FLUENT在复杂地形风场精细模拟中的应用研究_李磊

FLUENT在复杂地形风场精细模拟中的应用研究*李 磊（深圳市国家气候观象台，深圳市气象局，深圳，518040）摘 要本文尝试将计算流体力学软件FLUENT用于复杂地形风场的精细模拟研究，所进行的一系列数值模拟试验表明：由于采用了中尺度模式较少采用的计算机辅助建模、非结构化网格和有限体积法等技术，FLUENT 可以实现复杂地形乃至极度陡峭地形上的风场模拟，完成普通中尺度模式难以完成的任务。

相比于普通中尺度模式，FLUENT可以更为精确地描述下垫面的复杂地形特征，因而能够在小尺度范围内得到分辨率更高、且更为准确的复杂地形上的近地层风场模拟结果。

关键词：FLUENT, 计算流体力学, 复杂地形, 风场, 精细模拟1 引言了解近地层的风场特征，对于风能评估、大气环境影响评价以及气象灾害风险评估都有着非常重要的意义。

然而在复杂地形上，近地层风场分布具有高度的非均匀性，观测数据所能代表的范围非常有限，在这种情况下，利用数值模拟方法获得复杂地形条件下高分辨率的近地层风场资料，就显得非常重要。

事实上，模拟复杂地形上的风场结构，一直是大气科学中一个重要的问题，许多学者已经针对大气环境评价、风能评估等不同方面的需求，从不同角度展开研究，并取得了丰富的成果[1-11]。

这些研究主要基于中尺度模式展开，通常采用地形追随坐标，通过方程组的坐标变换来描述复杂地形，在数值计算方法上以差分格式为主。

中尺度模式的空间分辨率最高可达到100m数量级，且在模拟的前处理阶段需要对地形进行不同程度平滑，以获得计算上的稳定性[12, 13]。

对于中尺度模式而言，当遇到极为陡峭的地形时，有可能出现积分溢出的情况。

近年来，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）类的模式在气象领域的应用正在得到越来越多的关注，尤其是在城市微尺度风场及污染扩散研究中已经得到了较广泛的应用[14-17]。

CFD类模式处理复杂几何体的能力引起了一些气象学者的注意，逐渐尝试将其应用到复杂地形风场模拟中。

基于FLUENT的风力发电机流场仿真研究共3篇基于FLUENT的风力发电机流场仿真研究1随着环保意识的增强和可再生能源的广泛应用，风力发电成为了备受关注的一种清洁能源。

在风力发电机的设计和研发过程中，对其流场特性的研究至关重要。

FLUENT作为一种基于CFD （计算流体力学）的软件，可以用来模拟风力发电机的流场，对其性能进行评估、优化与改进。

风力发电机是一种将风能转换为电能的设备，其主要结构由叶片、轮毂、塔架、发电机等组成。

在风能的作用下，叶片旋转，带动轮毂旋转，进而带动发电机发电。

因此，叶片的aerodynamic design 对风力发电的效率至关重要。

基于FLUENT的流场仿真可以模拟风力发电机的空气流动情况，包括空气流速、压力分布、湍流情况等。

通过分析仿真结果，可以优化叶片的 aerodynamic design，提高风力发电机的效率和输出能力。

风力发电机在不同的气候条件和地形条件下的效果不同。

通过FLUENT的流场仿真，可以对不同环境条件下的风力发电机进行模拟和测试。

同时，在风力发电机的设计过程中，FLUENT可以用来预测其性能参数，包括功率、转速、风速等。

通过不断调整和优化设计方案，可以取得更好的性能表现。

除了叶片设计和性能预测，FLUENT还可以用来研究风力发电机与周围环境的相互影响。

在实际应用中，风力发电机一般建设在开阔的地区，因此其周围环境可能会对其性能产生影响。

比如在高低起伏的地形中，风力发电机的性能可能因叶片在不同高度处风阻不同而受到影响。

通过FLUENT的流场仿真，可以对不同地形条件下的风力发电机进行模拟，了解其周围环境对其性能的影响，进而制定相应的优化措施。

总之，基于FLUENT的风力发电机流场仿真研究可以为风力发电的设计和开发提供重要的支持和指导。

通过精确的流场模拟和优化，可以使风力发电机的性能得到最大化的提高，为可再生能源的推广和利用做出贡献基于FLUENT的风力发电机流场仿真研究是提高风力发电机性能的有效途径。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810681919.X(22)申请日 2018.06.27(71)申请人 广东电网有限责任公司电力科学研究院地址 510080 广东省广州市越秀区东风东路水均岗8号(72)发明人 罗啸宇　谢文平　肖凯　聂铭　雷旭　姚博　刘震卿　吴晓波　(74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限公司 11227代理人 张春水　唐京桥(51)Int.Cl.G06F 17/50(2006.01)(54)发明名称一种基于WRF和Fluent耦合的复杂地形风场模拟方法及装置(57)摘要本发明公开了一种基于WRF和Fluent耦合的复杂地形风场模拟方法及装置，本发明通过WRF模式模拟所述CFD三维复杂地形模型的粗分辨率风场数据，并建立WRF风场网格模型，并在处理WRF风场网格模型计算的风场数据，通过使用距离倒数加权法或三点共面线性插值法进行插值，得到CFD三维复杂地形模型的5个边界面风场数据，相比曲线拟合的计算方式更加简单和直接，避免曲线拟合在风速波动较大时出现较大偏差的情况，解决了现有的复杂地形风场模拟方法精确度低的技术问题。

