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自然复杂地形上的气流CFD模拟：西班牙加利西亚RiadeFerrol的现场测量验证案例研究 摘要：准确可靠的计算流体动力学（CFD）模拟自然复杂地形上的气流对于广泛的应用非常重要，包括污染物排放、风能资源评估以及航道和港口附近的船舶操纵。在过去50年中，进行了大量的CFD研究。然而，对文献的详细审查表明，CFD研究的成功，包括通过现场测量对自然复杂地形和地下水库的验证。因此，本文对自然复杂地形进行了CFD研究，并对其进行了现场测量验证，其中考虑了不规则连续的地形和河谷压力以及河道入口的箭头。研究的目的包括：（1）用修正的k–ε模型评估三维稳态雷诺数平均纳维-斯托克斯（RANS）模拟的准确性，以计算不同类型的自然复杂地形的平均风速模式；以及（2）提供可用于实时机动模拟的平均速度数据，以评估使用更大的LNG载体进入LNG终端的情况。预计这些不规则的地形将在通道中产生复杂的环境条件，并在LNG载体上产生复杂的力。该研究重点放在高风速条件下，在这种情况下，大气边界层表现出中性分层。这些模拟是用3DstadyRAN和12个风向的可用k–ε模型进行的。特别说明了表面粗糙度参数的选择和规范。平均风速和风向的模拟结果在相应测量值的10–20%范围内再现。结果表明，对于60°和90°风向，风洞效应导致通道内的风速比压力下的风速增加。对于其他风向，该地形图有助于减小通道内的风速，但也有助于通道沿线的强风速，该研究表明，对于当前的应用，采用k–ε模型的三维稳定RANS 方法可以准确评估复杂的平均气流模式以及风上自然复杂地形的不利影响。
1引言
研究气流悬崖峭壁、山谷和其他类型的复杂地形对风机工程应用至关重要，包括污染物的分散（如Dawsonetal）。（1991），Apsley和Castro（1997a，1997b），Ohba等人。（2002））、风能资源评估（例如TaylorandTeunissen（1987）、Palma等人。（2008），Conanetal。（2012），Chaudhari（2014））和船舶操纵吸入器。通过现场实验、缩减规模风洞测量或计算流体动力学（CFD）的数值模拟，可以研究这类流动。在过去的50年中，计算流体动力学（CFD）在风力工程中得到了越来越多的开发和应用，成为一种强大的评估工具（Blocken，2014）。这一点由两篇综述性论文（如Murakami（1993、1997、1998）、Murakami etal。（1999），Stathopoulos（19972002），Baker（2007），区块链。（2011），Moonen等人。（2012年）、MeroneyandDerickson（2014年）、Blocken（2014年、2015年））和特别感兴趣的主题的论文，如污染物的分散（例如Meroney（2004年）、Canepa（2004）、Tominagaan和Stathopoulos（2007年、2013年）、Di Sabatino等人。（2013），Blocken等人。（2013）
），自然通风建筑（例如ReichrathandDavies（2002），Nortonetal。（2007年）、Jiru和Bitsuamlak（2010年）、Ramponi和Blocken（2012年））、行人水平风况（例如Stathopoulos（2006年）、Mochida和Lun（2008年）、Blocken等人。（2012年）、Blocken和Stathopoulos（2013年）、风力发电（例如Blocken和Carmeliet（2004年、2010年））、雪堆（例如Tominagaetal.（2011年）），城市热环境（例如Toparlaretal.（2015年））和风能资源评估（例如Porté-Ageletal.（2010年），Sanderse等人。（2011），Metha等人。（2014））和风流超复杂地形（如Wood（2000），Bitsuamlak等人。(2004, 2006)).vobu
与现场测量和缩小规模风洞试验相比，CFD具有一些重要的优势。现场测量的主要优势在于，它们能够捕捉所研究问题的真实复杂性。重要的劣势表明，由于固有的各种地质条件，它们无法完全控制，这在复杂地形的建筑或城市区域的设计阶段是不可能的，通常只进行了所有的点测量。风洞测量通常只在模型区域中的一个新的选定点进行，并不能提供整个流场的图像。CF另一只手提供整个流场数据，即计算主体所有点的相关参数数据。与缩小比例风洞试验不同，CFD不会受到类似要求的潜在影响，因为模拟可以在全尺度上进行。这对于研究非常广泛的地形地貌尤其重要，这也是本文的主题。Meroney（1990）提
