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地形分类及其影响因素在风资源评估领域的应用

时间:2023-06-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:在风资源评估领域,通常用地形的坡度来对其复杂程度进行分类。图2-13 实际地形坡度与虚拟地形坡度示意图一般认为,当迎风坡度大于22°,背风坡度大于17°时,即发生脱流现象。图2-14~图2-17展示了四类地形的典型样貌,是一种定性的分类方法。第一类和第二类可视为简单地形,使用线性风流模型,如WAsP,可以得到满意的模拟结果。湍流会增加风力发电机组的载荷,严重时可导致故障频发和寿命缩短,因此在山地地形建设风电场时要格外注意。

地形分类及其影响因素在风资源评估领域的应用

地形是风的下边界(下垫面),其起伏波动对风流的影响至关重要。在风资源评估领域,通常用地形的坡度来对其复杂程度进行分类。图2-7中,风流是附着于地表层流(或平流)的,而当坡度增加到一定程度后,风流不再附着于地表,而是发生脱离(分离)现象,如图2-13所示。脱流层中产生涡旋,形成虚拟的地形,使风流感受到的虚拟地形坡度小于实际地形的坡度。脱流问题使风流不再遵循近似的线性规律,使风流模型和风资源评估变得十分复杂[16,17]

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图2-13 实际地形坡度与虚拟地形坡度示意图

一般认为,当迎风坡度大于22°,背风坡度大于17°时,即发生脱流现象。因为自然界的风向是变化的,迎风坡可能变成背风坡,因此通常以17°作为简单地形和复杂地形的分界。图2-14~图2-17展示了四类地形的典型样貌,是一种定性的分类方法。

第一类(见图2-14)和第二类(见图2-15)可视为简单地形,使用线性风流模型,如WAsP,可以得到满意的模拟结果。

第三类(见图2-16)复杂山地,地形则变得复杂,线性模型高估了地形的风加速效应,因此需要使用三维的数值模型进行对风流的模拟。虽然线性模型不适合复杂的地形,但是可以通过评估高估或低估的程度加以修正,通常还是可以得到较为满意的结果的。

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图2-14 第一类:平坦地形[4]

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图2-15 第二类:简单山地地形[4]

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图2-16 第三类:复杂山地地形[4]

第四类(见图2-17)特殊复杂山地地形(如高山深谷),极其复杂多变,几乎任何风流模型都不大可能给出满意的结果。从另一个角度说,这种地形可能本身就不适合建设风电场。

复杂地形的另一个重要影响是产生大量的湍流,脱流本身就是涡旋和湍流产生的过程。湍流会增加风力发电机组的载荷,严重时可导致故障频发和寿命缩短,因此在山地地形建设风电场时要格外注意。

图2-11和图2-13中,为理想化的光滑山体,而实际的山体表面是粗糙的。图中的风流是平稳的,而实际的风流却是湍动的。任何对自然地表的湍动风流的描述,一般都应该研究两个复杂的模型问题:地表粗糙度和脱离流。另外,这两个特性通常同时发生,因此它们的效应应该同时考虑,而不是分开研究[17]。然而,两个问题的极端复杂性通常迫使研究者对它们分开来单独研究。仅是最近几年,把两个模型统一描述才成为可能,如Loureiro于2008年提出了边界层底层的新处理方法,理论上可以描述粗糙地表的附着流和脱离流[19]。这些描述并不成熟,尚未得到广泛的应用,因此本书仍然采取单独研究的方法。

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图2-17 第四类:特殊复杂山地地形[4]

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