本發(fā)明涉及一種風場模擬方法，具體講涉及一種耦合WRF與OpenFOAM模式的風場模擬方法。

背景技術：

目前，已有一些基于中小尺度模式耦合的風場模擬方法，如中尺度WRF、MM5、KAMM模式耦合小尺度WAsP、CALMET、WindMap、WindSim、Fluent等模式，其中WAsP、CALMET和WindMap屬于線性模式，而WindSim和Fluent則屬于商業(yè)計算流體力學CFD模式。OpenFOAM模式與WindSim和Fluent一樣，屬于計算流體力學CFD模式，但與前兩者不同的是，OpenFOAM模式屬于免費的開源模式。

關于WRF模式：風功率預測和風資源評估都需要盡可能準確的中尺度風場模擬數(shù)據(jù)。目前不論是國內(nèi)還是國際上，中尺度風場模擬一般使用WRF、MM5、RAMS等中尺度氣象模式，其中以WRF模式(WeatherResearch and Forecasting Model)最受歡迎。WRF的開發(fā)始于1997年，由美國國家大氣研究中心中小尺度氣象處、美國國家環(huán)境預測中心的環(huán)境模擬中心、預報研究處以及奧克拉荷馬大學的風暴分析預報中心四部門聯(lián)合發(fā)起建立的，并由美國國家自然科學基金和海洋大氣部共同支持。現(xiàn)在，WRF得到了許多其它研究部門及大學的科學家的支持，共同參與進行開發(fā)研究。WRF模式系統(tǒng)具有可移植、易維護、可擴充、高效率、方便的等諸多特性，使新的科研成果更為便捷地運用于業(yè)務預報。

通過近二十年的開發(fā)，WRF模式現(xiàn)在具備最為先進的數(shù)值方法和數(shù)據(jù)同化技術，采用經(jīng)過改進的物理過程方案，同時具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力，重點考慮幾公里至幾十公里分辨率的水平網(wǎng)格，改進了從云尺度到天氣尺度等不同尺度重要天氣特征的模擬和預報精度，很好地適應從理想化研究到業(yè)務預報等不同應用的需要，并已廣泛地使用在風資源模擬和風速預測的業(yè)務中。

關于動力降尺度方法和CFD模式：由于WRF屬于中尺度模式，重點模擬的是從幾公里到幾百公里尺度的天氣現(xiàn)象，一般只考慮1-10公里分辨率的水平網(wǎng)格，而無法達到幾十米分辨率的小尺度精細化模擬。尤其是在復雜地形下，地形對于風速的強迫改變作用難以在WRF中得到體現(xiàn)。因此一般使用降尺度的方法，將WRF輸出的低分辨率風速數(shù)據(jù)轉化為高分辨率的精細化數(shù)據(jù)。降尺度方法分為統(tǒng)計降尺度和動力降尺度，統(tǒng)計降尺度就是利用不同尺度 數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計關系進行降尺度插值，動力降尺度就是中尺度模式驅動小尺度模式得到更精細化的風場。動力降尺度方法是直接求解全流場的方法，所以是更為科學合理的方法。

小尺度模式一般分為兩種，一種是基于質(zhì)量守恒的線性模式，一種是基于計算流體力學的CFD(Computational Fluid Dynamics)模式。線性模式計算速度快，但僅適合于平坦地形，對于復雜地形而言最好使用CFD模式。

