本文件总结了流动数值建模的现状、现有的准则和过去在数值模型验证和确认方面的基准经验。在所做工作的基础上，本文件鉴别出在风能应用中基于复杂地形进行流动模拟的重要技术，以及现有的未解决问题，包括通过基准测试进一步验证的建议。 本文件适用于风电场中风力发电机组功率特性测试场地的标定。

ICS27.180
CCS F 11
中华人民共和国国家标准化指导性技术文件GB/Z 440482024/IECTR61400-12-4:2020风能发电系统
风力发电机组功率性能
测试的数值场标定方法
Wind energy generation systems—Numerical site calibration for powerperformance testing of wind turbines(IEC TR 61400-12-4:2020,Wind energy generation system—Part 12-4:Numericalsite calibration for power performance testing of wind turbines,IDT)2024-05-28发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2024-12-01实施
2规范性引用文件
3术语、定义、缩略语和符号
3.1术语和定义
3.2缩略语
3.3符号和单位
4数值模拟方法概述：
4.1线性流动模型
4.2雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS）模型4.3大涡模拟(LES）和RANS/LES混合模型.5数值流动建模应用的现有准则
5.1概述
AIAA（1998）计算流体仿真验证和确认指南GB/Z44048—2024/IECTR61400-12-4:2020次
5.3计算流体力学和传热学的验证和确认标准-ASMEV&V20-20095.4COST732“微尺度气象模型的质量保证”5.5
日本建筑学会准则
VDI3783第9部分环境气象学一预测微尺度风场模式-建筑物和障碍物绕流评估国际能源署任务31尾流试验台-风场尾流基准的模型评估协议一特定场址风况评估
MEASNET
基准验证测试总结
DEWI循环测试在风能数值模拟中的应用Bolund 试验
欧洲风能协会资源比较与发电量评估程序I和II（2011,2013）国际能源署任务31尾流试验台试验欧洲风能新图谱试验
风预测改进项目2
风洞测试验证数据
7风能应用中基于地形进行流动模拟的重要技术7.1
输入地形数据的质量
GB/Z44048—2024/IECTR61400-12-4:20207.3计算域
7.4计算域的边界条件
网格参数.
收敛准则：
大气稳定性
科里奥利效应
障碍物影响
关于数值场地标定模型适用范围的建议8开放性问题.
从数值模拟结果确定气流校正系数以进行功率曲线测试8.3
不确定度量化
数值场地标定程序验证活动的提案参考文献
GB/Z44048-2024/IECTR61400-12-4:2020前言
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件等同采用IECTR61400-12-4:2020《风能发电系统第12-4部分：风力发电机组功率特性测试的数值场标定方法》。文件类型由正C的技术报告调整为我国的国家标准化指导性技术文件。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国风力发电标准化技术委员会(SAC/TC50)归口。本文件起草单位：金风科技股份有限公司、北京金风科创风电设备有限公司、北京鉴衡认证中心有限公司、中国船舶重工集团海装风电股份有限公司、中国质量认证中心、西门子歌美可再生能源科技（中国）有限公司、中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司、浙江运达风电股份有限公司、明阳智慧能源集团股份公司、上海电气风电集团股份有限公司、中国电力科学研究院有限公司、中车山东风电有限公司、中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部、北京协合运维风电技术有限公司、兰州交通大学、上海能源科技发展有限公司、广东省风力发电有限公司、华润电力技术研究院有限公司、中国长江三峡集团有限公司、中国三峡新能源（集团)股份有限公司、江苏金风科技有限公司、东方电气风电股份有限公司、大唐可再生能源试验研究院有限公司、国电联合动力技术有限公司、深圳市未望电气股份有限公司、上海海湾新能风力发电有限公司。本文件主要起草人：孔婕、敖娟、蔡继峰、宫伟、康巍、俞黎萍、李跃、郭辰、姜婷婷、魏煜峰、石宇峰许移庆、张黎明、薛扬、付德义、杨彦平、巫发明、陈振华、李卓群、邓屹、刘东海、卢仁宝、张学礼、袁恩来、姚加桂、陈飞、聂峰、李金缀、石浩、李媛、卢坤鹏、黄树根、梁瑞利、张家铭、姜德旭、李伟、杨天时、赵玉、张旭日、张智伟。