权利要求书2页 说明书9页 附图5页CN 108776745 A 2018.11.09C N 108776745A1.一种基于WRF和Fluent耦合的复杂地形风场模拟方法，其特征在于，包括：S1：根据GIS高程数据，建立CFD三维复杂地形模型；S2：通过WRF模式模拟所述CFD三维复杂地形模型的粗分辨率风场数据，并建立WRF风场网格模型；S3：根据所述WRF风场网格模型，通过距离加权法或三点共面线性插值法计算所述CFD 三维复杂地形模型的边界面中预置坐标点的风速分布数据，其中，所述风速分布数据包括：x方向风速U，y方向风速V，z方向风速W；S4：判断已计算的边界面数量是否为5，若是，则执行步骤S5，若否返回步骤S3，得到未计算的非底面边界面的所述风速分布数据；S5：驱动Fluent对所述风速分布数据进行计算，得到复杂地形风场湍流模型。

fluent 土木案例Fluent土木案例Fluent是一款流体力学模拟软件，可用于模拟各种流体现象，包括空气、水、油等。

在土木工程领域，Fluent可以用于模拟建筑物风荷载、水力学问题等。

本文将介绍一个Fluent在土木工程领域的应用案例。

案例背景：某城市的一座高层建筑在建设过程中出现了风荷载过大的问题。

建筑物位于城市中心，周围有许多高楼大厦，风场非常复杂。

为了解决这个问题，工程师们使用了Fluent进行数值模拟分析。

分析过程：1. 建立模型首先，工程师们需要建立一个建筑物的三维模型。

他们使用了CAD软件绘制了该建筑物的平面图和立面图，并将其导入到Fluent中进行三维重构。

由于该建筑物比较复杂，需要花费一定时间来完成三维重构。

2. 设定边界条件在模型建立完成后，工程师们需要设定边界条件。

由于该建筑物位于城市中心，周围有许多高楼大厦和道路，在设定边界条件时需要考虑这些因素。

工程师们将周围建筑物和道路的影响考虑在内，并设置了适当的边界条件。

3. 进行数值模拟在设定好边界条件后，工程师们开始进行数值模拟。

他们使用了Fluent中的风场模块，对建筑物受到的风荷载进行了模拟分析。

由于该建筑物高度较大，需要考虑不同高度处的风荷载情况。

4. 分析结果经过数值模拟分析，工程师们得出了该建筑物在不同风速下的受力情况。

他们发现，在某些风速下，该建筑物受到的风荷载超过了设计标准，存在安全隐患。

5. 优化方案根据分析结果，工程师们提出了一些优化方案。

他们通过增加建筑物表面的细节设计、改变建筑物形状等方式来减小风荷载。

然后再次使用Fluent进行数值模拟分析，并得出最终方案。

6. 结果验证最后，工程师们对最终方案进行了实验验证，并发现其有效性得到证实。

他们成功地解决了该建筑物在施工过程中遇到的风荷载过大的问题。

总结：通过Fluent的数值模拟分析，工程师们成功地解决了该建筑物在施工过程中遇到的风荷载过大的问题。

Fluent为土木工程领域提供了一种高效、准确、可靠的分析方法，为工程师们提供了有力的帮助。

基于FLUENT的下击暴流风场的数值模拟
马朋
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2010(036)033
【摘要】基于冲击射流理论,利用CFD(Computational Fluid Dynamics)通用商业软件FLUENT对下击暴流风场建立三维数值模型,分析了下击暴流风场径向速度的竖向剖面分布,并将此结果与三种经验风速剖面和一种实测风速剖面进行对比,认为此模拟方法所得到的下击暴流风场可信,这对进一步研究实际工程的抗风设计有一定的借鉴意义.
【总页数】2页(P77-78)
【作者】马朋
【作者单位】山西潞安高纯硅业科技有限公司,山西,长治,046108
【正文语种】中文
【中图分类】TU312.1
【相关文献】
1.基于FLUENT的下击暴流风场建模 [J], 苏国威;李瑞克
2.山脉地形下击暴流风场数值模拟 [J], 汪之松;唐阳红;方智远;思建有
3.基于壁面射流的下击暴流风场特性研究 [J], 洪艺然; 李昌茂; 肖云凤; 周娇
4.基于壁面射流的下击暴流风场特性研究 [J], 洪艺然; 李昌茂; 肖云凤; 周娇
5.下击暴流风雨场的数值模拟 [J], 丁梦阳;吉柏锋
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基于CFD技术进行复杂地形风资源评估及验证摘要：目前风电场开发项目涉及较多复杂地形的区域，以往的线性模型由于本身的模型限制，对风资源评估产生较大的不确定性，同时由于项目测风塔数量较多，如何进行多个测风塔的综合分析利用，得到可靠的结果，这也是复杂地形风能资源评估的核心问题之一。

本文针对河北风电场实际工程项目，采用基于计算流体力学技术的法国美迪WT软件进行此项目的风资源评估，并通过现场多个测风塔的外推结果，来验证美迪WT软件在复杂地形条件下进行风资源计算评估的可靠性，在以往线性模型的基础上增加了风资源评估的手段与方法。