冲压滤网供了风洞试验模拟复杂地形的优点和缺点。CFD的主要缺点是对所涉及的计算参数范围和CFD软件的用户以及与CFD结果的安全性和可靠性相关的因素具有较大的敏感性。因此，CFD验证和确认是必要的，在过去的15年中，已经制定了一套适用于CFD风轮机的广泛的最佳实践指南（例如Casey和Wintergerste（2000），Frankeetal）。（2004年、2007年、2011年），BrittrandSchatzmann（2007年），Tominagaetal。（2008），BlockenandGualtieri（2012），Blocken（2015））。需要注意的是，验证需要高质量的实验数据，无论是风洞数据还是现场数据，这些数据都需要满足质量标准（Schatzmann等人，1997年；Schatzmann和Leitl，2011年）。
在过去的50年中，平均进行了大量关于气流过流的有效CFD研究。最初的研究是基于运动方程的线性化。这种类型的线性CFD模型在没有气流分离的情况下，计算要求较低，性能也很好，即。对于低坡度（例如坡度低于10°）（例如Hino（1968）、Taylorand Gent（1974）、Jacksonand Hunt（1975）、Masonandykes（1979）、Walmsleyetal。（1982），Tayloretal。(1983)). 然而，后来的方法基于运动的非线性要求（例如。再见。（1987）），这更适用于具有流分离的情况，因为流分离是一种涉及多种非线性机制的过程。在过去30年中发表的大多数非线性研究集中于2个或3个一般/理想的孤立山坡或一些时
未载入sso模块间段的分离山，通常通过缩小规模的风洞测量进行验证。其他许多研究都是在线CFD研究，但没有具体的验证工作。除了线性化的模型外，还开发了一系列简化但非线性的CFD模型，用于预测障碍物上的流动和扩散，山坡和复杂的外部地形。这些地形通常涉及对运动方程的整合，使得最终关系是允许对流场进行最后CFD模拟的1或2维度（Lee和Meroney，1988；Meroney（2012））。最后，在理论界，非线性CFDha被广泛用于中尺度复杂地形的预测流中。最近，在社会和微观建模的整合上做出了努力（例如Schlünzen等人（2011），Mochidaetal）。（2011）、Yamada和Koike（2011））。
与上述研究相反，本论文侧重于自然复杂地形的非线性微观3DCFD研究，包括通过现场测量进行验证。本论文关注的是实际应用中的自然复杂地形。尽管室内隧道测量可适用于验证，但实际应用的唯一理论测试与现场数据进行比较。由于气象条件的内在可变性，应在足够长的时间内获得这些数据（Schatzmann和Leitl，2011）。由于这一重点，下一节将对自然复杂地形上的气流CFD研究进行总结和详细的文献综述，包括现场测量的验证。该文献综述表明，对孤立山丘的研究仍然存在，这是非常有价值的，但除孤立山丘外，仍缺乏此类研究。因此，本文特别介绍了一项CFD研究，该研究通过现场测量验证了天然复杂地形，该地形包含一系列不规则的河流和山谷，环绕着一个箭头所指的河道，即西班牙加利
西亚Riade Ferrolin。
本文内容如下。第2节对文献综述进行了简要总结，并就LES的可持续性和完整性进行了简要讨论。第3节中，对问题陈述和拓扑图进行了详细研究。第4节介绍了专门为CFD验证而进行的现场测量活动。第5节列出了CFD分析的计算设置和参数。模拟结果见第6节。第7节（讨论）和第8节（结论）总结了本文。
2 通过现场测量验证的在线CFD研究概述
2.1 孤立山丘的案例研究
第一组研究涉及阿斯克文山上气流的CFD模拟（图1a）。阿斯克文山位于苏格兰南部城市附近，相对较低的116米高的山。该山呈椭圆形，主轴线为2毫米，正轴线为1毫米。1982年和1983年开展了一项主要的野外活动，以研究阿斯克文山上最稳定的边界层流动（TaylorandTeunissen，1983年、1985年、1987年）。Raithby等人。（1987）利用Launder和Spalding（1974）的标准k–ε模型应用了3Dsteady RANS方程，但Cμ¼0.033代替了常用值0.09。在不同的横断面上比较了分数加速比ΔS、湍流动能和湍流应力的FD模
拟和实验，ΔS在横断面上的每个位置都有很好的一致性。对于横截面，ΔS在山的左侧都有平均的环流，而在山的右侧则没有太大的一致性（CFD估计过高）。应用上述模型表明，在山的底部对ΔS的估计过大，平均速度（和ΔS）被高估的位置。Raithby等人。（1987）提到，这可能是由于持续的气流分离造成的，而这是稳定的RANSCFD方法无法预测的。事实上，CFD模拟确实预测了气流分离，尽管存在一些差异。
第二组是SteptoeButte上气流和扩散的CFD模拟（图1b）。SteptoeButteis在美国华盛顿州惠特曼郡（Whitman Country，Washington，USA），高度为300米，近似轴对称的锥形山丘（Ryanetal，1984）。基底直径约为3400米。1981年5月和6月期间进行了示踪气田测量，同时还记录了高空气象数据。示踪气体现场实验表明，从上游排放点到Steptoe Butte后的下游再循环区的气流平流和/或扩散，导致了最大的水平面浓度（Ryanetal，1984）。(1991). 最后，采用了由Detering和Etling（1985）进行了两次修改的k–ε模型。第一次修改指的是将Cμ从0.09降低到0.033，而第二次修改则指的是随着高度降低ε的相对产量。CFD模拟成功地再现了大回流区对出口的影响，以及对出口斜坡上气体积聚的影响。