GB/Z440482024/IECTR61400-12-4:2020引言
IEC61400-12-11是用于风力发电机组功率特性测量的国际标准。规定在复杂地形中需要进行场地标定，以获得测量位置和测试风力发电机组之间的流动特性关系。该方法要求除用于测量风力发电机组功率曲线的参考测风塔外，还需要在被测风力发电机组安装之前，在机位处安装一个临时测风塔。IEC61400-12-1方法经常在工业实践中使用，但是有如下缺点：第二座测风塔的额外费用和场地标定结果的分析：一额外需要3个月以内的场地标定时间；在安装风力发电机组之前，必须做出场地标定的决策。这些缺点促使业界寻找替代方法进行场地标定。一种替代方法是利用数值模拟来推导气流校正系数，即风力发电机组位置的风速与参考测风塔位置的风速之间的关系。在数值场地标定中，气流校正系数是通过对流动的数值模拟计算出来的。尽管消除了前面提到的一些缺点，但数值场地标定也带来了其他挑战：一仿真模型的依赖；
模型设置的依赖；
建模人员专业性的依赖：
模型不确定度的量化。
1范围
GB/Z440482024/IECTR61400-12-4:2020风能发电系统风力发电机组功率性能测试的数值场标定方法
本文件总结了流动数值建模的现状、现有的准则和过去在数值模型验证和确认方面的基准经验。在所做工作的基础上，本文件鉴别出在风能应用中基于复杂地形进行流动模拟的重要技术，以及现有的未解决问题，包括通过基准测试进一步验证的建议。本文件适用于风电场中风力发电机组功率特性测试场地的标定。2规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
3术语、定义、缩略语和符号
3.1术语和定义免费标准下载网bzxz
本文件没有需要界定的术语和定义。3.2缩略语
下列缩略语适用于本文件。
AIAA：美国航空航天学会AmericanInstituteofAeronautics andAstronautics）ABL：大气边界层(AtmosphericBoundaryLayer)AEP：年发电量(AnnualEnergyProduction)AIJ：日本建筑学会(Architectural Institute of Japan）ALEX17:2017Alaiz试验(AlaizExperiment2017)ASME：美国机械工程学会（AmericanSocietyofMechanicalEngineers）CEDVAL:验证微尺度扩散模型的实验数据汇编（CompilationandExperimentalDataforValidation of Microscale Dispersion Models)CFD:计算流体力学(ComputationalFluidDynamics）CHT：计算传热学(Computational Heat Transfer）CoST：欧洲科学技术合作(European Cooperation in Science and Technology)CREYAP：资源比较和发电量评估程序(ComparativeResourceandEnergyYieldAssessmentProcedures
DES:分离涡模拟(DetachedEddySimulation）DDES:延迟分离涡模拟(Delayed DetachedEddySimulation)DEWI:德国风能研究所(DeutschesWindenergie-Institute)DTU：丹麦技术大学(DanishTechnical University）EWEA：欧洲风能协会(EuropeanWindEnergyAssociation)GB/Z 44048—2024/IEC TR61400-12-4:2020EWTL：环境风洞实验室(EnvironmentalWindTunnelLaboratory）FCF：气流校正系数(FlowCorrectionFactor)GWh：百万千瓦时（Gigawatt-hour)IEA：国际能源署(InternationalEnergyAgency）IEC：国际电工委员会(InternationalElectrotechnical Commission）LES：大涡模拟(Large Eddy Simulation)LIDAR：激光雷达(LightDetection andRanging)MEASNET:国际风电检测组织(MeasuringNetworkofWindEnergyInstitutes）MEP：模型评估协议(ModelEvaluationProtocol)NEWA:新欧洲风能图谱(NewEuropeanWindAtlas)NSC:数值场地标定(Numerical site