CN117852448A - 一种基于区域分解的大规模风电场流场计算方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于区域分解的大规模风电场流场计算方法，包括：根据风电场大小选取东西方向X和南北方向Y的分段数和重叠区域宽度；根据各分区边界点对地形进行裁剪，采用块网格生成算法对各区域地形进行结构化四边形网格生成，再采用拉伸算法对下垫面四边形网格沿高度方向Z进行拉伸，生成六面体网格；根据扇区计算条件确定各分区的上下游依赖关系；根据分区上下游依赖关系开始CFD计算，同时提取上游流场信息插值到下游入流边界条件；采用最近邻插值算法对重叠区域流场进行插值计算，得到最终全场计算结果。本发明可以满足在有限计算资源情况下对大规模风电场进行流场分析。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种基于区域分解的大规模风电场流场计算方法和装置。
背景技术
在复杂地形山区进行风电场开发前，设计人员通常会采用成本低、实施周期短的CFD（Computational Fluid Dynamics, 计算流体力学）数值模拟技术对微观尺度下的复杂地形的流场进行仿真，获取平均风速、风能密度等关键参数，用于风资源评估和指导微观选址。随着开发风电场规模逐渐扩大，导致风电场地形范围越来越大，若要较为精确地捕捉复杂地形流场的特征，网格分辨率一般小于30m，这导致整个风电场计算网格量高达几十亿。如此规模的CFD计算任务由于巨大的内存和存储需求只能交由超级计算进行大规模的并行计算，这大大提高了风资源评估的技术门槛和计算成本，导致设计人员无法在常见的工作站上完成此类型的风电场CFD计算任务。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于区域分解的大规模风电场流场计算方法和装置，通过借鉴大规模并行计算所使用的分区交界面通信技术，采用上游分区流场插值到下游分区入流边界条件的方式，实现上下游流场信息的传递，使得设计人员能够在一台计算资源有限的工作站上完成对大规模风电场的流场分析，节约计算资源和成本。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
第一方面，本发明公开了一种基于区域分解的大规模风电场流场计算方法，所述大规模风电场流场计算方法包括以下步骤：
步骤1、根据风电场大小选取东西方向X和南北方向Y的分段数和重叠区域宽度；
步骤2、根据各分区边界点对地形进行裁剪，采用块网格生成算法对各区域地形进行结构化四边形网格生成，再采用拉伸算法对下垫面四边形网格沿高度方向Z进行拉伸，生成六面体网格；
步骤3、根据扇区计算条件确定各分区的上下游依赖关系；
步骤4、根据分区上下游依赖关系开始CFD（Computational Fluid Dynamics, 计算流体力学）计算，同时提取上游流场信息插值到下游入流边界条件；
步骤5、采用最近邻插值算法对重叠区域流场进行插值计算，得到最终全场计算结果。
进一步地，步骤1中，根据风电场大小选取东西方向X和南北方向Y的分段数和重叠区域宽度的过程包括以下步骤：
导入地形文件，根据实际计算需求设置全部地形或者部分地形作为总计算域；再设置横向和纵向分割区域数量及子计算区域之间的重叠区域宽度，确定每个子计算区域在整个风电场中的相对位置关系，按照从西至东，从北到南的顺序对所有子计算区域进行编号，子计算域之间重合区域占子计算域大小的比例满足预设比例范围。
进一步地，步骤1中，预设比例范围为25%±1%
进一步地，步骤2中，生成六面体网格的过程包括以下步骤：
针对地形文件进行X、Y方向上的均匀采样，通过块网格生成器生成棋盘状的四边形面网格，生成网格分辨率为30m；
通过OpenFOAM中的extrude2DMesh工具，根据Z方向设置的网格数和拉伸倍率生成贴合地形的六面体网格。
进一步地，步骤3中，在生成每个扇区入流工况下的子计算域计算队列时，根据扇区方向提前计算好各子计算域之间计算依赖关系，每次提取对上游子计算域依赖的物理场值作为当前子计算域的边界条件输入，提取物理场值的步数间隔根据每个工况的计算步数来动态调整。
进一步地，步骤3中，根据扇区计算条件确定各分区的上下游依赖关系的过程包括以下步骤：
从最顶角的子计算域开始，按照风向确定各子计算域的上下游依赖关系，将每个子计算域内与邻居子计算域的边界物理场值进行提取，作为下一个子计算域的入流边界条件，每个子计算域在数据提取和数据依赖存在三种情况：