关键词：复杂地形，风资源，CFD，美迪WTAbstract: at present, the wind farm development project involves more complex terrain area, the former linear model because of their limited model, the wind resources evaluation produce greater uncertainty, at the same time as the wind towers project quantity, how to measure wind towers over the comprehensive analysis of the use of, have a reliable results, this also is the complicated terrain wind resources evaluation one of the core problems. This article in view of the actual project hebei wind farms, the computational fluid dynamics technology based on the French meidi WT software to the project, the wind resources evaluation, and through the field more measured the wind towers outside push results, to verify the software in the complex terrain meidi WT under conditions of the wind resources evaluation calculation of reliability, in past the linear model based on wind resources evaluation of increased means and methods.Keywords: complex terrain, the wind resource, CFD, meidi WT1、引言本项目工程位于河北省北部山区，项目总面积约120平方公里，测风塔4座，林区覆盖，但山顶为荒草地，海拔在1400-2200米之间，海拔变化较大，气候条件恶劣，经常出现大风及降雪天气，是典型的复杂地形项目。

复杂地形条件下应用CFD技术进行风能资源评估应用分析殷建光【摘要】Tis paper introduced simulated extrapolation and cross validation with the actual data between diferent anemometer tower of one project in Yunnan under the condition of complex topography. At the same time, diferent weight coefcient has been used to do multi met mast synthesis computation, it can also improve the results. Trough the actual data validation for diferent anemometer tower, it confrmed the technology of computational fuid dynamics in a complex environment with complex mountainous region under the condition of validity and reliability.%本文介绍了中国云南某地形极其复杂的风电项目不同测风塔之间进行模拟外推并与实际数据进行交叉验证的例子。

同时，结合多测风塔综合技术，在不同权重情况下进行多塔综合，并对风流评估进行改进。

通过对不同测风塔实际数据的验证，再次确认了计算流体力学技术在复杂环境与复杂山地条件下的有效性及可靠性。

【期刊名称】《风能》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】6页(P90-95)【关键词】复杂地形;风能资源评估;计算流体力学【作者】殷建光【作者单位】国电联合动力技术有限公司，北京 100039【正文语种】中文【中图分类】TM6140 引言本文选取中国云南省复杂山区的一个实际项目（整个计算模拟区域的最高海拔在3274m，最低海拔在1422m，海拔落差达1852m）为例，该项目有多个测风塔，如图1所示，塔高均为70m，并且数据同期，便于进行交叉验证与分析。