小尺度線性模式包括WAsP、CALMET和WindMap。如丹麥的風資源評估軟件WAsP，利用地轉風和單點的觀測資料推算周圍的風資源分布，被用來耦合中尺度模式KAMM進行風資源評估。WAsP的計算原理基于質(zhì)量守恒的線性診斷方法，適用于較為平坦的地形，對于復雜地形的模擬效果則不盡理想。CALMET模式是美國Sigma Research公司開發(fā)的小尺度氣象風場模式，CALMET曾被用來耦合中尺度模式進行風場模擬，雖然取得了一定的改進效果，但由于計算原理仍屬基于質(zhì)量守恒的線性風場診斷方法，所以在復雜地形上的計算效果仍然欠佳。此外，美國的小尺度氣象模式WindMap也被用來耦合中尺度數(shù)值模式MASS模擬地面風場，其計算原理和WAsP、CALMET相同。以上3種小尺度模式由于計算原理的限制，都無法模擬出流場在復雜地形上產(chǎn)生的流體回灌和分離層分離等效應，因此只適合于比較平坦的地形，復雜地形則需要使用計算流體力學CFD模式。

CFD模式是將原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場離散化，然后通過數(shù)值計算求解流體運動基本方程(如質(zhì)量、動量、能量方程等)，得到流場內(nèi)各個位置上的基本物理量及其隨時間變化的關系。由于CFD求解的是原始流體運動基本方程，包含了方程中的非線性效應，所以計算結果要遠優(yōu)于基于質(zhì)量守恒的線性模式。自1981年以來，CFD模式領域出現(xiàn)了如PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP、FLUENT和WindSim等多種商用計算模式，目前與中尺度模式進行耦合計算的有WindSim和Fluent，其中WindSim由挪威WindSim公司開發(fā)，F(xiàn)luent由美國ANSYS公司開發(fā)。從模擬效果來看，中尺度模式耦合CFD模式對近地層風場的模擬準確度有很大提高，尤其是在復雜地形條件下，CFD可以模擬出中尺度模式和線性模式無法模擬出的小尺度流體回灌、分離層分離等效應，能正確的體現(xiàn)出地形對風速和風向的強迫改變作用。但其共同的局限則是作為商業(yè)軟件較為昂貴，并且軟件的封閉性導致操作者無法對軟件進行深度定制和拓展自定義功能。并且，軟件的計算屬于“黑箱過程”，操作者不清楚內(nèi)容計算的詳細過程，也無法修改內(nèi)部計算參數(shù)，不便于進行后期的計算可靠性分析，也不便于改進計算方案。

OpenFOAM作為開源的CFD模式，不但具備商業(yè)CFD軟件的計算能力，還可為用戶避免昂貴的商業(yè)軟件費用。而且OpenFOAM還有商業(yè)CFD軟件不具備的開放性和靈活性，其 內(nèi)部代碼完全公開，用戶可隨意根據(jù)需要修改求解器、湍流閉合、數(shù)值格式、并行等方案及各項參數(shù)，進行深度定制，方便了用戶進行計算可靠性分析并進一步改進計算方案。因此，耦合OpenFOAM模式與WRF模式有利于提升風資源評估和風電功率預測業(yè)務水平和提高預測準確度。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種耦合WRF與OpenFOAM模式的風場模擬方法，該方法首次實現(xiàn)了中尺度氣象模式WRF和小尺度計算流體力學模式OpenFOAM的耦合計算，將WRF的幾公里水平分辨率的數(shù)據(jù)降尺度為OpenFOAM的30m分辨率數(shù)據(jù)，可改善WRF在復雜地形下的風場模擬效果，有助于提升風資源評估和風電功率預測業(yè)務水平和提高預測準確度。

本發(fā)明的目的是采用下述技術方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種耦合WRF與OpenFOAM模式的風場模擬方法，其改進之處在于，所述方法包括：

輸出并處理中尺度氣象模式WRF數(shù)據(jù)；

制作開源CFD模式OpenFOAM的精細化網(wǎng)絡；

WRF模式與OpenFOAM模式之間的數(shù)據(jù)傳遞；

驅動OpenFOAM模式進行計算。

其中，所述輸出并處理WRF數(shù)據(jù)包括：

驅動WRF模式模擬目標區(qū)域的粗分辨率風場，所述模擬目標區(qū)域的4個側邊界設定為矩形邊界，側邊界的高度為從地面到其上1000m；

使用插值函數(shù)處理WRF模式計算的風場數(shù)據(jù)，得到側邊界上一系列格點位置上的風場數(shù)據(jù)；側邊界格點之間的水平距離為WRF模式的水平分辨率，格點之間的垂直距離為5m至200m；輸出格點上的風場數(shù)據(jù)，包括風速u、v、w和湍動能k數(shù)據(jù)；

