Windsim软件操作教程

Windsim软件操作教程

一、 软件介绍

Windsim软件是由挪威Windsim公司研发，率先将CFD(计算流体力学)技术应用于风电机组优化布局中，是目前全球最专业、功能最强大的一款CFD风资源评估软件，也是目前全球风电行业市场占有率最大的CFD风资源评估软件。

WindSim软件综合先进的计算流体力学、边界层气象学、地理信息学、三维可视化技术和风电产业技术，通过灵活方便的模型网格与边界条件设置，利用稳健的商业化求解器迭代求解双方程湍流模型，全面检验模拟结果并自动交互检验测风结果，以现场测量结合气象模拟成果获得风电场气候条件，形成精细化的风电场及周边区域的风能资源数字化分布，以作为风电场机组选型和微观选址的基础依据。 我们希望风电场的发电量最大而载荷最小，但是这两者可能是相互冲突的，一个风机发电量最大的位置也可能是载荷最大的位置。风电场运行发电，必须考量风电机组之间的尾流影响，详细分析每个机位点处的风能资源特性和地形复杂性指数，充分考虑各种不确定性因素形成可靠的发电量评估。

工程文件准备

1、 地形文件

地形文件包括高程文件和粗糙度文件，高程文件制作结合《风能

事业部风电技术部地形图检查拼接作业指导书》并3D网格化处理。

粗糙度文件采用GLC30粗糙度库文件，高程文件和粗糙度文件在globalmapper中处理完毕后导出为.GWS文件。

2、 测风数据文件

参见《》

3、 功率曲线文件

利用windsim自带PWS小工具，制作相应功率曲线，保存完之后放入安装windsim目录下的Power Curve文件夹中，到时候它会自动读取导入。

4、 对象文件

按ows文件模板修改，更改sitename，x,y坐标位置，轮毂高度，叶轮直径及所用功率曲线名称即可。

二、 各模块参数设置

Windsim共有六个模块（地形、风场、对象、结果、风资源、发电量），其中地形、风场和对象模块需按顺序运行完毕后，才可进行后续操作。结果、风资源和发电量模型没有强关联，可根据需要分别运行。

1、 地形模块

微观选址的第一步就是生成地形模块的3D模型。这涉及到选择需要模拟的横向和纵向范围。我们称该范围为计算域， 此后， 计算域将通过被称为grid或mesh(网格)的六面体单元格进行离散化。计算域是通过包含有海拔和粗糙度信息的*.gws格式的数字化地形文件创建起来的。 具体操作如下：

水平：在原地图周围扩展10公里（不论原地图多大） 垂直：网格高度自动或者是地形落差4倍高度值。

网格层数：通过修改.bws（dtm文件夹中）文件使100m以下>=10个网格；最底层不能太矮，（>1m）以能收敛为准，若小于1m时收敛了也可。保证空区比>0.9。 其中：

空区比：网格模型中最小空区面积与最大空区面积之比。 高度分布因子：最底层网格的平均高度与最顶层网格的平均高度之比。

Step1: 五修改一调整，获得合理的水平方向网格分布

水平方向，三修改一调整：

(1) Coordinate system:改为整数，适当缩小边界；--确定水平计算范围 (2) Refinement type:选为Refinement area

给定X-range，Y-range --确定水平加密范围 (3) Horizontal griding:选为Horizontal resolution

给定加密区域的分辨率：20/25/30 (自选认为合适的) --确定加密区域的分辨率

调整Ratio additive length to resolution:…/0.4/0.5/0.6/…--调整非加密区域的分辨率，原则：当水平最大分辨率过大时调小该值，反之亦然。（一般调整到最边缘网格分辨率为200左右） 竖直方向两修改：

(1) Height above terrain:选为Automatic或地形落差4倍高度值

(2) Number of cells in Z direction:20/30 (自选认为合适的) 运行……

Step2: 修改step 1产生的.bws文件，获得合理的竖直方向网格分布

.bws文件的修改如下图所示，红框内设置两层，第一层分布因子为1，z方向高度为150米，即150米以下均匀分布，第二层分布因子为0.1，z方向高度为1929。我们的目标是第二层最底层网格控制在2-3倍的第一层网格的高度，需要结合3D视图进行调整。

调整方法为：降低z方向高度，或减小高度分布因子。

运行……..

