引 言

早期 CFD 廣泛用于空氣動力學，比如飛機外形設計、發動機設計、汽車外形設計、渦輪發動機設計，以及一些傳熱傳質工業設備，比如流化床等，其特點是能夠建立復雜形狀的網格，很好地模擬復雜結構內的流場。隨著計算機技術的發展，CFD 可以建立更大規模的網格，用于風工程、環境工程領域，研究橋梁抗震、高速列車安全、街區空氣污染等。

隨著風能開發利用規模的擴大，需要對大氣邊界層流場中更多微尺度的運動過程進一步研究。Raithby 等基于 CFD 開展的山地風場研究是這方面最早的工作之一。然而，CFD 對于復雜下墊面高雷諾數的大氣邊界層風場模擬仍面臨挑戰。

本文首先回顧了風能模型的發展 ，包括基于CFD 的風能模型，之后從中尺度到微尺度的“降尺度”、尾流模擬和復雜地形風場模擬 3 個方面詳細評述了 CFD 在風能開發利用中的重要作用，最后對風能模型發展過程中 CFD 方法所面臨的挑戰進行了展望。

風能評估和風電選址模型

CFD模型

大多數 CFD 模型對 N-S 方程進行求解，并使用恒定的入口風剖面運行到收斂。對于理想的情況，比如懸崖或丘陵二維/三維流動， CFD模型表現良好，并能刻畫出湍流的高精度細節特征。

研究發現，由于能夠自適應地生成各種復雜地形上的貼體網格，處理局部的復雜流動，CFD 模型更適應于復雜地形條件下的邊界層流場模擬。

但有一些研究也表明，CFD 模型并非在所有情況下都優于行業標準的 WAsP 模型，在平坦地形 WAsP的模擬結果要好于某些 CFD 模型。

數值天氣預報（NWP）模型

中尺度數值天氣預報模型通過質量、動量、熱量、水汽以及其他如氣溶膠等守恒方程的時間、空間積分計算預報大氣系統的演化過程，在風能開發利用中已得到廣泛應用。各種模式的守恒方程采用不同的近似方案和云物理、沉降、湍流、通量等參數化方案，不同模式的網格劃分、數值方法、初邊界條件設置、坐標系的選擇等也不相同，各有各的局限性。其近地層、邊界層、次網格參數化方案對近地層風速模擬影響較大。此外，通過方程組的坐標變換來描述復雜地形，需要對地形進行不同程度的平滑，獲得計算穩定性，對于陡峭地形，可能會出現較大計算誤差。目前廣泛使用的預報模式有 MASS、WRF、MM5、RAMS、ARPS、MC2、KAMM 等。

對于復雜地形風場的精細化數值模擬，需要采用動力降尺度的方法來實現，通過預報模式和診斷模式相結合計算三維流場。診斷模式包括 Jackson Hunt 型模型和質量守恒一致模型。

耦合模型

由于模擬尺度跨度大、計算成本高，當前風能模型的發展趨勢是 NWP 模型與 CFD 模型耦合，并取得了不少成果 。

其中，NWP 與 LES 嵌套耦合用于風能研究逐步受到廣泛關注 。大渦模式起源于邊界層模擬，現在可以用全物理參數化方案（輻射、微物理、云對流、地面-大氣相互作用、湍流等）求解非定常、非線性 N-S 方程。與 RANS 模型相比，它們在高分辨率下運行，接近三維湍流的慣性子區，因此能夠在參數化小尺度湍流時直接解出重要的含能尺度湍渦。美國國家大氣研究中心在 WRF 基礎上，結合實時四維數據同化技術，通過 FDDA 根據大尺度天氣確定 LES 的網格，形成天氣尺度和微尺度嵌套的多尺度天氣模式（WRF-RTFDDA-LES），模擬真實天氣環流的重點地區風場，如風力發電場。

風功率預測模型

2002—2006 年，歐洲 7 個國家 20 多個組織開展 ANEMOS 項目，應用中尺度氣象模式、CFD 模型和各種風速預報模型，進行復雜地形極端天氣的風功率預報研究。近年來人們用神經網絡、小波分析和模糊邏輯等新方法顯著地提高了預報精度，并且預報長度達到了24～36 h。風功率預報模型現在已經在風電場風力發電過程中得到廣泛應用。

CFD在風能發展中的應用

尾流模擬

隨著計算能力的發展，CFD 越來越多地用于風力發電機建模。這里必須區分轉子、近尾流和遠尾流區域：近尾流通常指風力發電機下風處一個轉子直徑內的區域，在此之外是遠尾流區域，風力發電機引起的渦旋結構開始分解，對葉片的空氣動力學的研究被歸為轉子模型。基于 N-S 方程，轉子和近尾流計算大約在 10 m/s 風速閾值下可以得到較好的結果。與非定常 RANS 相比，LES 可模擬更高分辨率的湍流尺度，對分析非定常葉片載荷和風力發電機尾流演化具有重要意義。

復雜地形風電場模擬

近年來 ，復雜地形風場 CFD 模擬得到快速發展。Murakami 等基于 CWE 發展了局地風場預報系統進行風電場選址，用新的線性 k-ε 湍流模型和冠層模型精確預測局地風能分布，對二維山脊、山地以及草地下墊面的起伏地形的預測結果比 WAsP 好。

使用 CFD 模擬復雜地形大氣流動通常非常耗時。對于目前的處理器，只有使用并行計算才足以使用 CFD 進行風場預測，即代碼運行速度比真實天氣演變更快。Castro 等用并行版本的 VENTOS CFD，成功進行了風電場風功率預報，并與中尺度模式結合，形成短期預測工具，對位于葡萄牙北部門多羅/布斯塔維德風電場進行模擬，顯示了并行效率對預測的影響。

參考文獻：程雪玲. 風能模型的發展及CFD在風資源開發利用中的應用[J]. 空氣動力學學報, 2023, 41(6): 1-15.

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