第三个例子是CinderConeButte上空气流的CFD模拟（图1c）。20世纪80年代的实验研究集中于为复杂地形的强分层流动提供数据（Laveryetal.，1982）。Apsle和Castro（1997a，1997b）使用有限长度尺度k–ε模型（Apsley，1995；Apsley和Castro，1997c）进行了三维稳定RANS模拟。在FDD模拟中成功地产生了定性的流动特征，即在低层上分离的流动区域和较大的水平偏差。模拟和测量之间对于更为复杂的气体浓度分布的不一致，很明显是由于风向变化与地面浓度对接近气流风向的敏感度不同。
四分之一是Bolund山上空气流的CFD模拟（图1d）。Bolundhill是丹麦的一座低山（12m），四周环绕着一条长而均匀的水道，有一个90°的垂直停车场，长130m，宽75m。由于陡峭的坡度和坡度，它的几何结构与阶梯形、阶梯形和锥形斜坡形有着本质上的差异。斜坡表面由道路均匀覆盖。2007年和2008年，对风速进行了为期3个月的现场测量（Bechmann等人，2009年；Berg等人，2011年）。Bechmann等人。（2011年）的报告建立了一个微型流动模型的对比试验，该模型侧重于在博隆德山上产生气流。57结果重新提交给风能行业的所有分支机构。3DRANS认为，k–ε湍流模型是最常用的模型（24份提交文件），仅使用了6个标签的LES。令人惊讶的是，RANS的k–ε湍流模型优于所有的热力模型。然而，LES结果显示，在两个方程闭合时，RANS模型的速度比RANS模型快得
多。请注意，波兰德山的3D稳定RANS也由Proscholalogoulosetal执行。（2012），而Bolundhill的LES也由Diebold等人执行。（2013年）和Chaudhari（2014年），后者成功地正确预测了后上边缘的气流分离——这显然已经出现了这种尖锐的边缘。
作为额外的集合，可以提及Blashaval山（Hewer，1998）、Kettleshill（Kim等人，2000）和马德拉海岸悬崖（Palma等人，2008）上的DCFD模拟。注意，上述所有研究都涉及至少在某些风向下会导致气流分离的山或山谷几何结构。
由于以前的研究大多采用RANS进行，因为最近的几项研究也是采用LES进行的，并且由于本论文中的研究是采用RANS完成的，因此下一小节将简要关注LES对RANS的研究。
2.2 LES与RANS风流量过复杂度
LES在稳定和非稳定RANS的物理模型中都是非常优越的。它的理论已经得到了很好的发展，并且非常适合模拟复杂外部气流的非线性和非线性（Wood，2000）。此外，随着计算资源的增加，它的应用也得到了越来越多的支持。然而，对于复杂地形的气流模型，3DstadyRANS是目前最主要的CFD项目，在那里它以令人满意的成功程度被应用。这一状
态适用于（主要是环境）风电工程中的许多其他主题，建筑、风机和其他设备的自然通风，如计算工程的详细文献所示（Blocken，2014）。根据本文作者的观点，有两个主要原因对此负责：（1）LES的计算成本。其成本比RANS高一个数量级，并且可能需要更大的数量级，以确定验证和确认的必要措施；（2） LES实际应用中缺乏质量评估，LES中缺乏最佳实践指南，这可能导致LES缺乏信心。下面将进一步解释这些论点。
即使没有必要的验证和确认行动，LES仍然需要非常高的计算能力（Wood，2000）。通常，实际应用需要计算，通常需要至少12个风向进行模拟（Yoshieetal.，2007），有时还需要7个风向。如果包含了必要的质量保证，则应在不同的网格和不同的亚网格尺度模型上对所有这些不同风向进行模拟，以确保模拟的准确性和可靠性。这可以使用诸如系统网格和模型变分技术（例如Klein（2005），Celik等人）等技术。（2009），Gousseau等人。(2013)). 正如Hanna（1989）所述，这种对准确性和可靠性的关注对LES尤为重要，因为“……随着模型公式的复杂性增加，由于输入数据和模型参数的不确定性而降低模型性能的可能性也会增加。”。然而，在过去15年中，尽管RANS制定了这些指南（例如Casey和Wintergerste（2000），Frankeetal。（2004、2007、2011），Britter和Schatzmann（2007），Tominagaetal。（2008年），Schatzmann和Leitl（2011年），Blocken和Gua
草本精华ltieri（2012年）），这不是LES的原因。这是由于LES的计算费用，因为建立此类指南需要进行广泛的敏感性测试。
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