检查Z方向网格分部是否合理，若不合理调节.bws文件中的高度分布因子（网格高度过大适当调小该参数，反之亦然），或Z方向高度，或每一组网格层数多少。再运行，直至合理为止。

2、 风场模块

一旦在地形模块中生成了3D模型，就可以在风场中进行CFD模拟。风场通过求解雷诺平均纳维尔-斯托克斯方程Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS)来确定。可以选择标准k- 模型来使湍流模型封闭。通过有限体积法离散和积分RANS方程，由初始条件开始，通过迭代逐步接近，直到最终获得收敛解。

在WindSim软件有四种求解器可供选择：

⚫分离求解器（SIMPLEST)

稳定但是比较慢，适合于200-300万网格。

⚫并行分离求解器

与分离求解器类似，但是单个扇区可以拆分计算。

⚫GCV，通用同位速度法

非常稳定，通常可以获得收敛解。

⚫并行

GCV

并行的GCV求解器，将单个扇区拆分计算。

具体参数设置如下：

 顶部边界条件：山地选择固定压力；平原或者戈壁滩选择无摩擦壁面；

 位温：一般选择不考虑；如果测风塔数据有多个温度信息时，选择温度梯度（温度梯度是指同一个测风塔上俩个高度以上的温度仪测得不同高度的温度，这里和中尺度没有关系，都是在微尺度中进行的。中尺度数据是自己可以建立的模型，例如在整个区域中建立大网格的地形模型，然后其中的小风场地形中就可以在这样的中尺度模型中计算应用。）  空气密度：当地空气密度；

 湍流模型：RNG k-epsilon  求解器：并行GCV

每个扇区使用核数及同时运行扇区数量可以根据计算机内存大小设定，一般同时运行8个扇区，每个扇区内核数为4.  迭代次数：一般为1000次  收敛标准：0.001

 收敛性检测：选择山顶处点位坐标及轮毂高度

 批处理运行模式：TURE，风场计算的同时可进行其他模块操作 运行……..

若运行结束有个别扇区不收敛，可如下操作：  扇区输入类型：手动设置扇区角度  下一次运行的扇区：不收敛扇区  使用上一次运行结果作为输入：ture

3、 对象模块

对象模块用于：

在风场中布置风机 处理测风塔数据 布置迁移测风塔数据

可通过：

工具 > 输入对象(.ows)… (Tools > Import Objects (.ows))…加载风场风机布置文件；

测风塔文件可通过如下图标按钮添加

4、 结果模块

结果模块中，用户可以提取风场数据的二维(2D)平面。垂直方向则涵盖了从地面到风场模块中所指定的数据保存高度的所有风场数据。二维(2D)平面是以地形上一个指定高度给出的。从风场数据中可以得到下列变量及其衍生变量：

