，宋俊博

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

在碳達峰碳中和的背景下，風(fēng)電作為新能源產(chǎn)業(yè)中的重要一環(huán)，對實現(xiàn)“30·60”戰(zhàn)略目標(biāo)將發(fā)揮重要的作用。風(fēng)能資源評估在風(fēng)電開發(fā)過程中起著關(guān)鍵的作用，隨著風(fēng)電開發(fā)建設(shè)的進度逐漸加快，各種風(fēng)能資源評估軟件應(yīng)運而生，軟件根據(jù)用戶輸入的地形、大氣熱穩(wěn)定度、粗糙度等參數(shù)進行邊界條件的生成，繼而進行風(fēng)電場流場模擬[1]。其中，大氣熱穩(wěn)定度在風(fēng)能資源評估中是非常重要的參數(shù)，不同的大氣熱穩(wěn)定度代表不同的大氣層結(jié)特性，其取值不同會導(dǎo)致不同的流場模擬結(jié)果，繼而影響風(fēng)能資源評估的準(zhǔn)確性。為了研究大氣熱穩(wěn)定度對風(fēng)能資源評估的影響，多位學(xué)者對其進行了相關(guān)研究。Gualtieri詳細分析了荷蘭Cabauw地區(qū)10、20、40、80 m測風(fēng)塔的大氣熱穩(wěn)定性與風(fēng)切變指數(shù)的時間變化關(guān)系[2]。研究發(fā)現(xiàn)，相對于對數(shù)定律，冪定在不穩(wěn)定和中性層結(jié)條件下給出更接近實際的風(fēng)廓線[3-5]。然而，目前基于Meteodyn WT軟件進行大氣熱穩(wěn)定度的設(shè)置及其影響研究較少。在實際工程計算中，風(fēng)電場大氣熱穩(wěn)定度應(yīng)根據(jù)工程實際情況進行取值。一般情況下，工程師都采用軟件默認的值，這種大氣熱穩(wěn)定度取值方法雖然簡便，但無法反映場風(fēng)電工程的真實情況，也無法保證計算的精確性。

本文以某風(fēng)電場工程為例，研究Meteodyn WT軟件中不同大氣熱穩(wěn)定度取值對風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)及風(fēng)廓線的影響，提出大氣熱穩(wěn)定度取值的相關(guān)方法及建議，為風(fēng)電工程中合理地對大氣熱穩(wěn)定度進行取值提供參考。

1 Meteodyn WT軟件和大氣熱穩(wěn)定度簡介

Meteodyn WT軟件是法國美迪公司專門為解決大氣邊界層問題而設(shè)計的軟件，采用計算流體力學(xué)的方法(CFD)進行空間風(fēng)流模擬，在限定邊界條件下，數(shù)值求解三維雷諾平均納維—斯托克斯(RANS)方程，并應(yīng)用適合的湍流模型對目標(biāo)區(qū)域的風(fēng)流特性參數(shù)進行求解計算[6-7]，得到整個場區(qū)的風(fēng)流情況，可用于風(fēng)能資源評估與發(fā)電量計算。該軟件減少了復(fù)雜地形條件下計算的不確定性，因此對于復(fù)雜地形風(fēng)電場的風(fēng)能資源評估具有較好的適用性[8]，同時也適用于平坦地形風(fēng)電場。

Meteodyn WT軟件中的大氣熱穩(wěn)定度通過Obukhov長度來定義，該長度可以反映機械性湍流與熱力效應(yīng)產(chǎn)生的浮力湍流之間的相對主導(dǎo)性。Meteodyn WT軟件的CFD計算中共有 10 個不同的大氣熱穩(wěn)定度等級可以選擇。大氣熱穩(wěn)定度等級從 0(非常不穩(wěn)定)至 9(強穩(wěn)定)穩(wěn)定度逐漸提高。表1列出了不同熱穩(wěn)定度等級下對應(yīng)的 Obukhov 長度。

Meteodyn WT軟件中大氣熱穩(wěn)定度對入口風(fēng)廓線的影響見圖1 。從圖1中可以看出，大氣越穩(wěn)定，入口風(fēng)切變越大；同時場區(qū)內(nèi)的風(fēng)切變也越大。

