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1 背景
随着中国陆上风电产业的快速发展，复杂地形山区风电项目越来越多。风能资源评估和年发电量预测的准确性对风电场项目能否实施有巨大影响。风电场发电量的预测能力的高低是业主选择风机供应商的重要指标。
在风资源评估方面，目前行业内主流的商业风资源评估软件主要有WT、WindSim等。这些商业风资源评估软件将CFD算法打包封装，并加入风资源前后处理模块，实现了CFD在风资源评估上应用，很好地满足了工程项目对时间和准确性的需求。
然而，随着风电场开发方向转向低风速复杂山区，目前常用的风资源评估软件计算发电量的准确性问题逐渐凸显出来。通过对复杂山区测风数据进行统计分析，我们总结了复杂山区风况的特点。首先，风速风向受地形影响严重，局部区域的风速风向与周围环境差异明显，测风塔的代表范围非常有限。其次，风速风向随时间变化较快，阵风现象较多；然后，地形突变或山势较陡时会出现较大的入流角。最后，各个方向来流的风廓线受来流向地形影响而存在明显差异。
商业CFD软件技术进行风资源评估时，有以下几个方面的问题。一方面是由于地形起伏太大，这些软件在确定计算区域时没有充分考虑边界效应；第二方面是因为复杂山区地形地表地流場相比平坦地形要复杂得多，这些软件无法准确捕捉地表的风速风向变化；第三方面是处理地形时没有充分考虑不同风向时入口边界风廓线的不同；第四方面是采用的尾流模型对复杂地形的适用性未经测试验证；第五方面，这些软件的CFD求解程序被加密封装，模型选择和求解参数被固定；这些因素导致在进行复杂山区低风速风电场发电量计算时，求得的发电量不确定性大大增加。
基于这一实际状况，需要开发一种考虑实际地形影响进行计算域和网格设定、并且模型和参数可调的CFD求解工具。此外，评估工具还应具备复杂地表的平滑功能、计算域自由外扩功能、不同扇区入口条件自主设定功能、地表网格尺寸自由设定功能以及尾流效应模拟能力。为了实现这些功能，需要基于CFD技术进行定制化的深度开发。
2、技术路线
目前工业界通常会采用通用CFD计算软件处理流动问题。处理思路包括物理现象抽取、几何模型建立、计算域确定、网格划分、模型选择、求解设定、求解计算、后处理等。这些高度商业化的仿真软件，具备十分完善操作流程和易操作的用户界面。然而，这种通用性也导致了它们对特定问题缺乏针对性的设计。其源代码封闭的特性也导致用户或者第三方无法进行深层次的定制化二次开发。
OpenFOAM是在LINUX系统下基于C++开发的CFD分析程序包，具备完善的模块化工具和求解器库。用户可以根据需求对各个模块进行修改和移植，得到需要的工具。同时，基于OpenFOAM的代码和模块易于用户做自动化并编写用户界面。
因此，基于OpenFOAM进行定制化二次开发得到适用于复杂山区风资源评估的CFD工具，是一条解决复杂山区风资源评估的合理思路。
由于OpenFOAM要求使用人员具备深厚的CFD理论基础和较强的编程能力，公司层面的CFD应用工程师几乎不具备基于OpenFOAM进行二次开发的能力。因此，单纯依靠CFD应用工程师和风资源评估工程师很难完成这一开发任务。
Fraunhofer研究所的IWES中心是国际著名的能源研究机构，具备强大的技术能力和工程师团队，在风能理论研究和实际应用方面有丰富的经验。同时，IWES有专门基于OpenFOAM进行科学研究或解决工程问题的工程师团队。
明阳作为中国著名的风机厂商，具有优秀的风资源评估技术团队和流体力学团队，具备丰富的风资源评估经验，具备较强的解决工程中流体问题的能力。
明阳与Fraunhofer合作，可以发挥各自的优势，开发出解决复杂山区风资源评估的CFD工具。联合开发思路如下：首先，明阳通过对复杂山区地形和测风数据的研究，结合实际项目经验，建立复杂山区风资源CFD评估的前后处理和求解思路，找出需要基于OpenFOAM进行针对性设计和开发的关键点。例如，计算域的扩展和地形光顺问题、网格划分需求、风机尾流模拟问题、热稳定度问题等。然后，Fraunhofer根据明阳的需求，进行关键点实现思路的研究，并基于OpenFOAM编写相应的工具和求解器。之后，明阳根据Fraunhofer开发的各个模块，开发前后处理工具，建立整体模拟框架并编写自动化求解流程。最后，将整套程序封装，编制用户界面，用于实际项目风资源评估，完成整套开发流程。
3、工具简介和项目应用