1）只被东西向某一侧子计算域依赖或提取；
2）只被南北某一侧子计算域依赖或提取；
3）被东南、西北、东北、西南任意两侧子计算域依赖或提取。
进一步地，步骤4中，采用OpenFOAM开源计算流体力学软件包中的simpleFoam作为流场求解器，利用functionObjects中的surface工具提取上游子计算域中的截面流场信息，按照固定时间进行输出保存。
进一步地，步骤5中，采用最近邻插值算法对重叠区域流场进行插值计算，得到最终全场计算结果的过程包括以下步骤：
利用相邻子计算域重叠区的数值计算结果，通过最近邻插值算法获得不同子计算域中各变量值的关联关系，利用关联关系对各子计算域中不同网格的流场变量值进行校准；再将全风场范围内各个子计算域重叠区域的流场变量值进行修正；最后通过VTK开源软件包生成拼接融合后的全流场计算结果。
第二方面，本发明公开了一种基于区域分解的大规模风电场流场计算装置，所述大规模风电场流场计算装置包括：
子计算域设置模块，用于根据风电场大小选取东西方向X和南北方向Y的分段数和重叠区域宽度；
网格生成模块，用于根据各分区边界点对地形进行裁剪，采用块网格生成算法对各区域地形进行结构化四边形网格生成，再采用拉伸算法对下垫面四边形网格沿高度方向Z进行拉伸，生成六面体网格；
依赖关系确定模块，用于根据扇区计算条件确定各分区的上下游依赖关系；
CFD计算模块，用于根据分区上下游依赖关系开始CFD计算，同时提取上游流场信息插值到下游入流边界条件；
全流场计算模块，用于采用最近邻插值算法对重叠区域流场进行插值计算，得到最终全场计算结果。
第三方面，本发明公开了一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时，实现前述的方法步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的基于区域分解的大规模风电场流场计算方法和装置，能够满足在有限计算资源情况下对大规模风电场进行流场分析，采用“分而治之”的分区计算策略，插值拼接最终得到的流场结果与单域求解计算基本一致，满足风资源评估要求，从而有效解决大规模风电场数值分析计算资源不足的问题。经与单域CFD计算结果比较发现，本发明方法所得到的结果体现了良好的计算精度，且能够有效地反映水平方向流场速度特性，满足在单台台式机上对大规模风电场的风资源评估需求。
附图说明
图1为大地形分割子模型示意图 ；
图2为偏西北风向大地形子计算域计算顺序示意图；
图3为提取截面流场信息代码示意图；
图4为子计算域重叠网格插值示意图；
图5为225°风向下压力云图对比结果示意图，其中，左图是分区计算结果示意图，右图是单域计算结果示意图；
图6为270°风向下压力云图对比结果示意图，其中，左图是分区计算结果示意图，右图是单域计算结果示意图；
图7为本发明实施例的基于区域分解的大规模风电场流场计算方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明实施例公开了一种基于区域分解的大规模风电场流场计算方法，所述大规模风电场流场计算方法包括以下步骤：
步骤1、根据风电场大小选取东西方向X和南北方向Y的分段数和重叠区域宽度；
步骤2、根据各分区边界点对地形进行裁剪，采用块网格生成算法对各区域地形进行结构化四边形网格生成，再采用拉伸算法对下垫面四边形网格沿Z方向进行拉伸，生成六面体网格；
步骤3、根据扇区计算条件确定各分区的上下游依赖关系；
步骤4、根据分区上下游依赖关系开始CFD（Computational Fluid Dynamics, 计算流体力学）计算，同时提取上游流场信息插值到下游入流边界条件；
步骤5、采用最近邻插值算法对重叠区域流场进行插值计算，得到最终全场计算结果。
参见图7，该大规模风电场流场计算方法包括以下步骤：
步骤1，根据风电场大小选取东西方向X和南北方向Y的分段数和重叠区域宽度。
首先导入地形文件，根据实际计算需求设置全部地形或者部分地形作为总计算域，随后设置横向和纵向分割区域数量及子计算区域之间的重叠区域宽度，确定每个子模型的计算区域在整个风电场中的相对位置关系，按照从西至东，从北到南的顺序对所有子模型进行编号，子计算域之间重合区域占子计算域大小的25%左右。示意如图1所示。
步骤2，根据各子计算域边界对地形进行裁剪，采用块网格生成算法对各区域地形进行结构化四边形网格生成，之后采用拉伸算法对下垫面四边形网格沿高度方向Z进行拉伸，生成六面体网格。