基于FLUENT的建筑物风沙两相流场数值模拟摘要：本探究基于FLUENT软件，对建筑物风沙两相流场进行了数值模拟。

通过建立合适的数学模型和边界条件，对风沙流场在建筑物表面的运动和沉积进行了探究，利用FLUENT软件进行了数值模拟，并对模拟结果进行了分析和谈论。

探究结果表明，该数值模拟方法能较好地模拟风沙两相流场在建筑物表面的运动和沉积过程，可为建筑物防风沙设计提供参考依据。

关键词：FLUENT；建筑物；风沙；两相流场；数值模拟1. 引言在沙漠地区以及风沙频发的地区，风沙对建筑物的冲刷和侵蚀是一个普遍存在的问题。

风沙的冲刷会导致建筑物表面的损坏和老化，给建筑物的使用寿命和安全性带来恐吓。

因此，探究风沙流场的运动规律和在建筑物表面的沉积过程，对于建筑物防风沙设计具有重要意义。

2. 方法和模型2.1 数学模型建立建筑物风沙两相流场数值模拟模型是探究的关键工作之一。

建筑物表面的沉积过程是一个多相流问题，需要思量气相的运动和颗粒物的输运。

我们接受了Eulerian-Eulerian模型来描述两相流场的运动。

在此模型中，气相和颗粒物被视为两个互相作用的连续介质，分别由Navier-Stokes方程和扩散输运方程描述。

此外，还思量了颗粒物的颗粒颗粒碰撞、颗粒物与建筑物表面的碰撞等过程。

2.2 边界条件在建筑物风沙两相流场数值模拟中，选择合适的边界条件是保证模拟结果准确性的关键。

在建筑物表面，思量到风沙的沉积和建筑物的阻挡作用，设定了颗粒物和气相的不同边界条件。

对于建筑物表面，思量了阻尼层的存在，设定了颗粒物的边界条件为零通量边界。

对于建筑物四周的气相，设定了进口和出口边界条件，以保证气相流场的稳定运动。

3. 数值模拟结果和分析通过FLUENT软件对建筑物风沙两相流场进行了数值模拟，并得到了相应的模拟结果。

我们对模拟结果进行了分析和谈论，得出了以下几点结论：3.1 风沙的运动规律模拟结果显示，风沙在建筑物表面呈现出不同的运动规律。

3国家自然科学基金(40233030)资助E 2mail :LI L @M AI 文章编号:1002—1175(2004)0420476205Fluent 在城市街区大气环境中的一个应用3李　磊1,2　胡　非1　程雪玲1　韩浩玉1(1中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室,北京100029;2中国科学院研究生院,北京100039)(2003年9月15日收稿;2003年11月17日收修改稿)摘　要　利用CFD 软件Fluent 建立了一个三维街道十字路口模型,模拟了2种风向条件下街区风速分布和C O 质量浓度分布的情况.结果表明,十字路口的建筑物布局与风向共同作用,会对街区的风速和C O 质量浓度分布产生很大影响.模拟结果表明,CFD 对所建模型模拟结果合理,用于街区大气环境问题研究有着良好前景.关键词　CFD ,Fluent ,城市街区,大气环境中图分类号　X161　引言城市街区的大气环境问题,是近年来的一个研究热点.研究汽车尾气如何在街区扩散、如何对空气造成污染,是研究对策、防治汽车尾气对人类造成危害的基础.国内外一些学者研制和开发了不少针对街区污染的数值模式[1—3],但这些模式的一个共同缺点是,只能模拟极度简化的街区,仅考虑两侧为连续建筑物的街道峡谷的情况.而实际街区建筑物布局远比这些模式所考虑的情况复杂,街道两旁建筑物通常参差不齐,街道本身的布局也纵横交错,已有的街道峡谷模式,无论从定量还是定性上对实际的街区都力不从心.CFD (C om putational Fluid Dynamics )是一种研究流体力学的计算技术,利用CFD 建立研究对象的计算模型,将流体动力学应用于模型上进行计算,可以分析研究流体在该模型上的动力学和热力学行为.街区内大气环境问题本质上可看作一种带有物质(污染物)输运的流体力学问题,因而在设立合理计算模型和边界条件的前提下,用CFD 技术研究街区内的大气环境问题是可能的.本文利用商业CFD 软件Fluent 建立了一个街道十字路口的计算模型,考虑2种不同风向条件,对计算结果进行分析,证明Fluent 可有效应用于城市街区大气环境问题.2　Fluent 软件简介Fluent 软件为美国Fluent 公司所开发的商业CFD 软件,在全世界范围内有着众多用户.Fluent 可以模拟从不可压缩流体到高度可压缩流体的复杂流动问题,采用多种求解方法和多重网格加速收敛技术,能达到很好的收敛速度和求解精度.目前Fluent 被广泛应用于与流体力学相关的航天、水运、汽车制造、工程设计等各个行业,其良好模拟性能享有盛誉.Capeluto 等曾利用Fluent 评估一个拟建城市商业区设计的合理性,并取得了很好效果[4].Chang 等曾将Fluent 的模拟结果和风洞实验结果进行比较,发现Fluent 模拟结果与风洞实验模拟的街道峡谷内风场和污染物浓度场的观测结果吻合得很好[5].这说明,第21卷第4期2004年10月中国科学院研究生院学报Journal of the G raduate School of the Chinese Academy of Sciences V ol.21October N o.42004将Fluent 用于街区的大气环境研究是可行的.近年来,国内的Fluent 用户也开始增多,并且已经开始将它应用到与环境相关的问题上[6].构成Fluent 主要框架的动量守恒方程和质量守恒方程组如下:动量守恒方程55t (ρu i )+55x j (ρu i u j )=-5p 5x i +5τij 5x j+ρg i +F i ,(1)式中　u i 为i 方向流体速度;p 为静压力;τij 为应力张量,如(2)式定义;ρg i 为重力;F i 为其他外力.τij =μ5u i 5x j +5u j 5x i -23μ5u k 5x k δij ,(2)式中　μ为动力黏性系数.质量守恒方程(连续方程)5ρ5t +55x i(ρu i )=s m ,(3)式中　s m 为源项.对于湍流,Fluent 提供了多种闭合方案供选择,包括标准k 2ε、RNG k 2ε、realizable k 2ε模型等.Chang 等的研究认为,标准k 2ε、RNG k 2ε湍流闭合模型都可以较好地模拟模型街道峡谷内的污染状况[5],而RNG k 2ε方案是在标准k 2ε方案上发展起来的,弥补了标准k 2ε闭合方案的一些不足[7],因此本文选取RNG k 2ε湍流闭合模型用于下文数值模拟.作为Fluent 的前处理器,G ambit 可以建立各种复杂的实体模型,高度自动化.G ambit 具有全面的几何建模能力和灵活的网格划分能力,可对下垫面复杂的计算模型解域进行非结构化网格划分.另外,G ambit 所建模型可方便地选取合适的边界条件.3　模拟方案简介图1　计算模型示意图　街道十字路口在城市非常普遍,但针对十字路口的空气污染研究还比较少.傅立新曾将OSPM 模式改进用于街道十字路口的空气污染研究,取得较好效果[8].但是目前专门针对十字路口的以流体力学方程为基础的数值模式,还未出现.本文建立了一个十字路口的计算模型,为方便叙述,将模型中十字路口的北、西、南、东4个分支分别用A 、B 、C 、D 标明,如图1所示.模型考虑2条垂直相交的街道以及邻街的第一排建筑物.不考虑化学变化,模拟污染物为C O.模拟中,将街道考虑为面源,源强为0161mg Π(m 2・s ),该值是魏雄辉等利用1997年北京市的交通状况资料进行估算,得到的一个有实际意义的值[9].假设外界温度为均一的300K.考虑2种风向条件:方案1为正北风,方案2为与正北方向成45°夹角的西北风.模型解域为700m ×700m ×150m 的立方体“抠除”地面建筑物后的空间.由于街区处于大气近地面层,进风口边界条件采用环境影响评价技术导则大气环境部分所建议的幂指数风廓线[10],设边界风速为u =u 10z 100.14,其中u 10为10m 高度上的风速,设为3m Πs ,z 为计算风速的高度.本文所建模型,由于下垫面极为复杂,难以用G ambit 划分结构化网格,故对整个解域作非结构化网第4期李　磊,等:Fluent 在城市街区大气环境中的一个应用477　格划分,所有网格均为四面体网格.进行模拟时,首先用G ambit 建立计算模型和网格划分,然后将划分好的网格数据读入Fluent 进行数值计算.