台风影响的山区微地形风场模拟方法、系统、介质和设备与流程

本发明申请属于输电线路防灾减灾，具体涉及一种台风影响的山区微地形风场模拟方法、系统、介质和设备。

背景技术：

1、随着经济发展水平的提高，大量昂贵的三维超声设备、多普勒激光雷达等被广泛应用于风场实测，在沿海布置的少数点位，也收集到了大量的台风风场实测数据，为台风风场特性参数分析提供了数据来源。通过对这些实测数据的分析，发现，台风与常规风相比，表现出了较强的非平稳性。非平稳随机过程的统计特性，如均值、方差、自相关函数等，随时间变化而变化。在一般的气候条件下，可以假设风速的统计特性是恒定的，符合平稳随机过程的假设。然而，在台风条件下，风速的统计特性会随时间和空间的变化而变化，因此不再满足平稳性的假设。如果仍然在平稳随机过程框架下进行研究，其结果必然是不可靠的。如果严格按照平稳随机过程假设，近一半数据将被舍弃，这是一个极大的浪费。

2、特别是在沿海微地形山区的台风中，目前普遍采用基于风压或风速的修正系数来规定山地风场的风荷载计算，但此修正系数主要是依据较为简单的二维典型山地模型所提出，或者是通过缩尺后的风洞试验模型获取近地表风场特性、风速加速比等信息。这种处理方式需要投入的人力物力较多，时间周期较长，获取的风场特性参数，尤其是近地表特性参数的误差较大。所以在沿海山区地形中，台风作用下的真实状态很难被准确模拟。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明申请提出一种台风影响的山区微地形风场模拟方法，包括：

2、根据实测台风风速以及台风沿高度分布的时程数据，构建台风边界数据库；

3、根据所述台风边界数据库中的所述实测台风风速以及台风沿高度分布的时程数据和用户自定义的台风边界，采用cfd仿真模拟技术进行仿真，得到所述用户自定义的台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速；

4、根据山区微地形区域的实测数据，构建微地形刚体边界；

5、根据所述微地形刚体边界和所述台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速，采用所述cfd仿真模拟技术，对所述山区微地形区域内监控点处的风场进行模拟。

6、优选的，所述根据山区微地形区域的实测数据，构建微地形刚体边界，包括：

7、选取的所述山区微地形区域的多个边界点，获取每个所述边界点的实测数据，所述实测数据包括地表高程、经度坐标数据和纬度坐标数据；

8、基于每个所述边界点的地表高程、经度坐标数据和纬度坐标数据，构建所述微地形刚体边界。

9、优选的，所述根据实测台风风速以及台风沿高度分布的时程数据，构建台风边界数据库，包括：

10、基于时变平均风表达函数、台风风谱表达函数、台风水平和竖向相关性表达函数、风剖面系数以及设定高度湍流强度的经验值，构建统计台风边界数据库；

11、基于实测台风风速、台风沿高度分布的时程数据以及所述台风水平和竖向相关性表达函数，构建实测典型台风边界数据库；

12、基于用户输入的台风风速和台风沿高度分布的时程数据，以及所述台风水平和竖向相关性表达函数，构建用户自定义台风边界数据库；

13、基于所述统计台风边界数据库、所述实测典型台风边界数据库和所述用户自定义台风边界数据库，确定台风边界数据库。

14、优选的，所述根据所述台风边界数据库中的所述实测台风风速以及台风沿高度分布的时程数据和用户自定义的台风边界，采用cfd仿真模拟技术进行仿真，得到所述用户自定义的台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速，包括：

15、根据所述台风边界数据库中的所述实测台风风速以及台风沿高度分布的时程数据和用户自定义的台风边界，采用cfd仿真模拟技术对用户自定义的台风边界进行计算，得到所述台风边界数据库对应的所述台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速；

16、根据所述实测典型台风边界数据库，采用所述cfd仿真模拟技术对用户自定义的台风边界进行计算，得到所述实测典型台风边界数据库对应的所述台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速；

17、根据所述用户自定义台风边界数据库，采用所述cfd仿真模拟技术对用户自定义的台风边界进行计算，得到所述用户自定义台风边界数据库对应的所述台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速。

18、优选的，所述用户自定义的台风边界包括以下一个或多个信息：

19、台风在设定高度、设定时间内平均风速、待分析的台风的风向范围及角度间隔、台风的风剖面系数和高度湍流强度的经验值、台风实际风向、风剖面系数和设定高度湍流强度的拟合值、选取的所述时变平均风表达函数的表达式、台风风谱表达函数的表达式、台风水平和竖向相关性表达函数的表达式、风场网格尺寸。

20、优选的，所述根据所述微地形刚体边界和所述台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速，采用所述cfd仿真模拟技术，对所述山区微地形区域内监控点处的风场进行模拟之后，还包括：

21、基于已分析的台风风向范围内的风速及风速工况数据查询条件、所述典型台风和用户自定义台风的风速及风速工况数据查询条件，在风场模拟结果中分析与提取所述监控点处的风场；