首先针对地形文件进行X、Y方向上的均匀采样，通过块网格生成器生成棋盘状的四边形面网格，生成网格分辨率为30m；之后，通过OpenFOAM中的extrude2DMesh工具，根据Z方向设置的网格数和拉伸倍率生成贴合地形的六面体网格。
步骤3，根据扇区计算条件确定各分区的上下游依赖关系。
为了尽量减少各子计算域单独计算结果与直接进行整个计算域结果之间的误差，本发明按照风向确定各子计算域的上下游依赖关系，将本子计算域内与邻居子计算域的边界物理场值进行提取，作为下一个子计算域的入流边界条件，从最顶角的子计算域开始，以此类推。根据子计算域在整个分割结果所处的行列号，每个子计算域在数据提取和数据依赖可能存在三种情况：
1）只被东西向某一侧子计算域依赖或提取；
2）只被南北某一侧子计算域依赖或提取；
3）被东南、西北、东北、西南某两侧子计算域依赖或提取。
假设风向为偏西北风，按照各个子计算域流场上下游发展和依赖的关系，各子计算域的计算任务队列按照矩阵zigzag循环的顺序。以4×4的16个子计算域为例，如图1所示：子计算域2依赖子计算域1的物理场值，需要从与1子计算域的重叠边界上提取值；3依赖2，4依赖3，5依赖1，6依赖1、2、5，以下游依赖上游的原则依此类推。
因此对照图2中矩阵的循环顺序A->B->E->I->F->C->D->G->J->M->N->K->H->L->O->P，子计算域的计算顺序为1->2->5->9->6->3->4->7->10>-13->14>-11->8->12>-15->16。在生成每个扇区入流工况下的子计算域计算队列时，会根据扇区方向提前计算好各子计算域之间计算依赖关系，每次提取对上游子计算域依赖的物理场值作为本子计算域的边界条件输入，提取物理场值的步数间隔可以根据每个工况的计算步数来动态调整。
步骤4、根据分区上下游依赖关系开始CFD计算，同时提取上游流场信息插值到下游入流边界条件。
本发明采用OpenFOAM开源计算流体力学软件包中的simpleFoam作为流场求解器，利用functionObjects中的surface工具提取上游子计算域中的截面流场信息，按照固定时间进行输出保存，具体代码如图3所示。
步骤5、计算结束后，采用最近邻插值算法对重叠区域流场进行插值计算，得到最终全场计算结果。
利用相邻子计算域重叠区的数值计算结果，通过最近邻插值算法获得不同子模型中各变量值的关联关系，进而利用关联关系对各子模型中不同网格的流场变量值进行校准，进而按照相同的方法将全风场范围内各个子计算域重叠区域的流场变量值进行修正，然后通过VTK开源软件包生成拼接融合后的全流场计算结果。图4为子计算域网格重叠示意图，其中1和2为子计算域编号，d为子计算域1和子计算域2的重叠区域的宽度，d1为重叠区域外第一层网格宽度，d2=d-2d1，为重叠宽度d减去左右两侧第一层网格后的宽度。
针对某风电场地形单独计算和分区计算结果对比
步骤1， 首先针对该地形区域进行4×4的子计算域划分；
步骤2， 设置每个子计算域X、Y方向网格数，Z方向网格数；
步骤3， 设置计算扇区数8个，计算风向角度分别是0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°；
步骤4， 每个子计算域采用单核串行求解，SIMPLE稳态计算迭代步数均为300步；
步骤5， 计算300步结束，流场均已获得稳态解，采用最近邻算法对子计算域重叠区域的流场进行校准。
图5和图6展示了多个子计算域和单个计算域的计算结果对比结果示意图。本发明经与风场单域流场计算结果对比，发现新提出的流场计算方法可以很好地模拟风电场平均风速、压力以及其他流场变量，且误差控制在可接受范围内。此外，分区计算任务可以针对子计算域在计算资源较差的工作站台式机上运行，通过以时间换空间的方式，可以在一定周期内获得与超算大规模并行计算相当的结果。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器运行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上运行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上运行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于区域分解的大规模风电场流场计算方法，其特征在于，所述大规模风电场流场计算方法包括以下步骤：