對側邊界上每一系列垂直的點進行多項式擬合，擬合函數(shù)為風場數(shù)據(jù)隨高度變化的函數(shù)，包括u(z)、v(z)、w(z)和k(z)。

其中，所述制作OpenFOAM的精細化網(wǎng)格包括：

生成基于ASTER GDEM地形高程數(shù)據(jù)30m水平分辨率的精細化網(wǎng)絡；

將生成的精細化網(wǎng)絡導入OpenFOAM模式中。

其中，生成基于ASTER GDEM地形高程數(shù)據(jù)30m水平分辨率的精細化網(wǎng)絡包括：

下載模擬區(qū)域的30m分辨率的ASTER GDEM地形高程數(shù)據(jù)；

將ASTER GDEM地形高程數(shù)據(jù)導入GAMBIT或ICEM網(wǎng)格生成工具，生成30m水平分辨率的精細化網(wǎng)格，垂直高度上第一層網(wǎng)格分辨率5m，垂直分辨率隨網(wǎng)格高度遞增，遞增是通過倍增的形式或指數(shù)遞增的形式(具體的倍增率或遞增指數(shù)可以根據(jù)實際情況指定，但要符合近地面200m以內(nèi)分辨率高，200m以上分辨率低的原則)；在截取地形的四周再延展出1-2km的平坦面，以避免邊界上壓力場的異常。

其中，所述WRF模式與OpenFOAM模式之間數(shù)據(jù)傳遞包括：

將擬合后的WRF模式側邊界函數(shù)寫入OpenFOAM模式的邊界初始條件文件中；擬合函數(shù)u(z)、v(z)、w(z)放置在0/U文件中，擬合函數(shù)k(z)放置在0/k文件中；

為OpenFOAM模式安裝swak4foam工具，在OpenFOAM模式的計算控制文件controlDict中調(diào)用libgroovyBC.so庫文件，即實現(xiàn)擬合函數(shù)u(z)、v(z)、w(z)和k(z)的計算，為OpenFOAM模式側邊界的精細化格點匹配風場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)OpenFOAM模式對中尺度氣象模式WRF數(shù)據(jù)的讀入功能。

其中，所述驅動OpenFOAM模式進行計算包括：

監(jiān)視WRF模式的輸出情況，WRF模式每輸出一次數(shù)據(jù)(輸出的時間分辨率一般為15分鐘)，就擬合并更新一次OpenFOAM模式的側邊界擬合函數(shù)，并驅動OpenFOAM模式進行一次計算；輸出的時間分辨率采用15分鐘；

監(jiān)視出入流方向，為入流的側邊界自動選擇速度定值入口和壓力0梯度，為出流的側邊界自動選速度0梯度和壓力定值出口；

驅動OpenFOAM模式進行計算，計算采用SIMPLE算法、RANS計算方案或k-ε湍流閉合模型。

本發(fā)明提供的技術方案具有的優(yōu)異效果是：

本發(fā)明提供的耦合WRF與OpenFOAM模式的風場模擬方法，首次實現(xiàn)了中尺度氣象模式WRF和小尺度計算流體力學CFD模式OpenFOAM的耦合計算，將WRF的幾公里水平分辨率的數(shù)據(jù)降尺度為OpenFOAM的30m分辨率數(shù)據(jù)，可改善WRF在復雜地形下的風場模擬效果，有助于提升風資源評估和風電功率預測業(yè)務水平和提高預測準確度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的耦合WRF與OpenFOAM模式的風場模擬方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明提供的WRF模式與OpenFOAM模式之間數(shù)據(jù)處理和交換的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實施方案，以使本領域的技術人員能夠實踐它們。其他實施方案可以包括結構的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本發(fā)明的實施方案的范圍包括權利要求書的整個范圍，以及權利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發(fā)明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術語“發(fā)明”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實上公開了超過一個的發(fā)明，不是要自動地限制該應用的范圍為任何單個發(fā)明或發(fā)明構思。