22、在分析与提取到的风场中，确定高度位于设定高度区间内且为设定间距倍数的风速，所述设定高度区间为位于风场分布的高度范围；

23、根据确定的高度位于设定高度区间内且为设定间距倍数的所述风速，计算台风登陆点所在区域内的山区的输电线路风荷载。

24、优选的，所述时变平均风表达函数的表达式如下：

25、

26、上式中，u(t)为台风在t时刻的时变平均风速时程，h1k(t)为待筛分样本在t时刻的第k次筛分分量，其中，待筛分样本为根据实测台风的高度湍流强度的经验取值；设，u1(t)为非平稳风速、c1(t)＝h1k(t)，u1(t)-c1(t)＝r(t)，将r(t)定义为新待筛分样本，rk(t)为新待筛分样本在t时刻的第k次筛分分量。

27、优选的，所述台风风谱表达函数的表达式如下：

28、s(ω，t)＝|a(ω，t)|2s(ω)

29、上式中：s(ω，t)为在t时刻的台风风谱，a(ω，t)为在t时刻的台风风速的调制参数，s(ω)为台风到达零均值平稳随机过程的功率谱密度，t是台风运行的时间，ω是台风在t时间的角频率。

30、优选的，所述在t时刻的台风风速的调制参数，满足如下公式：

31、

32、上式中：为在t时刻台风在0-h高度之间的平均脉动风速，h为位于台风中的高度，为高度h处在△t时间段内的平均风速，ω为台风在t时间的角频率，t是台风运行的时间，△t时间段位于台风运行时间在0-t时刻以内的区间。

33、优选的，所述在t时刻的台风风谱，满足如下公式：

34、

35、上式中：为在t时刻台风在0-h高度之间的平均脉动风速，u*(△t)为△t时间段内的台风的摩阻速度，△t时间段位于台风运行时间在0-t时刻以内的区间；ω为台风在t时间的角频率，h为位于台风中的高度；为高度h处在△t时间段内的平均风速。

36、优选的，所述台风水平和竖向相关性表达函数的表达式如下：

37、

38、上式中：rij(ω)为台风的空间特性；cx、cy、cz分别表示台风在第i点到第j点的左右、上下、前后的衰减系数；为位于台风中的第i点的平均风速，为位于台风中的第j点的平均风速；(xi、yi、zi)为位于台风中的i点的三维坐标，(xj、yj、zj)为位于台风中的j点的三维坐标。

39、本发明申请还提出一种台风影响的山区微地形风场模拟系统，所述系统包括：

40、台风边界数据库构建模块，用于根据实测台风风速以及台风沿高度分布的时程数据，构建台风边界数据库；

41、仿真计算模块，用于根据所述台风边界数据库中的所述实测台风风速以及台风沿高度分布的时程数据和用户自定义的台风边界，采用cfd仿真模拟技术进行仿真，得到所述用户自定义的台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速；

42、微地形刚体边界构建模块，用于根据山区微地形区域的实测数据，构建微地形刚体边界；

43、风场模拟模块，用于根据所述微地形刚体边界和所述台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速，采用所述cfd仿真模拟技术，对所述山区微地形区域内监控点处的风场进行模拟。

44、优选的，所述微地形刚体边界构建模块，包括：

45、边界数据获取子模块，用于选取的所述山区微地形区域的多个边界点，获取每个所述边界点的实测数据，所述实测数据包括地表高程、经度坐标数据和纬度坐标数据；

46、边界构建子模块，用于基于每个所述边界点的地表高程、经度坐标数据和纬度坐标数据，构建微地形刚体边界。

47、优选的，所述台风边界数据库构建模块，包括：

48、统计台风边界数据库构建子模块，用于基于时变平均风表达函数、台风风谱表达函数、台风水平和竖向相关性表达函数、风剖面系数以及设定高度湍流强度的经验值，构建统计台风边界数据库；

49、实测典型台风边界数据库构建子模块，用于基于实测台风风速、台风沿高度分布的时程数据以及所述台风水平和竖向相关性表达函数，构建实测典型台风边界数据库；

50、用户自定义台风边界数据库构建子模块，用于基于用户输入的台风风速和台风沿高度分布的时程数据，以及所述台风水平和竖向相关性表达函数，构建用户自定义台风边界数据库；

51、台风边界数据库确定子模块，用于基于所述统计台风边界数据库、所述实测典型台风边界数据库和所述用户自定义台风边界数据库，确定台风边界数据库。

52、优选的，所述仿真计算模块，包括：

53、仿真计算第一子模块，用于根据所述台风边界数据库中的所述实测台风风速以及台风沿高度分布的时程数据和用户自定义的台风边界，采用cfd仿真模拟技术对用户自定义的台风边界进行计算，得到所述台风边界数据库对应的所述台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速；

54、仿真计算第二子模块，用于根据所述实测典型台风边界数据库，采用所述cfd仿真模拟技术对用户自定义的台风边界进行计算，得到所述实测典型台风边界数据库对应的所述台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速；