首先，要处理得到风机所在位置的地形图和粗糙度文件，根据测风塔原始数据结合气象统计数据处理得到用于发电量计算的测风数据，根据机位点坐标和机型信息处理得到风机位置和类型文件。
然后，将上述数据导入风资源评估软件，设定计算域、网格参数、湍流模型、求解参数、划分扇区，进行定向计算。
最后，根据定向计算结果，用测风塔数据进行外推，得到机位点风速、湍流等信息，后处理得到发电量、特征湍流等风资源信息。
基于此套风资源评估流程，需要基于OpenFOAM开发的工具有：地形光顺和外扩工具、机位点海拔读取工具、粗糙度添加工具、边界风廓线计算工具、考虑大气边界层和热稳定度的SIMPLE求解器、圆盘阻力模拟工具等。
这些工具的实现思路由Fraunhofer进行研究并开发，作为部分前处理模块和整套定向计算模块。明阳基于此，编写前后处理工具并梳理自动化处理逻辑，实现复杂山区风资源的一键自动化评估。
运用本套软件进行风资源评估的流程，如图1所示。
首先，根据原始测风数据得到修正后的完整年测风数据，处理测绘地图，制作指定格式的地形图和粗糙度。准备机位点坐标和机型文件。
然后，设置计算域参数、网格参数、入口风廓线信息、扇区数和收敛标准等求解参数，进行定向计算。
最后，根据定向计算结果，计算风电场的风速，发电量，湍流信息和其他风资源参数，输出计算表格和计算报告。
4、总结
明阳与Fraunhofer合作开发基于OpenFOAM的复杂山区风资源评估CFD工具，是典型的产研结合案例。一方面，这种工业与科研结构的合作充分发挥了研究机构的技术优势，将技术应用到工业生产中，实现了研究成果向工业应用的转化。同时为研究机构提供了明确的研究方向，避免了科研机构闭门造车的情况。另一方面，明阳得到了复杂山区风资源仿真的解决办法，提升了技术能力的同时增强了公司在复杂山区风电场订单上的竞争力。
目前，国内风电行业尚有很多问题没有有效的解决方案，限于风机供应商技术结构和发展策略的限制，企业很难在短期内凭借自身力量解决这些问题。上述案例给我们提供了一条很好地思路，公司在实际项目中碰到难以解决的工程问题时，可以与技术实力较强的科研机构进行合作，一方面缩减解决问题的周期和成本，另一方面帮助科研机构明确工业需求和研发方向，实现共赢。
（作者单位：明阳智慧能源集团股份公司）
随着中国陆上风电产业的快速发展，复杂地形山区风电项目越来越多。风能资源评估和年发电量预测的准确性对风电场项目能否实施有巨大影响。风电场发电量的预测能力的高低是业主选择风机供应商的重要指标。
在风资源评估方面，目前行业内主流的商业风资源评估软件主要有WT、WindSim等。这些商业风资源评估软件将CFD算法打包封装，并加入风资源前后处理模块，实现了CFD在风资源评估上应用，很好地满足了工程项目对时间和准确性的需求。
然而，随着风电场开发方向转向低风速复杂山区，目前常用的风资源评估软件计算发电量的准确性问题逐渐凸显出来。通过对复杂山区测风数据进行统计分析，我们总结了复杂山区风况的特点。首先，风速风向受地形影响严重，局部区域的风速风向与周围环境差异明显，测风塔的代表范围非常有限。其次，风速风向随时间变化较快，阵风现象较多；然后，地形突变或山势较陡时会出现较大的入流角。最后，各个方向来流的风廓线受来流向地形影响而存在明显差异。
商业CFD软件技术进行风资源评估时，有以下几个方面的问题。一方面是由于地形起伏太大，这些软件在确定计算区域时没有充分考虑边界效应；第二方面是因为复杂山区地形地表地流場相比平坦地形要复杂得多，这些软件无法准确捕捉地表的风速风向变化；第三方面是处理地形时没有充分考虑不同风向时入口边界风廓线的不同；第四方面是采用的尾流模型对复杂地形的适用性未经测试验证；第五方面，这些软件的CFD求解程序被加密封装，模型选择和求解参数被固定；这些因素导致在进行复杂山区低风速风电场发电量计算时，求得的发电量不确定性大大增加。
基于这一实际状况，需要开发一种考虑实际地形影响进行计算域和网格设定、并且模型和参数可调的CFD求解工具。此外，评估工具还应具备复杂地表的平滑功能、计算域自由外扩功能、不同扇区入口条件自主设定功能、地表网格尺寸自由设定功能以及尾流效应模拟能力。为了实现这些功能，需要基于CFD技术进行定制化的深度开发。
2、技术路线
