風電場仿真的案例
風電場CFD仿真選擇不同精度粗糙度數據的效果對比分析
現階段風能資源評估在流體仿真中使用的粗糙度數據源主要有ESA300m-2010、ESA10m-2020、LC100m-2019、GLC30-2010與GLC30-2020。
03
風資源發電量計算軟件分析
為對比不同精度粗糙度在風資源評估中對結果的影響，現以某平原項目為例，采用不同粗糙度數據作為輸入進行仿真模擬（其他仿真輸入條件保持一致），對比哪種粗糙度數據對仿真結果更為有利。
【環境仿真專題第一講】使用TELEMAC-MASCARET研究海上風電場的三維海底地形形態變化
上周我們推出了首個專題環境仿真
這周第一個案例如期而至
圖文詳解 仿真思路更清晰
一起來學習吧
在全球陸地資源日益緊張的局面下，海洋資源憑借著巨大空間和節能環保的優勢成為經濟建設的重要一環，
海上風電場就是海洋新能源的標桿和重點領域。
《環境仿真專題》第一講
使用TELEMAC-MASCARET研究海上風電場的三維海底地形形態變化
01
研究背景
海上風電場能有效提高能源采集率，推動節能減排，卻需要耗費高額成本去建設和維護。海上風電場樁基不僅需要在高咸度的海水中支撐數十年，還要經受水流的沖擊、泥沙的堆積。而制定合適的樁基維護策略可以有效延長樁基使用壽命，降低維護成本。
所以通過模擬海上風電場的海底形態變化，了解海上風電場海岸水動力和形態動力學，為樁基維護策略提供技術支持十分重要。
02
軟件介紹
TELEMAC-MASCARET是法國電力集團（EDF）的法國國立水利與環境實驗室開發的一款研究水動力學和水文學領域的高性能數值仿真開源軟件。
展開 【CAE案例】海上風電場的三維海底地形形態變化研究
03 模擬結果
基于利物浦港的Burbo Bank風電廠的模型，模擬了為期30天的大小潮流場，并結合SISYPHE模擬了風電場海底7天內的泥沙遷移情況。
BurboBank風電廠樁基的湍流模擬結果
BurboBank風電廠樁基附近泥沙在5天內的侵蝕和堆積情況，揭示了海床在5天內的形態變化
04 研究結論
使用三維水動力在實驗室尺度上模擬了一個圓柱體周圍的流動，對圓柱體繞流的測量結果與實驗數據吻合較好。盡管三維水動力無法達到與CFD求解器相同的精度，但它仍然可以捕捉并表現流體的關鍵特征。隨后，使用三維水動力模擬了利物浦灣的海上風電場的流場和海床形態，結果中可以清楚地看出單個樁基基礎后方的弱流。
05 小結
本案例是將環境仿真技術應用于海上風電場的樁基維護，模擬結果證明水動力仿真軟件有能力預測海上風電場樁基周圍的水流和泥沙輸移。所以，水動力仿真軟件可應用于海床形態變化的模擬，輔助海上風電場運維團隊制定對應的樁基維護策略。
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展開 全球最大海上風電場Walney Extension正式開建
?rsted能源（前身為DONG能源）及其合作伙伴日前宣布，位于愛爾蘭海的Walney Extension海上風電場正式開工建設，總裝機容量達到659兆瓦，超過英國的倫敦陣列，是目前世界上最大的海上風電場。
?rsted在一份聲明中說，該工廠將在坎布里亞郡儀式上舉行落成典禮。英國董事總經理Matthew Wright評論說，該項目在預算范圍內按時完成。
Walney Extension現在是世界上最大的海上風電場，跨越630兆瓦的倫敦陣列。
新的風電場由?rsted擁有50％的股份，以及養老基金PKA和PFA各持有25％的權益。該風電場包括40臺MHI Vestas的8兆瓦渦輪機和47臺7兆瓦的Siemens Gamesa渦輪機，所產生的電力能夠滿足60萬戶英國家庭的用電需求。
此外，該風電場投產還將提供超過250個工作崗位，主要涉及運維服務。
開發商已經創建了一個1500萬英鎊的Walney Extension社區基金，以支持當地的項目和組織。它將在風電場預計的25年壽命期內每年支付約600,000英鎊。
根據計劃，該海上風電場將于2020年投入全面運營。
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展開 
世界最大海上風電場易位
近日，由?rsted開發的Walney Extension海上風電場正式投入商業運行，該風電場總裝機659MW，一舉超越“倫敦矩陣”630MW海上風電場，成為全球總裝機容量最大的海上風電場。
該風電場位于英國Cumbria附近的愛爾蘭海域，離岸20公里，水深20到37米，其中西區安裝了40臺 MHI Vestas V164-8MW 風電機組(可功率提升到8.25MW)，東區安裝了47臺Siemens Gamesa SWT-154-7.0MW風電機組，總裝機達659MW！
目前，海上風電正逐步朝向大型化方向發展，8MW、10MW+海上風電機組…更大更深更遠是其未來發展大勢。我國海上風電經過近兩年的快速發展，已成功位居全球海上風電市場前三，未來海上風電市場將如何變化，我們拭目以待!