图2　解域内一个横截面上的风场(速度单位:m Πs )4　模拟结果与分析Fluent 能非常细致地刻画模拟区域内的流场细节,在图2中给出了方案1解域内一个截面上的流场,图中箭头颜色深浅代表风速大小.由图2可见,在街区上空风速较大;在街道峡谷内,有明显的涡旋形成,且涡旋的中心靠近上风侧较矮的建筑,涡旋的风速远小于街区上空的风速;在下风侧较高建筑物后面,风速很小.这些结果与其他数值模拟和实际观测结果是一致的[1—3],也进一步说明将Fluent 用于复杂的街区可以得到合理的结果.图3和图4分别是方案1和方案2的模拟结果,两图的左边为2m 高度上建筑物附近的风速分布,右边为2m 高度上建筑物附近的C O 质量浓度分布.图3和图4均取向为“上北下南左西右东”显示.图3是风向为正北风的情况.由图3左图可发现,建筑物的布局对风速大小造成了明显影响.在十字路口街道,A 分支上的风速比较大,尤其是进风口,最大风速达到316m Πs 左右,主要是由于建筑物迎风面的阻挡,这一区域的气流只能集中从建筑物间的街口进入,因而动能集中,风速较大.在B 和D 分支上,风速也较大,最大风速为312m Πs 左右,主要因为A 分支进风口获得的风速动能有一部分被分配给这些区域;另外,由于B 和D 分支与来流风向的夹角较大,街道峡谷内有涡旋存在,也使得街区上空的一部分动能被输运到街道峡谷内,所以在这些区域的2m 高度上出现较大的风速.在C 分支上,风速相对较小,风速在114m Πs 左右,主要因为由A 分支进风口输入的动能有一部分被分配到东西向的街道峡谷内,因而获得动能较少.在街区下风向,由于建筑物阻挡,在很大区域上风速都较小,多为110m Πs 以下.图3　方案1(正北风)模拟结果图3右图是街区以及附近区域2m 高度上的C O 质量浓度分布.由图3可见,C O 质量浓度分布与风速分布紧密相关.在2m 高度上,C O 主要集中在街道内部,街区外C O 质量浓度几乎为0.在十字街道的A 分支上,C O 质量浓度相对较小,平均值在410mg Πm 3左右;尤其在进风口,由于风速较大,C O 被较快地往南输运,C O 质量浓度几乎为0.在B 和D 分支上,同样由于风速较大,风对C O 输运效率较高,C O 质量478　中国科学院研究生院学报 第21卷浓度相对较低,仅为315mg Πm 3左右;另外,由于B 和D 区域内有涡旋存在,在街道峡谷内上风侧的C O 质量浓度要高于下风一侧,这也与以往的研究结论一致.在C 分支上,C O 质量浓度非常高,有的区域甚至达到3819mg Πm 3,远远超过国家2级标准(日均质量浓度4100mg Πm 3),这主要是由于该区域风速较小,风对C O 输运效率较低,同时由于上风向输运的C O 在该区域累积,造成较高的质量浓度值.图4是风向为西北风的情况.从图4可见,由于风向与方案1不同,街区附近风速分布以及C O 质量浓度分布图象都与方案1有很大区别.图4左图为2m 高度上风速分布,在十字街道的A 和B 分支上风速较大,2m 高度上风速最大值均在316m Πs 以上,这主要是因为风与正北成45°夹角吹向街区,在A 和B 上各有一个进风口,集中了被建筑物阻挡的部分风的动能;在C 和D 分支上由于街道路面和建筑物的摩擦损耗,2m 高度上的风速相对较小,最大值在212m Πs 以下;在街区的下风向,由于建筑物的阻挡,风速非常小,均在110m Πs 以下.图4　方案2(西北风)模拟结果图4右图为2m 高度上C O 质量浓度分布.图4中C O 质量浓度最高值为1414mg Πm 3左右,比正北风时的最高值小得多,但街区内质量浓度的平均水平较高,街道内大多数区域的C O 质量浓度大于5mg Πm 3,超过了国家2级标准.在A 和B 分支上质量浓度较高,归因于在进风口的风矢量以45°角切入,由于建筑物阻挡,入口处各有一个风速相对较小的区域,在这些区域,风对C O 的输运效率低,污染物容易累积到比较高的质量浓度值,C O 质量浓度均在1010mg Πm 3以上.在C 和D 分支上的C O 质量浓度平均达到810mg Πm 3以上,这可归因于这些区域总体较低的风速.方案2与方案1相比,在2m 高度上有更多的C O 被输送到街区以外,在C 、D 出风口外比较远的地方,仍然有410mg Πm 3以上的C O 质量浓度值存在.综上所述,街区内C O 质量浓度分布由于风向不同会产生很大差异.风向为正北时,街区内的大多数区域C O 质量浓度较低,但会出现局部质量浓度很高的现象;风向为西北时,街道内C O 质量浓度分布相对更均匀,整体质量浓度水平较高,但极大值小于正北风的情况.总的说来,建筑物的存在,对街区风场,进而对C O 的质量浓度场产生了很大影响;而不同的风向条件对同一街区的风场与C O 质量浓度场也有影响,二者共同作用,决定街区内的空气污染状况.5　结语本文利用CFD 软件Fluent 模拟了一个街道十字路口的污染情况.模型考虑了有实际意义的C O 源强,在两种风向条件下进行了数值模拟.结果表明,街区的建筑物布局与风向共同作用,会影响街区的风场和污染物浓度场的分布.由于实测资料的缺乏,对本文模拟的结果分析偏向于定性分析;另外,尽管本文模拟的街道十字路第4期李　磊,等:Fluent 在城市街区大气环境中的一个应用479　口建筑物布局比较复杂,但就整体而言,计算模型仍是非常简化的.今后可以考虑与实际情况结合,模拟更为复杂和真实的街区,并用实测资料对模拟的准确性进行进一步验证.另一方面,由本文的模拟结果可见,Fluent 软件功能强大,能模拟较复杂的建筑物布局对大气环境的影响,利用Fluent 进行分析得出的结果比较合理,因而在与街区大气环境相关的问题上有良好的应用前景,诸如小区、建筑、大型体育场馆建设的环境影响评价,分析街道拓宽、建筑物改建等对环境的影响,得出合理建设方案等等.参考文献[1]　Hassan A A ,Crowther J M.M odelling of fluid flow and pollutant dispersion in a street cany on.Environmental Monitoring and Assessment ,1998,52:281—297[2]　Lee I Y,Park H M.Parameterization of the pollutant transport and dispersion in Urban S treet Cany ons.Atmospheric Environment .1994,28:2343—2349[3]　张　宁,蒋维楣.城市街渠内气流的数值模拟与分析.南京大学学报(自然科学),2000,36(6):760—772[4]　I G Capeluto ,A Y ezioro ,E Shaviv.Climatic aspects in urban design ———a case study.Building and Environment .2003,38:827—835[5]　C H Chang ,R N M eroney.Numerical and physical m odeling of blu ff body flow and dispersion in urban street cany ons.Journal o f WindEngineering and Industrial Aerodynamics .2001,89(14215):1325—1334[6]　金　颖,周伟国,阮应君.烟气扩散的CFD 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distribution of the wind velocity and the C O concentration.The study of this paper als o shows that the m odeling result of Fluent is reas onable and the application prospect of Fluent on atm ospheric environment issues in urban streets is g ood.K ey w ords CFD ,Fluent ,urban streets ,atm ospheric environment 480　中国科学院研究生院学报 第21卷。