目前工业界通常会采用通用CFD计算软件处理流动问题。处理思路包括物理现象抽取、几何模型建立、计算域确定、网格划分、模型选择、求解设定、求解计算、后处理等。这些高度商业化的仿真软件，具备十分完善操作流程和易操作的用户界面。然而，这种通用性也导致了它们对特定问题缺乏针对性的设计。其源代码封闭的特性也导致用户或者第三方无法进行深层次的定制化二次开发。
OpenFOAM是在LINUX系统下基于C++开发的CFD分析程序包，具备完善的模块化工具和求解器库。用户可以根据需求对各个模块进行修改和移植，得到需要的工具。同时，基于OpenFOAM的代码和模块易于用户做自动化并编写用户界面。
因此，基于OpenFOAM进行定制化二次开发得到适用于复杂山区风资源评估的CFD工具，是一条解决复杂山区风资源评估的合理思路。
由于OpenFOAM要求使用人员具备深厚的CFD理论基础和较强的编程能力，公司层面的CFD应用工程师几乎不具备基于OpenFOAM进行二次开发的能力。因此，单纯依靠CFD应用工程师和风资源评估工程师很难完成这一开发任务。
Fraunhofer研究所的IWES中心是国际著名的能源研究机构，具备强大的技术能力和工程师团队，在风能理论研究和实际应用方面有丰富的经验。同时，IWES有专门基于OpenFOAM进行科学研究或解决工程问题的工程师团队。
明阳作为中国著名的风机厂商，具有优秀的风资源评估技术团队和流体力学团队，具备丰富的风资源评估经验，具备较强的解决工程中流体问题的能力。
明阳与Fraunhofer合作，可以发挥各自的优势，开发出解决复杂山区风资源评估的CFD工具。联合开发思路如下：首先，明阳通过对复杂山区地形和测风数据的研究，结合实际项目经验，建立复杂山区风资源CFD评估的前后处理和求解思路，找出需要基于OpenFOAM进行针对性设计和开发的关键点。例如，计算域的扩展和地形光顺问题、网格划分需求、风机尾流模拟问题、热稳定度问题等。然后，Fraunhofer根据明阳的需求，进行关键点实现思路的研究，并基于OpenFOAM编写相应的工具和求解器。之后，明阳根据Fraunhofer开发的各个模块，开发前后处理工具，建立整体模拟框架并编写自动化求解流程。最后，将整套程序封装，编制用户界面，用于实际项目风资源评估，完成整套开发流程。
3、工具简介和项目应用
首先，要处理得到风机所在位置的地形图和粗糙度文件，根据测风塔原始数据结合气象统计数据处理得到用于发电量计算的测风数据，根据机位点坐标和机型信息处理得到风机位置和类型文件。
然后，将上述数据导入风资源评估软件，设定计算域、网格参数、湍流模型、求解参数、划分扇区，进行定向计算。
最后，根据定向计算结果，用测风塔数据进行外推，得到机位点风速、湍流等信息，后处理得到发电量、特征湍流等风资源信息。
基于此套风资源评估流程，需要基于OpenFOAM开发的工具有：地形光顺和外扩工具、机位点海拔读取工具、粗糙度添加工具、边界风廓线计算工具、考虑大气边界层和热稳定度的SIMPLE求解器、圆盘阻力模拟工具等。
这些工具的实现思路由Fraunhofer进行研究并开发，作为部分前处理模块和整套定向计算模块。明阳基于此，编写前后处理工具并梳理自动化处理逻辑，实现复杂山区风资源的一键自动化评估。
运用本套软件进行风资源评估的流程，如图1所示。
首先，根据原始测风数据得到修正后的完整年测风数据，处理测绘地图，制作指定格式的地形图和粗糙度。准备机位点坐标和机型文件。
然后，设置计算域参数、网格参数、入口风廓线信息、扇区数和收敛标准等求解参数，进行定向计算。
最后，根据定向计算结果，计算风电场的风速，发电量，湍流信息和其他风资源参数，输出计算表格和计算报告。
4、总结
明阳与Fraunhofer合作开发基于OpenFOAM的复杂山区风资源评估CFD工具，是典型的产研结合案例。一方面，这种工业与科研结构的合作充分发挥了研究机构的技术优势，将技术应用到工业生产中，实现了研究成果向工业应用的转化。同时为研究机构提供了明确的研究方向，避免了科研机构闭门造车的情况。另一方面，明阳得到了复杂山区风资源仿真的解决办法，提升了技术能力的同时增强了公司在复杂山区风电场订单上的竞争力。
目前，国内风电行业尚有很多问题没有有效的解决方案，限于风机供应商技术结构和发展策略的限制，企业很难在短期内凭借自身力量解决这些问题。上述案例给我们提供了一条很好地思路，公司在实际项目中碰到难以解决的工程问题时，可以与技术实力较强的科研机构进行合作，一方面缩减解决问题的周期和成本，另一方面帮助科研机构明确工业需求和研发方向，实现共赢。
（作者单位：明阳智慧能源集团股份公司）