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展開 【EDF開源CAE】TELEMAC-MASCARET在北海風電場作業波預警中的應用
TELEMAC-MASCARET是法國電力集團（EDF）的法國國立水利與環境實驗室開發的一款研究水動力學和水文學領域的高性能數值仿真開源軟件。基于有限元法，使用不規則三角網格，讓復雜的海岸線和河口的描繪更為精確。該軟件可以構建1D，2D和3D水動力學模型以解決波浪傳播, 波浪振動特性，水質污染，泥沙輸運和海床形態變化等問題，擁有豐富的用戶技術支持和廣泛的工業應用及驗證。
01
研究背景
北海是北大西洋的一部分，位于大不列顛島以東，斯堪的納維亞半島西南和歐洲大陸以北，北海海底有豐富的石油儲藏。除靠近斯堪的納維亞半島西南端有一平行于岸線的寬約28～37公里，水深200～800 米的海槽外，大部分海區水深不超過100米 ，南部淺于40米。英格蘭北面外海有很多冰磧物構成的沙洲、淺灘，其中面積達650平方公里的多格淺灘水深僅15～30米，是世界著名的淺海之一。
圖 | 百度百科
在過去20年里，北海海上風電設施大規模擴建，其發展呈指數型增長。在開發海洋可再生能源的同時，我們還需要建立波浪預測工具來維持海上維修隊的安全、規劃海上設施維修以及提高能源生產效率。
波浪預警工具的主要是在一個離散的風電場作業區域內提供近乎實時的波浪預測信息。
展開 仿真科普｜駕馭風場，筑風為友：CAE風環境仿真技術驅動建筑可持續設計
[1]在這一背景下，建筑風環境仿真技術正成為優化人居環境、保障建筑安全的關鍵支撐。CAE風環境仿真技術，通過高精度數值模擬還原真實風場與建筑的相互作用，為建筑可持續設計提供科學決策依據。
圖源網絡
文件《建筑設計環境準則》明確要求建筑方案階段需進行環境影響評估，涵蓋風環境對行人安全、能耗、自然通風的影響分析，并需提出優化措施，同時強調節能設計，要求通過仿真優化建筑布局降低熱島效應，提升室外風舒適性。[2]
“熱島效應” 圖源網絡
海南省《綠色建筑設計規程》文件，要求建筑群體布局長度超30米時，需設置通風過街樓，并應運用計算流體力學（CFD）手段對場地風環境進行模擬預測，完成模擬報告，據此完成規劃設計。[3]
可見，CAE風環境仿真技術可在設計階段精準預測建筑群風場分布，為規劃布局與結構安全提供科學依據。
當傳統風洞試驗面臨周期長、成本高的困境，建筑風環境仿真的優點在于：
（1）費用省、周期短、效率高；
（2）可方便探討各種參數變化對結構性能的影響；
（3）基本不受結構尺度和構造的影響，可盡可能真實地模擬實際結構以及所處的環境，克服試驗中難以滿足雷諾數相似的困難；
（4）數值模擬的結果可利用豐富的可視化工具，提供風洞試驗不便或無法提供的繞流流場信息。[4]
01 建筑風環境仿真的關鍵技術
1.流體力學仿真
計算流體動力學（CFD）技術通過求解控制流體運動的納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations），在計算機上對建筑物周圍風流動所遵循的動力學方程進行數值模擬。
展開 仿真科普｜駕馭風場，筑風為友：CAE風環境仿真技術驅動建筑可持續設計
<sup>[1]</sup>在這一背景下，<strong style="color: rgb(15, 133, 214);">建筑風環境仿真技術正成為優化人居環境、保障建筑安全的關鍵支撐。</strong>CAE風環境仿真技術，通過高精度數值模擬<strong style="color: rgb(15, 133, 214);">還原真實風場與建筑的相互作用</strong>，為建筑可持續設計提供科學決策依據。