圖1 不同的熱穩(wěn)定度條件下的入口風(fēng)廓線

2 算例概況

本文選取的某風(fēng)電場為我國中原地區(qū)平坦風(fēng)電場，地表主要為農(nóng)田和村莊。風(fēng)電場內(nèi)共有3座測風(fēng)塔，分別為01、02、03號。3座測風(fēng)塔高度均為100 m高，風(fēng)速觀測高度均為100(1)、100(2)、80、60、40、10 m，風(fēng)向觀測高度均為100、80、10 m。風(fēng)電場的主風(fēng)向以北風(fēng)、南風(fēng)和南西南風(fēng)為主。測風(fēng)塔位置如圖2所示。

圖2 某風(fēng)電場測風(fēng)塔位置

為了比較不同大氣熱穩(wěn)定度取值下測風(fēng)塔互相推算模擬的準(zhǔn)確性，本文選取3座測風(fēng)塔同期時段為2016年1月1日至2016年12月31日的100 m高度測風(fēng)數(shù)據(jù)。

3 計算方案

選用實測1∶2000 數(shù)字化地形圖，通過 Meteodyn WT 軟件對真實地形建模。在3座測風(fēng)塔代表年實測數(shù)據(jù)、功率曲線、粗糙度等其它輸入?yún)?shù)確定的前提下，大氣熱穩(wěn)定度是影響風(fēng)能資源評估的關(guān)鍵因素。本文研究方法是在保證其它參數(shù)一致的情況下，改變Meteodyn WT軟件中大氣熱穩(wěn)定度的取值，以此分析大氣熱穩(wěn)定度對風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)及風(fēng)廓線的影響。具體步奏如下：

第1步,初始建模。根據(jù)實測測風(fēng)數(shù)據(jù)和場區(qū)實測1∶2000地形圖，利用 Meteodyn WT 軟件模擬場區(qū)內(nèi)的風(fēng)能資源分布情況。初始模型定向計算相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：最小水平分辨率為60 m，最小垂直分辨率為5 m，熱穩(wěn)定度等級初步選擇2(中性)，粗糙度直接引用Meteodyn WT軟件內(nèi)置的地理信息數(shù)據(jù)庫，風(fēng)向扇區(qū)間隔為 22.5°。按照上述參數(shù)設(shè)置進行CFD定向計算直至收斂。

第2步，模型檢驗。采用03號測風(fēng)塔作為參考塔對初始模型進行檢驗。根據(jù)03號測風(fēng)塔數(shù)據(jù)進行綜合計算，將Meteodyn WT 綜合計算結(jié)果發(fā)送至 Windographer FMV，對03號測風(fēng)塔位置處的模擬風(fēng)廓線和實測風(fēng)廓線進行對比分析，以檢驗初始模型對實際風(fēng)場的擬合是否符合。初始建模得到的參考塔模擬風(fēng)廓線與實測風(fēng)廓線的對比見圖3?？梢钥闯觯L(fēng)廓線模擬效果并不好。另外，根據(jù)參考塔全風(fēng)向平均實測風(fēng)切變指數(shù)為0.362，而初始模型模擬的全風(fēng)向平均風(fēng)切變指數(shù)為0.160，該初始模型經(jīng)檢驗明顯與實際風(fēng)場有較大偏差。

圖3 初始模型中 03號模擬風(fēng)廓線與實測風(fēng)廓線對比大氣熱穩(wěn)定度

第3步，模型校正。針對初始模型與實際風(fēng)場不符的情況，可以考慮調(diào)整的影響風(fēng)廓線及風(fēng)切變的參數(shù)有：地形精度、地表粗糙度、森林模型、大氣熱穩(wěn)定度。本文在保證地形精度、地表粗糙度、森林模型等其它參數(shù)與風(fēng)場實際相符的條件下，只調(diào)整大氣熱穩(wěn)定度的取值，以此分析大氣熱穩(wěn)定度的影響。

在此提出風(fēng)切變校正法對大氣熱穩(wěn)定度進行調(diào)整，以使校正后的模擬結(jié)果更接近風(fēng)場實際。大氣熱穩(wěn)定度的風(fēng)切變校正法參考塔位置處的全風(fēng)向平均模擬風(fēng)切變指數(shù)、模擬風(fēng)廓線與實測值不符時，改變大氣熱穩(wěn)定度的取值重新進行模型綜合計算，直至模擬風(fēng)切變指數(shù)與實測風(fēng)切變指數(shù)接近，誤差較小(根據(jù)工程經(jīng)驗誤差絕對值小于0.04)；且模擬風(fēng)廓線與實測風(fēng)廓線較為相符，則認為該取值對應(yīng)的大氣熱穩(wěn)定度為最終值，能最大程度反應(yīng)風(fēng)場實際。

