择风 CFD 技 明术说

技 明术 说

机密

择风 CFD 技 明术说

介绍法国明波(MeteoPole)在风电行业中主要任务之一就是减少对未来风电项目的不确定性，从而提高风电项目的产业回报。不限制计算速度的风场CFD建模工具是实现该目标的解决方案的一部分。

择风CFD是由法国明波的科技研发部Zephy-Science开发的一款专门应用与风电场CFD建模的软件。该软件已在世界范围内得到广泛验证，它克服了在价格，计算时间，硬件要求和收敛问题等方面传统CFD工具的主要局限。

通过在云服务器或者其他硬件上无限扩展OpenFOAM求解器能够允许择风CFD用户运行不限制速度的CFD建模。

择风CFD目前已经被全球行业领导者们（Deutsche Windguard，GDF-Suez，苏司兰能源，法国电力公司，歌美飒等等）使用。他们在使用择风 CFD过程中给与我们反馈，帮助我们了解风电工程师的切实需要，从而为我们的软件开发做出了贡献。

得益于择风CFD，风电分析师现在能够花更多的时间优化模型来提高了建模的质量，而不是等待未校准或不完全收敛的计算结果。择风 CFD正在开启一个CFD建模的新时代。

代码方面 软件主要通过Python–PyGTK编写。

Matplotlib图形库用于呈现不同的可视化效果。

Gmesh网格生成器用于生成可视化网格。它也生成在网格方法中

所使用的二维地表网格。

OpenFOAM®通过自动化的三维CFD计算来评估风场的流动特征。

机密

择风 CFD 技 明术说

输入文件

地形地貌输入文件

地形输入文件

地形输入数据可以通过以下文件格式来指定：

XYZ ASCII格式

CSV ASCII格式

WAsP使用的map格式

粗糙度输入文件

粗糙度输入数据可以通过以下文件格式来指定：

XYZ ASCII格式

CSV ASCII格式

WAsP使用的map格式

测风数据输入文件

实测风数据可以通过以下文件格式来指定：

WAsP使用的tab格式

ASCII时间序列 风场布局输入条件

每个可能的单位类型分别由单独的ASCII文件定义。

站点的可能具有如下单位：

测风塔

激光雷达

风机

机密

择风 CFD 技 明术说

风绘图

中尺度点

结果点

机密

择风 CFD 技 明术说

网格生成

择风 CFD 的开发理念之一是可以为用户提供各类网格划分策略的不同网格。这样做的目的当然就是为了达到更好的稳定性和准确度，可以尝试不同的网格方法，来确定哪种最为适合。择风 CFD 现在已经集成了一个自动网格生成器：M1。在未来的版本中，其他自动网格生成算法也将会被添加到择风CFD当中。

描述

网格生成器 M1使用的是一个圆柱形的计算域。这一点十分重要，

因为它可以使用相同的网格来计算多个入流风向的情况。特别对于大型风场，这是一个非常节省时间的技术（网格块数量大，计算方向多）。

机密

择风 CFD 技 明术说

网格生成器生M1生成实现边界拟合的棱柱体非结构化网格。

网格在区域中心附近细化，在区域边界附近粗化。在垂直方向上，网格沿着地表边界方向细化。

当相应选项被启用时，它会自动对地形数据进行光滑处理，以使得区域边界附近的地形变得平滑，从而获得更好的稳定性。

网格生成器自动根据粗糙度文件设定地表的边界条件。

网格生成器自动生成另包含全部区域的低分辨率的第二个网格。此网格用于快速计算一个初始场（可大大加速最终计算网格的收敛过程，参见 C1计算器描述）。

均匀/非均匀细化：最佳的分辨率可以均匀地应用于整个圆形细

化区域内（均匀模式）或者在测风塔/激光雷达/结果点/风机单位所限定的小区域内（非均匀模式）

均匀/非均匀细化

机密

择风 CFD 技 明术说

机密

择风 CFD 技 明术说

特点

全自动参数组设置。

访问每个参数进行高级设置。

为给定最大数量的网格单元自动计算最高的可计算分辨率。

根据计算机的计算能力自动计算最高可计算分辨率。

可以从择风CFD或通过外部工具（例如 Paraview）进行可视化。

Paraview 网格可视化

机密

择风 CFD 技 明术说

非结构网格与非结构求解器 结构化求解器和非结构化求解器之间的主要差异在于运行计算时的所需内存大小：一个真正的结构化求解器使用较少的内存，因为网格块的连接信息无需存储在内存中（结构化网格对任意给定的网格块能够直接识别相邻的单元）。然而在运行一个非结构化求解器时，需要将连接信息其存储在内存中，以确定每个网格块的相邻单元。