展開 Altair軟件陣營新增電場仿真——FieldscaleCharge靜電仿真求解器現已可通過Altair合作伙伴聯盟獲取
2015年10月21日，Troy（美國密歇根）–Altair今日宣布FieldscalePC已攜其電磁仿真軟件Charge加入Altair合作伙伴聯盟(APA)。該軟件專用于靜電仿真，也稱為電場仿真。
“能夠加入Altair合作伙伴聯盟，我們感到十分驕傲。”Fieldscale首席執行官YiorgosBontzios說道，“Fieldscale的下一代仿真軟件將助力工程師以更快速度設計出更為高效的產品，成為廣大結果導向型電氣硬件企業的必備工具。Altair將是這條發展路線上的強有力盟友，我們會幫助工程師實現本以為無法完成的仿真作業。”
工程師可借助Charge分析整個模型的電場情況，而無需進行不實際的簡化。這讓他們可以完成以前無法解決的仿真問題。Charge采用穩定可靠的邊界元法，能夠準確計算復雜結構中的電勢和場強分布。它將仿真過程細化為五個步驟并在一個簡單易用的環境中完成，從而提高生產力和效率。其并行算法可在數分鐘內完成以往需要進行一整夜計算的結果。
“我們熱烈歡迎Fieldscale攜Charge軟件加入APA。”Altair電磁解決方案副總裁UlrichJakobus博士說道，“該工具是一款精確高效、高度并行的求解器，適合用于靜電應用。它使Altair高頻電磁產品FEKO更加完備。”
在能源行業中，工程師可利用Charge設計包括電極、開關、軸襯和絕緣體在內的高壓設備。還可以利用該軟件測試電擊穿和火花放電，從而滿足安全標準，避免設備受損。此外，Charge能夠幫助工程師設計出更高效、更優質的避雷系統，保護建筑、飛機和風力渦輪機農場等。
欲了解有關Fieldscale和Charge的更多信息，請注冊參加將于2015年11月2日上午9點(EST)和下午1點(EST)舉行的產品推介研討會，或訪問Fieldscale的解決方案頁面。
展開 利用Matlab處理Lumerical FDTD的三角納米片電場分布仿真結果
FDTD計算得到的電場分布，但是FDTD通過另存為jpg或者截屏所得到的圖片分辨率很低，得到的圖片往往不能直接使用。因此，可以通過腳本輸入到Maltab，然后再利用Matlab處理圖片并輸出。
??但是將數據從FDTD輸出到Matlab中，并不是想象中那么簡單，經歷了好幾次坑，反復摸索之后，得到了一種比較可行的方案，介紹如下。
1. FDTD原始結果
??這里我們選用三角納米片的電場分布仿真結果進行舉例。圖1是FDTD直接輸出的結果（截圖），可以明顯看出，x方向和y方向的比例并不相同，而且不容易調節成比例尺相同，我目前有兩個可行的方案可以解決這個問題，一種是先建立一個方形的圖片，利用簽字筆在電腦屏幕上畫出方形的邊界，然后再反復調節FDTD的圖片，使其邊界和畫出的邊界重合；第二種方案相對更精準也更方便，借用Snipaste截圖軟件創建一個方形的貼圖，這個好處是這個貼圖可以一直置于頂層，然后再調節FDTD中圖片的邊界即可。這兩種方案都是調節好之后進行截圖，因為直接另存，FDTD輸出的圖片更加模糊，而且也沒有在FDTD Solutions軟件中找到可以設置分辨率的選項（FDTD Solutions版本為2018版），因此可以使用高分辨率截圖軟件或者較高分辨率的軟件，然后將圖片放到PS或者AI中進行分辨率的進一步調節。FDTD中能夠調節的著實比較少，很有必要繼續調整。
2. FDTD結果導出到Matlab
??FDTD數據導入到Matlab主要參考Lumerical官網的介紹文檔matlabsave。
??