55、仿真计算第三子模块，用于根据所述用户自定义台风边界数据库，采用所述cfd仿真模拟技术对用户自定义的台风边界进行计算，得到所述用户自定义台风边界数据库对应的所述台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速。

56、优选的，所述用户自定义的台风边界包括以下一个或多个信息：

57、台风在设定高度、设定时间内平均风速、待分析的台风的风向范围及角度间隔、台风的风剖面系数和高度湍流强度的经验值、台风实际风向、风剖面系数和设定高度湍流强度的拟合值、选取的所述时变平均风表达函数的表达式、台风风谱表达函数的表达式、台风水平和竖向相关性表达函数的表达式、风场网格尺寸。

58、优选的，所述系统还包括：

59、风场分析与提取模块，用于基于已分析的台风风向范围内的风速及风速工况数据查询条件、所述典型台风和用户自定义台风的风速及风速工况数据查询条件，在风场模拟结果中分析与提取所述监控点处的风场；

60、风速确定模块，用于在分析与提取到的风场中，确定高度位于设定高度区间内且为设定间距倍数的风速，所述设定高度区间为位于风场分布的高度范围；

61、输电线路风荷载计算模块，用于根据确定的高度位于设定高度区间内且为设定间距倍数的所述风速，计算台风登陆点所在区域内的山区的输电线路风荷载。

62、优选的，所述时变平均风表达函数的表达式如下：

63、

64、上式中，u(t)为台风在t时刻的时变平均风速时程，h1k(t)为待筛分样本在t时刻的第k次筛分分量，其中，待筛分样本为根据实测台风的高度湍流强度的经验取值；设，u1(t)为非平稳风速、c1(t)＝h1k(t)，u1(t)-c1(t)＝r(t)，将r(t)定义为新待筛分样本，rk(t)为新待筛分样本在t时刻的第k次筛分分量。

65、优选的，所述台风风谱表达函数的表达式如下：

66、s(ω，t)＝|a(ω，t)2s(ω)

67、上式中：s(ω，t)为在t时刻的台风风谱，a(ω，t)为在t时刻的台风风速的调制参数，s(ω)为台风到达零均值平稳随机过程的功率谱密度，t是台风运行的时间，ω是台风在t时间的角频率。

68、优选的，所述在t时刻的台风风速的调制参数，满足如下公式：

69、

70、上式中：为在t时刻台风在0-h高度之间的平均脉动风速，h为位于台风中的高度，为高度h处在△t时间段内的平均风速，ω为台风在t时间的角频率，t是台风运行的时间，△t时间段位于台风运行时间在0-t时刻以内的区间。

71、优选的，所述在t时刻的台风风谱，满足如下公式：

72、

73、上式中：为在t时刻台风在0-h高度之间的平均脉动风速，u*(△t)为△t时间段内的台风的摩阻速度，△t时间段位于台风运行时间在0-t时刻以内的区间；ω为台风在t时间的角频率，h为位于台风中的高度；为高度h处在△t时间段内的平均风速。

74、优选的，所述台风水平和竖向相关性表达函数的表达式如下：

75、

76、上式中：rij(ω)为台风的空间特性；cx、cy、cz分别表示台风在第i点到第j点的左右、上下、前后的衰减系数；为位于台风中的第i点的平均风速，为位于台风中的第j点的平均风速；(xi、yi、zi)为位于台风中的i点的三维坐标，(xj、yj、zj)为位于台风中的j点的三维坐标。

77、本发明申请还提出一种电子设备，包括：至少一个处理器和存储器；所述存储器和处理器通过总线相连；

78、所述存储器，用于存储一个或多个程序；

79、当所述一个或多个程序被所述至少一个处理器执行时，实现所述的台风影响的山区微地形风场模拟方法。

80、本发明申请还提出一种可读存储介质，其上存有执行程序，所述执行程序被执行时，实现所述的台风影响的山区微地形风场模拟方法。

81、与最接近的现有技术相比，本发明申请具有的有益效果如下：

82、本发明提供了一种台风影响的山区微地形风场模拟方法、系统、介质和设备，在本发明中采用根据实测台风风速以及台风沿高度分布的时程数据，构建台风边界数据库；根据所述台风边界数据库中的所述实测台风风速以及台风沿高度分布的时程数据和用户自定义的台风边界，采用cfd仿真模拟技术进行仿真，得到所述用户自定义的台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速；根据山区微地形区域的实测数据，构建微地形刚体边界；根据所述微地形刚体边界和所述台风边界下的入流边界面上各点处的入流风速，采用cfd仿真模拟技术，对所述山区微地形区域内监控点处的风场进行模拟。综合考虑实测台风和山区微地形，对风场仿真分析结果的影响，能够更准确模拟沿海山区地形中，台风作用下的风场。并且在本发明中通过计算沿海台风登陆点附近山区输电线路风荷载，还可以为沿海山区输电线路的设计提供基本的风荷载输入参数。由于引入了仿真技术，本发明的方案可以投入较少的人力物力、花费较短的时间周期，获取的风场特性参数；由于结合了山区微地形区域的实测数据进行仿真，使得近地表特性参数的误差较小。