一直到近十年来CFD行业才开始采用非结构化网格和求解器，主要有两个原因：

- 九十年代时候内存的成本非常高，非结构化求解器需要消耗更多的内存，对用户有很高的硬件成本要求。

- 在求解 NS方程过程中，利用非结构化网格会导致增加额外的数值扩散；但是现在在求解器中采用高阶数值方法可以很容易地解决这个问题。

由于结构化网格更容易生成，目前使用在风资源评估中的CFD模型依然采用结构化求解器以及结构化网格。然而，现今专业的CFD求解器都是非结构化的（OpenFOAM，STAR-CCM ++，ANSYS...），这样的求解器可以同时求解非结构化和结构化的网格。

择风CFD目前使用的M1网格生成策略为非结构化的棱柱状网格块。此外值得注意的是，择风CFD支持使用不同的网格划分和求解方式，它将会在不远的将来加入新的求解器M2：将支持生成边界拟合的结构化网格。

M1网格生成器的主要优点在于：

- 它使用一个圆柱形的计算区域，生成一个网格便可以应用于所有的方向；目前最前沿的风资源CFD建模均倾向于使用这种技术方法，因为它能够大幅度提高风场CFD模型的网格生成效率。

- 得益于非结构的棱柱状的网格块，它可以实现非均匀的网格细化策略用来节省网格数量（该方法不能在结构化网格中实现）。

机密

择风 CFD 技 明术说

计算过程

择风 CFD 的设计思路是为用户提供不同的方法和策略来仿真风流动的各种特性。这样做的目的是可以让用户尝试使用最适合方法来获得更高稳定性和精确度的计算结果。择风 CFD目前已集成了一个自动求解器：C1。其他求解器将会被集成在未来的版本当中。介绍

C1求解器求解稳态的不可压缩牛顿流体的雷诺平均纳维斯托克斯

方程(RANS)，使用 Boussinesq涡粘性的假设。

使用SIMPLE算法（压力耦合方程组的半隐式法）来将 NS方程与迭代过程进行耦合。

C1计算器考虑粗糙度的变化，在壁面边界处自动引入当地的粗糙

度长度。

考虑定向计算的方向以及区域附近的粗糙度变化，自动设定大气

边界层(ABL)的风廓线。

C1求解器提供获得不同湍流模型：

• 标准 k-epsilon模型

• RNG k-epsilon模型

• 可实现 k-epsilon模型

C1求解器可以计算一个粗糙的网格用于最终计算的初始化。将粗

糙网格的计算结果自动重新对应到细化的计算网格中，可以大幅减少计算总时间。

C1求解器支持收敛过程监控。在进行迭代过程中可以显示风廓线

和湍流的结果。

机密

择风 CFD 技 明术说

收敛控制窗口（残差/结果） 特点

全自动参数组设置。

访问每个参数进行高级设置，包括：

• 松弛因子

• 湍流模型

• 数值方案

• 收敛判据

• 入口风廓线参数

机密

择风 CFD 技 明术说

结果可通过择风 CFD 可视化，也可通过外部工具可视化（例如

Paraview）。

能够通过一个有着高度可扩展性的求解器在多个处理器上并行处

理给定的计算（参见下图）。

能够在同一时间运行多个计算（不限制硬件展开）。

simpleFoam 求解器的高度可扩展性

机密

择风 CFD 技 明术说

确认报告

La Compagenie du Vent - GDF – Suez

Comparison of two CFD tools against measurements on complex terrain (SOWE 2013)

CLP India

Validation of ZEPHYTOOLS® CFD Modeling and IEC Site Suitabil-ity in Andhra Lake (Maharashtra, India) (SOWE 2014, Boulder, US)

TUV NORD

Site assessment Using ZEPHYTOOLS® CFD Modeling (SOWE 2014, Boulder, US)

RENEW POWER

Study of Atmospheric Flows in a complex site in India using ZEPHYTOOLS® CFD Modeling (SOWE 2014, Boulder, US)

机密