一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法技术

本发明专利技术属于计算风工程领域，并公开了一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法，该方法包含以下步骤：1)建立复杂地形CFD模型，生成精细化网格；2)建立中尺度WRF模型模拟复杂地形风场，处理WRF模型的风场数据；3)实现WRF模型和复杂地形CFD模型在边界上的数据耦合，得到复杂地形CFD模型4个侧边界面和顶面上随时间变化的精细化网格风场数据；4)计算耦合后的复杂地形CFD模型，从而获得复杂地形风场特性模拟结果。本发明专利技术能够使用计算机支持的程序语言，实现WRF模型和复杂地形CFD模型在边界上的数据耦合，有利于提升复杂地形风资源评估和风场数值模拟的精准度。

A method of coupling WRF and CFD to simulate wind field based on OpenFOAM

The invention belongs to the field of computational wind engineering, and discloses a method for coupling WRF and CFD to simulate wind field based on OpenFOAM. The method comprises the following steps: 1) establishing CFD model of complex terrain to generate refined grid; 2) establishing mesoscale WRF model to simulate wind field of complex terrain and processing wind field data of WRF model; 3) realizing WRF. The CFD model of complex terrain is coupled with the CFD model on the boundary to obtain the refined grid wind field data of the CFD model of complex terrain. 4) The CFD model of complex terrain after coupling is calculated to obtain the simulation results of wind field characteristics of complex terrain. The method can realize the data coupling between WRF model and CFD model of complex terrain on the boundary by using computer supported programming language, and is beneficial to improving the accuracy of wind resource evaluation and wind field numerical simulation of complex terrain.

【技术实现步骤摘要】
一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法
本专利技术属于计算风工程领域，更具体地，涉及一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法。
技术介绍
在研究复杂地形的风场时，首要难题是如何给定合理的入口边界条件。入口边界的合理性是影响计算结果的重要因素，不论是风洞试验还是数值模拟，在给定入口边界的时候都做了大量简化，可能导致结果与实际情况偏差较大。近年来，随着气象预报模式的快速发展，中尺度气象预报模式得到了广泛应用，其中WRF模式最受欢迎。WRF是美国国家大气研究中心、国家环境预报中心及多个大学、研究机构共同研发的新一代中尺度数值模式系统。WRF模式在水平方向采用ArakawaC交错网格点，竖直方向则采用地形跟随质量坐标，具有灵活、可扩展、易维护和使用计算机平台广泛的特点。WRF模式系统改进了从云尺度到天气尺度等不同尺度重要天气特征预报精度，重点考虑1～10公里的水平网格，结合先进的数值方法和资料同化技术，采用经过改进的物理过程方案，同时具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力，可以很好的适应从理想化的研究到业务预报等应用的需要，并具有便于进一步加强完本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：1)在OpenFOAM中基于GIS数据建立复杂地形CFD模型，生成精细化网格；2)建立中尺度WRF模型模拟复杂地形风场，处理WRF模型的风场数据；3)实现WRF模型和复杂地形CFD模型在边界上的数据耦合，得到复杂地形CFD模型4个侧边界面和顶面上随时间变化的精细化网格风场数据；4)使用OpenFOAM计算耦合后的复杂地形CFD模型，从而获得复杂地形风场特性模拟结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：1)在OpenFOAM中基于GIS数据建立复杂地形CFD模型，生成精细化网格；2)建立中尺度WRF模型模拟复杂地形风场，处理WRF模型的风场数据；3)实现WRF模型和复杂地形CFD模型在边界上的数据耦合，得到复杂地形CFD模型4个侧边界面和顶面上随时间变化的精细化网格风场数据；4)使用OpenFOAM计算耦合后的复杂地形CFD模型，从而获得复杂地形风场特性模拟结果。2.根据权利要求1所述的一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下子步骤：1.1)确定目标的中心经纬度，从GIS地理信息系统中获取目标所在区域的ASTERGDEM30米分辨率大地坐标下的地形数据，使用ArcMap处理GIS数据，从而获得WGS_1984_UTM坐标系下的地形数据网格节点；1.2)参数化建立三维平坦地形CFD模型并生成精细化网格：复杂地形CFD模型的计算域设置为长方体区域，根据实际的地形地貌找到对计算域有影响的复杂地形，计算域包含这些复杂地形，而且采用非结构化三棱柱网格以充分拟合复杂几何边界，其中，在计算域的不同区域采用分辨率不同的网格，复杂地形CFD模型在竖直方向上采用相邻网格尺寸比值为定值的σ网格；1.3)实现计算域的地形数据网格节点与三维平坦地形CFD模型网格节点之间的数据转换：根据三维平坦地形CFD模型中每一个底面网格数据节点的坐标，找到其在地形数据网格节点中的对应位置，然后使用该位置周围的3个地形数据网格节点的高程，通过三角形共面线性插值得到底面网格节点的高程，同时，在三维平坦地形CFD模型中，竖直方向上其余网格节点的高程会随着底面网格节点高程的变化产生相应变化，最终得到修改高程后的复杂地形CFD模型；1.4)通过转化器gambitToFoam导入OpenFOAM，将复杂地形CFD模型转换为OpenFOAM可识别的格式。3.根据权利要求1所述的一种基于OpenFOAM实现WRF和CFD耦合模拟风场的方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下子步骤：2.1)建立中尺度WRF模型模拟复杂地形风场，WRF模型为长方体，水平面方向采用多层嵌套网格，其中，WRF模型内层细密网格的尺寸与外层粗糙网格的尺寸成奇数比关系，以实现双向嵌套；2.2)处理WRF模型计算的不同时间的风场数据，分别得到复杂地形CFD模型周围4个侧边界面和顶面上一系列网格节点上的粗分辨率风场数据(t，x，y，z，u，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘震卿，吴晓波，熊世树，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42