FLUENT软件及其在我国的应用本文将介绍FLUENT软件及其在我国的应用。

FLUENT是一款流行的流体动力学模拟软件，广泛应用于流体流动、传热、燃烧等领域，在我国也得到了广泛的应用和发展。

FLUENT软件是由美国FLUENT公司开发的一款计算流体动力学（CFD）软件。

它基于先进的数值计算方法，可以模拟复杂流体流动、传热、燃烧等现象，被广泛应用于航空、航天、能源、环保、化工等领域。

FLUENT软件的发展历程可以追溯到1983年，当时FLUENT公司的创始人之一J.F.兴致勃勃地进行了流体动力学计算，并开发了FLUENT 的前身。

经过几十年的发展，FLUENT软件已经成为流体动力学模拟领域的佼佼者，被全球数百万工程师和科学家广泛使用。

FLUENT软件的功能特点包括：前后处理功能强大，可实现复杂几何形状的网格生成和自动加密；支持多种求解器，可实现稳态或瞬态模拟，包括不可压缩流、可压缩流、多相流等；支持多种物理模型，如传热、湍流、化学反应等；可输出丰富的结果数据，包括速度、压力、温度、浓度等。

FLUENT软件在我国的应用也非常广泛。

在智慧城市建设方面，FLUENT软件可以用于模拟城市气流场、温度场、污染物扩散等，为城市规划提供科学依据；在工业制造领域，FLUENT软件可帮助企业进行流体流动、传热、燃烧等过程的模拟和优化，提高生产效率和产品质量；在交通运输领域，FLUENT软件可用于车辆流动、空气动力学性能评估等，提高交通工具的效率和安全性。

以某城市热岛效应模拟为例，FLUENT软件可以用来模拟城市中的热气流分布、温度场和污染物扩散等情况。

通过模拟不同方案下的城市气候状况，可以为城市规划提供参考依据，优化城市空间布局和资源配置。

FLUENT软件在我国具有重要的应用价值和广阔的发展前景。

它不仅可以帮助企业提高产品性能和质量，还可以为我国的科研和设计工作提供强有力的支持。

随着我国科技创新的不断推进，FLUENT软件将在更多领域得到广泛应用，为我国的科技进步和社会发展做出更大的贡献。

fluent在科研的应用
Fluent在科研领域有着广泛的应用。

Fluent是一种计算流体力
学（CFD）软件，可以用于模拟和分析流体流动、传热和化学反应等
现象。

在科研中，Fluent可以被用于多个领域和应用，以下是一些
常见的应用：
1. 汽车空气动力学研究，Fluent可以用于模拟汽车在高速行
驶时的空气动力学特性，包括气流分布、阻力和升力等，有助于优
化汽车外形设计和提高燃油效率。