展開 基于Actran的汽車風噪仿真技術及應用案例
圖5-9 車內測點頻譜曲線，由于涉密原因隱去坐標值，僅顯示趨勢
在項目執行中期階段，該品牌汽車風噪開發人員表示Actran可以完成AWPF和TWPF的計算，且車內空腔六面體網格技術效率較高，在較短的時間內得到的曲線整體趨勢與實驗吻合度較好。仿真得到噪聲曲線對窗結構的邊界條件定義較為敏感。我們觀察到仿真結果在頻率上的抖動，有可能為窗結構的邊界與實際存在不一致，產生較強的模態效應所致，這方面作為該汽車企業風噪仿真后續工作的調整方向之一。
相關技術資料的獲取請聯系MSC相關技術人員。
展開 
案例分享 | 基于Adams的側風穩定性極端工況仿真
盡管已知這種方法可為緊湊型和中型車輛提供令人可接受的結果，但無法預測極端的側風工況下車輛所受的作用力和力矩。此外，仿真誤差與車輛的尺寸成比例。
為了解決這些工程問題，開發了一種更高保真度的工程仿真方法。通過計算流體動力學（CFD）仿真計算出的空氣動力被施加到多體動力學（MBD）仿真上，來模擬車輛對側風工況的響應。Adams用于車輛動力學仿真。CFD工具可仿真流場。CFD模型的輸出，即空氣作用力和力矩，施加于Adams模型，以計算側風工況下的橫擺、側傾和側向加速度響應。由于側風對車輛的整體操縱特性的影響有限，并且對計算資源需求的不斷增加，因此未計算車輛在側風工況下的平移和俯仰運動。
利用Ford Everest（大型運動型多用途車），Ford Escort（中型轎車）和Ford B-Max（小型多功能車）對CFD和MBD聯合仿真方法進行測試。鑒于其獨特的車身風格，它們對側風工況有不同的車輛響應。
圖 1 仿真車輛平臺
Everest和Escort是新的平臺，用以標定模型的參考數據較少，這給工程師帶來了額外的挑戰。根據從比利時洛默爾的福特試驗場獲得的測量數據對建模方法進行了驗證。同時全尺寸的風洞試驗也用于靜力和力矩的標定。
圖 2 比利時福特洛默爾試驗場的物理側風發生器測試設施。
（A）側面風力發電機風扇陣列
（B）測試車輛路徑
實驗裝置
測試車輛以恒定速度沿特定軌跡行駛過一排風扇，風扇與車輛路徑保持一定距離，并與道路成一定角度一遍定義可重復的側風工況。
測試程序會產生角度為20°陣風、陣風長度約為16.6m（大約三個車長）。
這對應于2Hz的干擾頻率。
車輛的轉向保持零位，以消除駕駛員輸入對車輛響應的任何影響。
展開 案例分享 | 基于Adams的側風穩定性極端工況仿真
盡管已知這種方法可為緊湊型和中型車輛提供令人可接受的結果，但無法預測極端的側風工況下車輛所受的作用力和力矩。此外，仿真誤差與車輛的尺寸成比例。
為了解決這些工程問題，開發了一種更高保真度的工程仿真方法。通過計算流體動力學（CFD）仿真計算出的空氣動力被施加到多體動力學（MBD）仿真上，來模擬車輛對側風工況的響應。Adams用于車輛動力學仿真。CFD工具可仿真流場。CFD模型的輸出，即空氣作用力和力矩，施加于Adams模型，以計算側風工況下的橫擺、側傾和側向加速度響應。由于側風對車輛的整體操縱特性的影響有限，并且對計算資源需求的不斷增加，因此未計算車輛在側風工況下的平移和俯仰運動。
利用Ford Everest（大型運動型多用途車），Ford Escort（中型轎車）和Ford B-Max（小型多功能車）對CFD和MBD聯合仿真方法進行測試。鑒于其獨特的車身風格，它們對側風工況有不同的車輛響應。
圖 1 仿真車輛平臺
Everest和Escort是新的平臺，用以標定模型的參考數據較少，這給工程師帶來了額外的挑戰。根據從比利時洛默爾的福特試驗場獲得的測量數據對建模方法進行了驗證。同時全尺寸的風洞試驗也用于靜力和力矩的標定。
圖 2 比利時福特洛默爾試驗場的物理側風發生器測試設施。
（A）側面風力發電機風扇陣列