本發(fā)明提供的WRF耦合OpenFOAM模式的風場模擬方法，其流程圖如圖1所示，由4個步驟組成：

1、WRF數(shù)據(jù)的輸出和處理：

(1)驅動WRF模擬目標區(qū)域的粗分辨率風場，模擬區(qū)域的4個側邊界設定為矩形邊界，如圖2所示。側邊界的高度為從地面到其上1000m；

(2)使用NCL軟件中的插值函數(shù)處理WRF計算的風場數(shù)據(jù)，得到側邊界上一系列格點位置上的風場數(shù)據(jù)。如圖2所示，側邊界格點之間的水平距離為WRF的水平分辨率，格點之間的垂直距離為5m至200m，近地面距離小一些，高空距離大一些。輸出這些格點上的風速u、v、w和湍動能k數(shù)據(jù)；

(3)對側邊界上每一系列垂直的點進行多項式擬合，擬合函數(shù)為u、v、w、k分別與高度z之間的函數(shù)，即u(z)、v(z)、w(z)和k(z)；這樣處理是為了便于將WRF輸出的氣象數(shù)據(jù)導入OpenFOAM，解決兩種模式因為分辨率不同無法直接進行數(shù)據(jù)交換的問題。

2、制作OpenFOAM使用的精細化網(wǎng)格：

(1)下載模擬區(qū)域的30m分辨率的ASTER GDEM地形高程數(shù)據(jù)；

(2)將地形高程數(shù)據(jù)導入GAMBIT、ICEM等網(wǎng)格生成工具，生成30m水平分辨率的精細化網(wǎng)格，垂直高度上的低空采取高分辨率，高空采取低分辨率。為了避免邊界上壓力場的異常，需要在截取地形的四周再延展出一定寬度(1-2km)的平坦面；

(3)網(wǎng)格生成之后，導入OpenFOAM模式。

3、WRF與OpenFOAM之間的數(shù)據(jù)傳遞：

(1)編寫腳本，將擬合后的WRF側邊界函數(shù)寫入OpenFOAM的邊界初始條件文件中。u(z)、v(z)、w(z)放置在0/U文件中，k(z)放置在0/k文件中。同一側邊界上有不同水平位置的擬合函數(shù)，每個擬合函數(shù)只作用于一段水平范圍；

(2)在OpenFOAM的計算控制文件controlDict中調(diào)用libgroovyBC.so庫文件(之前要為OpenFOAM安裝swak4foam工具)，即可實現(xiàn)擬合函數(shù)u(z)、v(z)、w(z)、k(z)的計算，為OpenFOAM側邊界的精細化格點匹配風場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)OpenFOAM對WRF數(shù)據(jù)的讀入功能。

4、OpenFOAM的驅動：

(1)編寫腳本監(jiān)視WRF的輸出情況，WRF每輸出一次數(shù)據(jù)(輸出的時間分辨率一般可采用15分鐘)，就擬合并更新一次OpenFOAM的側邊界擬合函數(shù)，并驅動OpenFOAM進行一次計算；

(2)編寫腳本監(jiān)視出入流方向，為入流的側邊界自動選擇速度定值入口和壓力0梯度，為出流的側邊界自動選速度0梯度和壓力定值出口；

(3)驅動OpenFOAM進行計算，計算采用比較成熟的SIMPLE算法、RANS計算方案、k-ε湍流閉合模型。

本發(fā)明提供的技術方案可改善WRF在復雜地形下的風場模擬效果，有助于提高風資源評估和風功率預報的準確度。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權利要求保護范圍之內(nèi)。