(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210395750.8 (22)申请日 2022.04.15 (71)申请人 国网陕西省电力有限公司经济技 术 研究院 地址 710065 陕西省西安市高新区科技六 路15号汇金国际大厦四楼401室 申请人 西安交通大 学 (72)发明人 张军强　尚勇　张功望　王涛　 姚新宇　高永亮　徐健鑫　杨瑶光　 贺博　王选社　张琳　董卓元　 李晋　谢斌　陈曦　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 房鑫(51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种山区地形风速场的精细化模拟方法及 系统 (57)摘要 一种山区地形风速场的精细化模拟方法及 系统， 方法包括将山体简化为可参数化描述的半 椭球结构并建立三维计算模型； 根据山体的三维 计算模型尺 寸建立足长方体计算域； 通过湍流模 型给长方体计算域的入口平面处施加符合指数 分布规律的风速； 观察长方体计算域内风速场的 空间分布情况， 提取不同坐标处的风向角和风速 大小， 寻找风速场和山区地形参数之间的联系， 并用数学公 式进行拟合。 本发明可用于分析山区 地形相比平原地形对风速产生了哪些影 响， 利用 山体近地面处风速区分度更高的优势， 可研究局 部风速产生的压力、 涡旋力对于建立在山区的基 建项目产生了哪些负面影 响， 有关风速场数据的 非线性函数拟合也为复杂地形风场数值模拟的 数学量化提供了参 考。 权利要求书2页 说明书8页 附图5页 CN 114861263 A 2022.08.05 CN 114861263 A 1.一种山区地形风速场的精细化模拟方法， 其特 征在于， 包括： 将山体简化 为可参数化描述的半椭球结构并建立 三维计算模型； 根据山体的三维计算模型尺寸建立足够大的长方体 计算域； 通过湍流模型 给长方体 计算域的入口平面处施加符合指数分布规 律的风速； 观察长方体计算域内风速场的空间分布情况， 提取不同坐标处的风向角和风速大小， 寻找风速场和山区地形参数之间的联系， 并用数 学公式进行拟合。 2.根据权利要求1所述山 区地形风速场的精细化模拟方法， 其特征在于， 所述将山体简 化为可参数化描述的半椭球结构并建立 三维计算模型 具体包括： 根据现实山区的实测数值 转化为山体半径、 山体高度、 山体间距、 坡度参数进行输入； 根据山体表面的植被覆盖程度， 将地 面粗糙度设置为平 原时的1.3 ‑1.7倍。 3.根据权利要求2所述山 区地形风速场的精细化模拟方法， 其特征在于， 所述根据山体 的三维计算模型尺寸建立足够大的长方体 计算域包括： 将所述长方体 计算域的长度设置为 山体半径和山体间距之和的8 ‑12倍； 将所述长方体 计算域的宽度设置为 山体半径的8 ‑12倍； 将所述长方体 计算域的高度设置为 山体高度的6 ‑10倍； 将所述长方体 计算域除速度入口和自由出口之外的面设置为无滑 移的标准 壁面函数； 将所述长方体计算域的底面中除去山 区的部分视为平原， 根据实际环境的不同将平原 分为四类地貌， 每一类地貌都有对应的地面粗糙度长度， 将所述地面粗糙度长度的数值乘 20倍转化为地面粗糙度高度参数输入到有限元仿真软件中。 4.根据权利要求3所述山 区地形风速场的精细化模拟方法， 其特征在于， 所述根据山体 的三维计算模型尺寸建立 足够大的长方体计算域还包括， 对于所述长方体计算域和山体的 三维计算模型交界处进行网格的局部加密， 使得网格长度为1 ‑2米。 5.根据权利要求3所述山 区地形风速场的精细化模拟方法， 其特征在于， 所述的地面粗 糙度长度对应于四类地貌分别取值 为0.01m、 0.0 5m、 0.3m以及1.0m。 6.根据权利要求1所述山 区地形风速场的精细化模拟方法， 其特征在于， 所述通过湍流 模型给长方体计算域的入口平面处施加符合指数分布规律的风速时， 所述的湍流模型选择 Realizable  k‑ε模型， 将10m高度处的平均风速作为基本风速， 使得速度和高度的关系满足 Davenpor t指数风公式， 以自定义 函数的形式垂直入射到入口面， 表达式如下： 式中， 为平均风速， 为基本风速， y为 坐标高度， α 为 地面粗糙度系数； 入射风速的湍流动能和湍流 耗散率以自定义 函数的形式进行设置， 表达式如下： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114861263 A 2式中， k(y)表示湍流动能， V(y)表示高度y处的速度， I(y)表示高度y下的湍流度， ε为湍 流耗散率， Lu(y)为湍流积分尺度， Cu取值为0.09， K取值0.42； m为米， yb为湍流度的分段临界 高度， yg为梯度风高度。 7.根据权利要求6所述山 区地形风速场的精细化模拟方法， 其特征在于， 所述的基本风 速为25m/s ‑35m/s。 8.根据权利要求6所述山 区地形风速场的精细化模拟方法， 其特征在于， 所述的地面粗 糙度系数α 、 梯度风高度yg和湍流度的分段临界 高度yb的相应取值对 应于四类地貌分别按如 下方式取值： 地貌类别A对应的地面粗糙度系数α 为0.12， 梯度风高度yg为300m， 湍流度的分段临界高 度yb为5m； 地貌类别B对应的地面粗糙度系数α 为0.16， 梯度风高度yg为350m， 湍流度的分段临界高 度yb为5m； 地貌类别C对应的地面粗糙度系数α 为0.22， 梯度风高度yg为400m， 湍流度的分段临界高 度yb为5m； 地貌类别D对应的地面粗糙度系数α 为0.30， 梯度风高度yg为450m， 湍流度的分段临界高 度yb为10m。 9.根据权利要求1所述山 区地形风速场的精细化模拟方法， 其特征在于， 所述观察长方 体计算域内风速场的空间分布情况， 提取不同坐标处的风向角和 风速大小， 寻找风速场和 山区地形参数之间的联系， 并用数 学公式进行拟合的步骤 包括： 根据基建 设施所在山体位置的具体三维坐标提取对应点、 线、 面的速度大小、 梯度； 将所提取的对应点、 线、 面的速度大小、 梯度同山体的三维计算模型对应的参数进行整 理， 以底数为e的指数 形式为框架进行非线性拟合， 从数 学的角度进行收敛性的验证。 10.一种山区地形风速场的精细化模拟系统， 其特 征在于， 包括： 模型建立模块， 用于将山体简化 为可参数化描述的半椭球结构并建立 三维计算模型； 长方体计算域建立模块， 用于根据山体的三维计算模型尺寸建立足够大的长方体计算 域； 风速施加模块， 用于通过湍流模型给长方体计算域的入口平面处施加符合指数分布规 律的风速； 联系拟合模块， 用于观察长方体计算域内风速场的空间分布情况， 提取不同坐标处的 风向角和风速大小， 寻找风速场和山区地形参数之间的联系， 并用数 学公式进行拟合。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114861263 A 3