（B）測試車輛路徑
實驗裝置
測試車輛以恒定速度沿特定軌跡行駛過一排風扇，風扇與車輛路徑保持一定距離，并與道路成一定角度一遍定義可重復的側風工況。
測試程序會產生角度為20°陣風、陣風長度約為16.6m（大約三個車長）。
這對應于2Hz的干擾頻率。
車輛的轉向保持零位，以消除駕駛員輸入對車輛響應的任何影響。
展開 案例分享 | 基于Adams的側風穩定性極端工況仿真
盡管已知這種方法可為緊湊型和中型車輛提供令人可接受的結果，但無法預測極端的側風工況下車輛所受的作用力和力矩。此外，仿真誤差與車輛的尺寸成比例。
為了解決這些工程問題，開發了一種更高保真度的工程仿真方法。通過計算流體動力學（CFD）仿真計算出的空氣動力被施加到多體動力學（MBD）仿真上，來模擬車輛對側風工況的響應。Adams用于車輛動力學仿真。CFD工具可仿真流場。CFD模型的輸出，即空氣作用力和力矩，施加于Adams模型，以計算側風工況下的橫擺、側傾和側向加速度響應。由于側風對車輛的整體操縱特性的影響有限，并且對計算資源需求的不斷增加，因此未計算車輛在側風工況下的平移和俯仰運動。
利用Ford Everest（大型運動型多用途車），Ford Escort（中型轎車）和Ford B-Max（小型多功能車）對CFD和MBD聯合仿真方法進行測試。鑒于其獨特的車身風格，它們對側風工況有不同的車輛響應。
圖 1 仿真車輛平臺
Everest和Escort是新的平臺，用以標定模型的參考數據較少，這給工程師帶來了額外的挑戰。根據從比利時洛默爾的福特試驗場獲得的測量數據對建模方法進行了驗證。同時全尺寸的風洞試驗也用于靜力和力矩的標定。
圖 2 比利時福特洛默爾試驗場的物理側風發生器測試設施。
（A）側面風力發電機風扇陣列
（B）測試車輛路徑
實驗裝置
測試車輛以恒定速度沿特定軌跡行駛過一排風扇，風扇與車輛路徑保持一定距離，并與道路成一定角度一遍定義可重復的側風工況。
測試程序會產生角度為20°陣風、陣風長度約為16.6m（大約三個車長）。
這對應于2Hz的干擾頻率。
車輛的轉向保持零位，以消除駕駛員輸入對車輛響應的任何影響。
展開 Comsol非等溫流仿真地送風的新風系統 ￥3500
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p> 新風系統是由送風系統和排風系統組成的一套獨立空氣處理系統，它分為管道式新風系統和無管道新風系統兩種。管道式新風系統由新風機和管道配件組成，通過新風機凈化室外空氣導入室內，通過管道將室內空氣排出；無管道新風系統由新風機組成，同樣由新風機凈化室外空氣導入室內。相對來說管道式新風系統由于工程量大更適合工業或者大面積辦公區使用，而無管道新風系統因為安裝方便，更適合家庭使用。</p><p><br></p><p>按送風方式分類: 1、單向流新風系統 2、雙向流新風系統 3、地送風系統</p><p><br></p><p> 其中地面送風系統的優缺點: 由于二氧化碳比空氣重，因此越接近地面含氧量越低，從節能方面來考慮，將新風系統安裝在地面會得到更好的通風效果。從地板或墻底部送風口或上送風口所送冷風在地板表面上擴散開來，形成有組織的氣流組織;并且在熱源周圍形成浮力尾流帶走熱量。由于風速較低，氣流組織紊動平緩，沒有大的渦流，因而室內工作區空氣溫度在水平方向上比較一致，而在垂直方向上分層，層高越大，這種現象越明顯。由熱源產生向上的尾流不僅可以帶走熱負荷，也將污濁的空氣從工作區帶到室內上方，由設在頂部的排風口排出。底部風口送出的新風，余熱及污染物在浮力及氣流組織的驅動力作用下向上運動，所以地送風新風系統能在室內工作區提供良好的空氣品質。
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