針對算例，本文初擬8種計算方案，對模型進行校正，采用風(fēng)切變校正法來確定算例中大氣熱穩(wěn)定度的取值。具體計算方案見表2。

表2 大氣熱穩(wěn)定度計算方案

4 計算結(jié)果

將算例風(fēng)場內(nèi)的其中一座測風(fēng)塔作為參考塔，利用其100 m高度實測數(shù)據(jù)對其它2座測風(fēng)塔位置處100 m高度的風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)和風(fēng)廓線進行模擬，然后與實測風(fēng)速、實測風(fēng)切變指數(shù)(不考慮10 m高度)、風(fēng)廓線進行對比，對3座測風(fēng)塔模擬的風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)誤差取絕對值后進行平均，得到8種計算方案的模擬誤差結(jié)果見表3、圖4～5。

表3 各方案風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差表

由上述模擬誤差圖表可以看出：

(1) 隨著大氣熱穩(wěn)定度的增大，模擬的風(fēng)速誤差不斷增大，其中最大值為1.420%，最小值為1.080%。

(2) 風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差在熱穩(wěn)定度為8時最小。之后隨著熱穩(wěn)定度的減小，風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差增大。

圖5 不同大氣熱穩(wěn)定度風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差

(3) 熱穩(wěn)定為2時，模擬的100 m高度風(fēng)速誤差相對最小，但風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差較大，風(fēng)廓線擬合較差，說明此時模型只在100 m高度的平面上具有一定的精度，在垂直方向上與實際風(fēng)場相差較大，風(fēng)廓線擬合效果較差。

(4) 綜合上述成果，采用風(fēng)切變校正法，綜合考慮風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差結(jié)果，算例中大氣熱穩(wěn)定度取值應(yīng)為8。

各測風(fēng)塔的風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)模結(jié)果見表4和表5?？梢钥闯?，風(fēng)速模擬的誤差在0.00%～2.23%之間，誤差絕對值平均為1.32%，模擬結(jié)果精度較高，誤差較小；風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差絕對值在0.001～0.035，風(fēng)切變誤差最小。

表4 大氣熱穩(wěn)定度取8時各測風(fēng)塔風(fēng)速模擬結(jié)果

表5 大氣熱穩(wěn)定度取8時各測風(fēng)塔風(fēng)速模擬結(jié)果

03號測風(fēng)塔風(fēng)廓線模擬結(jié)果見圖6?？梢钥闯?，風(fēng)廓線擬合結(jié)果較初始模型(圖3)有了很大改善，由此可認為經(jīng)風(fēng)切變校正法校正后的模型與實際風(fēng)場符合。

圖6 03號測風(fēng)塔的模擬風(fēng)廓線與實測風(fēng)廓線對比(大氣熱穩(wěn)定度取8)

5 結(jié) 論

通過對Meteodyn WT中大氣熱穩(wěn)定度取不同值對算例的模擬結(jié)果進行分析，評估了大氣熱穩(wěn)定度對風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)、風(fēng)廓線的影響。并提出了風(fēng)切變校正法，用來確定大氣熱穩(wěn)定度的最終取值，形成結(jié)論如下：

(1) 算例中，當(dāng)熱穩(wěn)定度為8時(非常穩(wěn)定)，風(fēng)速模擬的誤差在0.00%～2.23%，誤差絕對值平均為1.32%，模擬結(jié)果精度較高；風(fēng)切變指數(shù)模擬誤差絕對值在0.001～0.035，風(fēng)切變誤差最小。且風(fēng)廓線擬合較好，模型與實際風(fēng)場較為符合。

(2) 中原地區(qū)的平坦風(fēng)電場，地表主要為農(nóng)田和村莊的條件下，隨著大氣熱穩(wěn)定度的增大，模擬的風(fēng)速誤差不斷增大，但模擬的風(fēng)切變指數(shù)誤差不斷減小。

(3) 實際工程中，可采用風(fēng)切變校正法對大氣熱穩(wěn)定度進行調(diào)整，可使校正后的模擬結(jié)果誤差更小。

(4) 大氣熱穩(wěn)定度的最終取值，應(yīng)結(jié)合風(fēng)切變校正法和風(fēng)廓線模擬的符合度綜合確定。