速度标量X 在东-西方向的风速标量， UCRT 速度标量Y 在北-南方向的风速标量， VCRT 速度标量Z 在垂直方向的风速标量， WCRT

速度标量XY 速度标量XYZ 风速矢量在水平平面的风速矢量， (UCRT， VCRT， 0) XY 风速矢量三维(3D)空间风速矢量， (UCRT、 VCRT、 WCRT) XYZ 方向标量 相对方向标相对入流风向在水平平面的风向(度) 量 湍流动能 湍流动能=𝐾𝐸∗𝑚2𝑠2在水平平面的风速标量=√（𝑈𝐶𝑅𝑇2+𝑉𝐶𝑅𝑇2） 在三维(3D)空间的风速标量=√（𝑈𝐶𝑅𝑇2+𝑉𝐶𝑅𝑇2+𝑊𝑈𝐶𝑅𝑇2） 以度为单位在水平平面的风向 假定各向同性湍流的湍流强度100∗湍流强度 √4∗𝐾𝐸3√(𝑈𝐶𝑅𝑇2+𝑉𝐶𝑅𝑇2)(%) 𝑚2𝑠3湍流耗散率 湍流耗散率=𝐸𝑃∗压力 流入角度 相对压力减去静压(Pa)，相对压力在计算域出口为零 流入角度是风矢量和水平平面之间的角度 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑1𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑2风切变指数 公式=（ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡1ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡2𝑎𝑙𝑝ℎ𝑎）中的指数alpha 5、 风资源模块

风资源模块用于生成指定高度的风资源图。

在运行风力资源模块之前，当前的布局里至少要有一个可见的测风数据对象。测风数据文件中定义的所有扇区在风场模拟结果中都必须存在。风资源图是通过将风场模拟结果按测风数据加权计算生成的。如果有多个测风数据对象，生成风资源图时必须根据所有测风数据对风场模拟结果进行加权。具体计算时按照距离的远近加权，距离远则权重小，距离近则权重大。

具体参数设置如下：  高度：轮毂高度

 尾流模型：尾流模型1（公式参考描述内容）  空气密度修正：Individual1（公式参考描述内容）  导出：可导出不同格式的文件用于不同软件（WasP等） 其他项可默认，或根据需要设置

6、 发电量模块

年发电量(AEP)，是对大多数风电场微观选址项目进行评估的最重要参数。在给定的风速的条件下，可得到的电量与风速立方成正比。这意味着在计算可获得的发电量时，风力预测中的不确定性大大提高了；因此，高质量的风场模型在风电场微观选址中特别重要。

使用默认设置运行模块，可以获得每个风机和整个风场的年发电量。

 空气密度修正：Individual1（公式参考描述内容）

 距离权重：反向距离加权（测风塔距离点位越近权重越大，反之亦然）

 手动设置权重：自定义表格设置每个点的权重  导出功率时间序列：10min风速点对应的功率

 导出风机评估文件：包括AEP，威布尔参数及流体参数  IEC分级：给出风电场对应的IEC等级 其他项可默认，或根据需要设置

三、 建模问题及经验汇总

 各个配合软件如windographer、gloablapper等导出的文件名称应为英文，或以英文+数字，杜绝使用纯数字或汉字。（eg.:c1990,area等）

 地形模块中，当计算边界处有东西或者南北走向的山体存在时，

建议沿着山脊最高点设置边界，因为这样避免边界上产生不必要的加速效应。而山谷部分需要从中间切割，确保留有足够的空间让边界条件上的风廓——这种风廓仅适用于平坦地形——经过一定的发展到达山谷一侧的斜坡。

 地形模块中网格高宽比：当网格的水平分辨率和垂直分辨率的比值大于10的时候，计算容易发散。网格的高宽比大于0.1可以作为在地形模块进行网格设置时的要求。

 建议在距离地表100m高度的范围内至少拥有6至8层网格。  建议加密区域的边界和风机排布的区域之间最好要预留几倍叶轮直径的距离，以确保在感兴趣区域内获得较好的数值解。  风场模块中，使用嵌套时，外部的大模型不可以使用加密区域，分辨率最好不要超过100-200m。

 湍流模型：RNG以及YAP修正湍流模型对于回流区的模拟较好，而远离回流区的区域，这两个模型和标准k-ε模型的模拟结果很接近。推荐用户在项目中使用RNG和YAP修正湍流模型。  边界层高度的设置可以根据当地的大气情况进行相应的调整，如果当地的大气情况已知，可以适当的调高边界层高度；不建议将边界层调得过低，以免造成不切实际的风流。