步骤1、根据风电场大小选取东西方向X和南北方向Y的分段数和重叠区域宽度；
步骤2、根据各分区边界点对地形进行裁剪，采用块网格生成算法对各区域地形进行结构化四边形网格生成，再采用拉伸算法对下垫面四边形网格沿高度方向Z进行拉伸，生成六面体网格；
步骤3、根据扇区计算条件确定各分区的上下游依赖关系；
步骤4、根据分区上下游依赖关系开始CFD计算，同时提取上游流场信息插值到下游入流边界条件；
步骤5、采用最近邻插值算法对重叠区域流场进行插值计算，得到最终全场计算结果。
2.根据权利要求1所述的基于区域分解的大规模风电场流场计算方法，其特征在于，步骤1中，根据风电场大小选取东西方向X和南北方向Y的分段数和重叠区域宽度的过程包括以下步骤：
导入地形文件，根据实际计算需求设置全部地形或者部分地形作为总计算域；再设置横向和纵向分割区域数量及子计算区域之间的重叠区域宽度，确定每个子计算区域在整个风电场中的相对位置关系，按照从西至东，从北到南的顺序对所有子计算区域进行编号，子计算域之间重合区域占子计算域大小的比例满足预设比例范围。
3.根据权利要求2所述的基于区域分解的大规模风电场流场计算方法，其特征在于，步骤1中，预设比例范围为25%±1%。
4.根据权利要求1所述的基于区域分解的大规模风电场流场计算方法，其特征在于，步骤2中，生成六面体网格的过程包括以下步骤：
针对地形文件进行X、Y方向上的均匀采样，通过块网格生成器生成棋盘状的四边形面网格，网格分辨率为30m；
通过OpenFOAM中的extrude2DMesh工具，根据Z方向设置的网格数和拉伸倍率生成贴合地形的六面体网格。
5.根据权利要求1所述的基于区域分解的大规模风电场流场计算方法，其特征在于，步骤3中，在生成每个扇区入流工况下的子计算域计算队列时，根据扇区方向提前计算好各子计算域之间计算依赖关系，每次提取对上游子计算域依赖的物理场值作为当前子计算域的边界条件输入，提取物理场值的步数间隔根据每个工况的计算步数来动态调整。
6.根据权利要求1所述的基于区域分解的大规模风电场流场计算方法，其特征在于，步骤3中，根据扇区计算条件确定各分区的上下游依赖关系的过程包括以下步骤：
从最顶角的子计算域开始，按照风向确定各子计算域的上下游依赖关系，将每个子计算域内与邻居子计算域的边界物理场值进行提取，作为下一个子计算域的入流边界条件，每个子计算域在数据提取和数据依赖存在三种情况：
1）只被东西向某一侧子计算域依赖或提取；
2）只被南北某一侧子计算域依赖或提取；
3）被东南、西北、东北、西南任意两侧子计算域依赖或提取。
7.根据权利要求1所述的基于区域分解的大规模风电场流场计算方法，其特征在于，步骤4中，采用OpenFOAM开源CFD软件包中的simpleFoam作为流场求解器，利用functionObjects中的surface工具提取上游子计算域中的截面流场信息，按照固定时间进行输出保存。
8.根据权利要求1所述的基于区域分解的大规模风电场流场计算方法，其特征在于，步骤5中，采用最近邻插值算法对重叠区域流场进行插值计算，得到最终全场计算结果的过程包括以下步骤：
利用相邻子计算域重叠区的数值计算结果，通过最近邻插值算法获得不同子计算域中各变量值的关联关系，利用关联关系对各子计算域中不同网格的流场变量值进行校准；再将全风场范围内各个子计算域重叠区域的流场变量值进行修正；最后通过VTK开源软件包生成拼接融合后的全流场计算结果。
9.一种基于区域分解的大规模风电场流场计算装置，其特征在于，所述大规模风电场流场计算装置包括：
子计算域设置模块，用于根据风电场大小选取东西方向X和南北方向Y的分段数和重叠区域宽度；
网格生成模块，用于根据各分区边界点对地形进行裁剪，采用块网格生成算法对各区域地形进行结构化四边形网格生成，再采用拉伸算法对下垫面四边形网格沿高度方向Z进行拉伸，生成六面体网格；
依赖关系确定模块，用于根据扇区计算条件确定各分区的上下游依赖关系；
CFD计算模块，用于根据分区上下游依赖关系开始CFD计算，同时提取上游流场信息插值到下游入流边界条件；
全流场计算模块，用于采用最近邻插值算法对重叠区域流场进行插值计算，得到最终全场计算结果。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1-8任意一项所述的方法步骤。
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