2. 航空航天工程，在航空航天领域，Fluent可以用于模拟飞
机和火箭的空气动力学特性，包括气动力学性能、燃烧室内流动等，有助于设计更高效、更安全的飞行器。

3. 燃烧和热传递研究，Fluent可以用于模拟燃烧过程和热传
递现象，比如燃烧室内的流动和化学反应，以及热交换设备的设计
和优化。

4. 环境工程，在环境工程领域，Fluent可以用于模拟大气污
染物的扩散和传播，水流动和污染物传输等，有助于评估环境影响
和制定环境保护策略。

5. 医学工程，Fluent也可以在医学工程领域应用，比如模拟血液流动、呼吸道内气流分布等，有助于研究疾病机理和医疗设备设计。

总的来说，Fluent在科研中的应用非常广泛，可以帮助研究人员模拟和分析各种流体力学现象，为各个领域的工程和科学问题提供解决方案。

通过Fluent的模拟和分析，研究人员可以更好地理解流体力学现象，优化设计方案，提高工程效率，推动科学研究的进展。

基于CFD的复杂地形风能分布研究李辰奇;许昌;杨建川;甄文忠;刘德有;郑源【摘要】Numerical simulations were carried out by using the Fluent software with a mesh generated by using the Argis software to predict the wind speed distribution in complex terrain.The post-processing by Tecplot was used to get the wind speed distribution characteristics and the wind energy distribution in the whole wind field.The obtained results were compared to the calculated results with WAsP software.%提出一种通过计算流体力学(CFD)计算风电场风速和风能分布的方法,该方法通过Argis软件对风电场CAD等高线图进行离散处理,按照风速玫瑰图分布,利用Fluent软件对复杂地形条件下风场按照12分度进行数值计算,并按照风速风向分布概率由Tecplot软件进行后处理,得到整个风场的风速分布特点和风能分布.将计算结果与WAsP软件作比较,结合地形特点进行分析,认为本文计算方法得到的结论较为可靠.【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2013(035)003【总页数】5页(P270-274)【关键词】风电场;复杂地形;风能资源评估;CFD数值模拟【作者】李辰奇;许昌;杨建川;甄文忠;刘德有;郑源【作者单位】河海大学能源与电气学院,南京211100;河海大学能源与电气学院,南京211100;河海大学能源与电气学院,南京211100;丹麦科技大学风能系,林格比2800;河海大学能源与电气学院,南京211100;河海大学能源与电气学院,南京211100【正文语种】中文【中图分类】TM344.1近年来，风电能源成为发展速度最快的可再生能源［1-3］，风能资源评估是建设风电场的基础性工作，发电量计算结果直接关系到风电场的经济指标和整体效益.目前风能资源评估和发电量计算基本上采用丹麦Riso实验室开发的WAsP软件，该软件采用线性模型对风能资源和风能产量进行评估，对于平坦地形条件，预测精度较高，而对于复杂地形条件，预测精度有待于进一步提高［4-8］.随着风能资源开发的不断深人，风电场规划选址开始从风能稳定、施工条件好的平坦地形向高湍流、施工难度大的复杂地形发展［9-11］.这样，以WAsP为计算引擎的风能资源评估软件不适合处理复杂地形的风资源情况.目前我国已有学者开展针对复杂地形的风资源预测的研究工作，但其研究水平与国外有一定差距，主要体现在地形数据的处理、风电场空气动力场的数值计算方法和空气动力场数值计算结果的处理上［12-16］.本文尝试开展适用于复杂地形风资源评估的小尺度非线性数值模式研究，采用近年来快速发展的计算流体力学（CFD）技术，计算分析风电场风速和风能分布，并与WAsP软件的计算结果进行比较，并定性定量分析本文方法的可靠性.目前风电场复杂地形通常是通过AutoCAD等高线方式表示，而通过CFD技术计算风电场空气动力场，需要建立包括地形在内的物理模型，物理模型的建立首先需要对复杂地形进行数字化.Argis是一款集地理信息系统开发、分析、地图数字化、地理信息的采集等功能于一体的软件，目前在地理信息系统行业该软件的功能最为强大，应用最为广泛.本文实例中，使用Argis将AutoCAD中的等高线分离出来生成tin文件，从而得到转化成坐标点的dem文件，对dem文件进行离散处理，风电场等高线如图1所示，而在Argis离散处理后地形如图2所示.通过图形的对比分析，认为Argis软件离散后的地形图基本达到了原等高线图的精度要求.根据复杂地形离散后的数字文件，在gambit中建立地形物理模型.根据地形资料，选取的计算区域为7 000 m×7 000 m×500 m，如图3所示.其中，高度为500 m，选择非结构网格，地面面网格为30 m× 30 m，垂直方向上网格将地表到500 m高度分为3层，分别为0～50 m，50～200 m，200～500 m，而网格间隔分别为5，10，30 m.流体动力学标准的Navier-Stokes方程组（直角坐标系）为［17］本文选用稳态、常物性控制方程.选用的标准κ-ε湍流模型［18］为式中，u为绝对速度；ρ为空气密度；u，v为水平风速；w为垂直风速；p为空气压强；μ为动力粘度；κ为湍流动能；ε为湍动耗散率；Γκ为κ的扩散系数；G 为紊流能量的生成率，也是动能的耗散率；G-ρε为方程的净源项；C1ε和C2ε为模型常数.方程求解采用二阶上风方法离散，底面边界条件是壁面函数，入口为给定的速度入口，出口为给定的出流口，而其它的面采用对称条件.风速按照12分度的风向玫瑰图，计算出每个分区的平均风速，在垂直地面方向采用的模型为式中，u*为表面摩擦速度系数；K为Karman常数，一般取0.4；z0为地表面粗糙度长度.该模型通过Fluent的UDF编辑实现.其中，0～30°风向的入口速度输入如图4所示，可以看出，速度进口沿着高度方向的变化趋势，地面风速接近为零，随着高度的增加，根据网格划分的情况，出现层状的颜色分布.3.1 风能计算结果风能密度是气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能［19］.从而风功率密度公式，也称风能密度公式为式中，W为风功率；V为给定位置的风速大小.通过计算，在Fluent软件中得到12个方向上的风速分布，将这些风速在Tecplot 中按照风速概率分布拟合，计算出风电场中的风能分布.在图5（a）中，风能随着离地高度的增加也逐渐增加，风能已经在300～600 W ／m2之间，也可以看出风速主风向的趋势，大概是在45°左右.在图5（b）和图5（c）中，风能分布趋势已大致稳定，反映出海拔高度变化平缓的区域风速梯度变化小，海拔高度变化差异大的区域风速梯度变化大.图6和图7是在地形图的位置y=-3 000 m，x=2 500～5 000 m范围内的某一山坡下的风能分布图和速度分布图.其中，图6是将12个风向上的风速综合而成，图7是在0～30°风向上从右往左吹过山坡.从图7中可以看出，迎风坡的风速比背风坡的风速大，这是因为受到山坡的阻碍，风受到削减，能量损失，造成风速减小.3.2 数值模拟与WAsP软件进行比较在地图上，沿着主风向，取地图对角线上均匀分布的20个点为参考点，通过CFD 数值模拟方法和WAsP软件方法，分别计算这些点的风能大小.可以看到，CFD计算得到的点的风能大小变化很大，而WAsP得到的风能大小变化范围较小，这主要是因为WAsP只考虑到高度对风速的影响，而忽略了复杂地形下地形对风的削减改变也有很强的作用，而CFD数值模拟方法将地形对风速风能的影响也考虑在内，从而得到了更符合实际的风能分布结果.从表1中可以看出，第6点开始到第20个点，CFD比WAsP的结果要小100～200 W／m2，而前面5个点可能靠近地形的边缘，结果差的变化范围较大.从图8可以直观地看到，只有第2个计算点的CFD计算风能分布大于WAsP的计算结果，其它计算点都是WAsP计算结果比CFD结果大，这也与目前复杂地形利用WAsP计算结果偏大的结果吻合.表1是CFD与WAsP在20个计算点的风能分布.a.在复杂地形下，将CFD计算方法与WAsP软件计算得到的风能分布相比较，CFD计算方法更客观、更接近实际地反映出风经过复杂地形下的风能分布，同时考虑到了山坡等障碍物对风的削弱，而不仅仅局限于高度要素的影响.b.由于传统风资源评估软件WAsP对复杂地形计算误差较大，通常偏大，本文采用CFD数值模拟计算方法，考虑了复杂地形和高度对风速变化的影响，计算结果比WAsP结果小，这与目前复杂地形利用WAsP计算结果偏大的结果吻合.【相关文献】［1］韩春福.风能资源评估方法的分析及应用［J］.节能，2009，322（5）：22-24.［2］胡毅，张健.风资源评估中风速方法研究［J］.内蒙古科技与经济，2010，233（21）：76-78.［3］梁思超，张晓东，康顺，等.基于数值模拟的复杂地形风场风资源评估方法［J］.空气动力学学报，2012，30（3）：415-421.［4］ Okulov V I，Sorensen J N.Instability of a vortex wake behind wind turbines［J］.Doklady Physics，2004，49（12）：772-777.［5］ Johansen J，Sorensen N N.Aerofoil characteristics from 3D CFD rotor computations ［J］.Wind Energy，2004，7（4）：283-294，.［6］赖永伦，巫卿.WAsP软件在贵州四格风电场风资源评估中的应用分析［J］.红水河，2009，28（4）：106 -108.［7］杨振斌，薛桁，桑建国.复杂地形风能资源评估研究初探［J］.太阳能学报，2004，25（6）：744-749.［8］ Yang X Y，Xiao Y，Chen S Y.Wind speed and generated power forecasting in wind farm［J］. 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复杂地形风场的精细数值模拟程雪玲;胡非;曾庆存【摘要】风能是一种重要气候资源,随着我国风电规模的迅速增大,发展风能资源评估系统和风功率预测系统已成为一项重要的研究内容.国内外对复杂地形风场结构的数值模拟有大量研究,随着计算机能力增强,以往用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模式越来越多地在气象领域得到应用,人们开始研究用中尺度预报模式和CFD模式结合进行复杂地形风场的数值模拟.本文的耦合模式系统采用中尺度气象模式(WRF),通过嵌套网格到内层尺度(一般是几公里),然后通过耦合CFD模式Fluent软件获得高分辨率(水平30～100 m,垂直150 m高度以下10m)的风速分布资料,得到精细化的风场信息.通过对鄱阳湖北部区域和云南杨梅山复杂地形的风场模拟,提供了风能评估和预报的一种可行的方法.【期刊名称】《气候与环境研究》【年(卷),期】2015(020)001【总页数】10页(P1-10)【关键词】风能;大气边界层;复杂地形;WRF模式;Fluent软件【作者】程雪玲;胡非;曾庆存【作者单位】中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室,北京100029;中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室,北京100029;中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室,北京100029【正文语种】中文【中图分类】TK89为了有效应对气候、环境变化和能源短缺，最近20年来世界上风能资源的开发利用得到了迅猛发展。

我国幅员辽阔，风能资源极为丰富。

随着风电产业的发展，对风能资源评估的精度要求越来越高，一般都采用数值方法分析风资源分布。

国内外对复杂地形风场结构的数值模拟有大量的研究。

归纳起来可分为诊断模式（diagnostic model）和预报模式（prognostic model）两大类。