calibration)RANS：雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes)RNG：重整化群(RenormalizationGroup)）SC:场地标定(SiteCalibration)SODAR:声雷达(SoundDetection andRanging)TC：技术委员会(TechnicalCommittee)TR：技术报告(Technical Report)UQ：不确定度量化(UncertaintyQuantification)URANS非稳态雷诺平均纳维-斯托克斯(UnsteadyReynolds-averagedNavier-Stokes)V&.V:验证和确认(VerificationandValidation）VDI:德国工程师协会(VereinDeutscherIngenieure)WAsP：风资源分析及应用程序(WindAtlasAnalysis andApplicationProgram）WFIP：风预测改进项目（WindForecastImprovementProject)WTG：风力发电机组(WindTurbineGenerator)3.3符号和单位
表1给出了本文件中文本和公式中使用的符号。表1本文件中使用的符号
滤波后风速的第i个分量
滤波后的压力
分子动力黏度
瑞流动力黏度
Smagorinsky常数
冯卡门常数
到最近壁面的距离
局部滤波器大小
瑞流长度尺度
RANS模型中的端流长度尺度
1 input
GB/Z 44048—2024/IEC TR 61400-12-4:2020表1本文件中使用的符号（续）
LES模型中的流长度尺度
DDES模型常数
i方向速度的平均分量
i方向速度的脉动分量
i方向的空间变量
平均压力
分子运动黏度
i方向的体积力
雷诺应力
克罗内克符号
湍流运动黏度
湍动能
瑞流长度尺度
动能产生项
端动能耗散率
RANS湍流模型常数
RANS端流模型常数
RANS端流模型常数
RANS瑞流模型常数
验证对比误差
模型假设导致的误差
方程数值解导致的误差
输入参数导致的误差
实验值误差
验证标准不确定度
数值解不确定度
输入参数不确定度
实验值不确定度
相关系数
DDES参数
修正的DDES常数/分布函数
DDES常数
有效水平运动黏度
kg·m/s
m2 / s2
m2 /s2
m2 / s2
m2/ s3
GB/Z 440482024/IECTR61400-12-4:2020表1本文件中使用的符号(续）
有效垂向运行黏度
i方向的速度扰动分量
压力扰动
无扰动流动的水平速度方向分量叶轮直径
4数值模拟方法概述
4.1线性流动模型
20世纪80年代后期以来，由于受计算资源限制，线性流动模型成为了风资源评估的标准。这些模型基于Navier-Stokes方程的线性化，该方程最初由参考文献[2]引入。它们在中性大气条件下，坡度足够平缓的地形上可以可靠使用，这种条件可以确保完全附着的流动状态。线性流动模型如公式(1)和公式(2)所示：
=0,fori=l,...,3
式中：
U,(i=1.2)
u;(i=1,..,3)
未受扰动气流的水平速度分量；速度扰动分量；
一压力扰动：
-一水平方向上的有效运动黏度；垂直方向上的有效运动黏度。
foril.....3andj=
++.++++++.(2)
在风不会显著地受到陡坡，流动分离，热驱动流，低空急流以及其他动态和非线性大气边界层现象影响的情况下，线性模型表现得相对较好。风资源分析和应用程序(WindAtlasAnalysisandApplicationProgram,WAsP)3在线性模型的使用中最广泛。WAsP程序是将参考处风速与预测位置处风速联系起来的传递函数模型。误差的重要来源可能与地形复杂度，大量流动分离，风向变化以及大气条件变化有关，包括狭管效应，阻塞效应和热驱动流(例如，叠间的海风，下坡风）。由于其快速而稳定的性能，线性模型仍在风电行业中使用。4.2雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)模型如4.1所述，由于线性模型的局限性，计算流体力学(CFD）模型在风电行业中得到了越来越广泛的应用。CFD在大气边界层(ABL）中的应用已受到机械工程领域的CFD和中尺度气象模式的影响。CFD考虑具有4个未知变量的动量和质量守恒方程：压力和3个速度分量。通常不考虑描述大气状态的其他变量，例如温度，湿度和气溶胶浓度典型的CFD大气流动模拟应用遵循单一风向方法来代表离散风向玫瑰图的一个扇区。考虑到地GB/Z44048—2024/IECTR61400-12-4:2020形和粗糙度的影响，每个风向的流动模拟都会得出加速因子。在雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS）方法4中，由于流动的端流特性，变量用统计函数描述，分为平均和波动(瑞流)分量（例如，U,=U,+u），a(pU.)
=0和U
从而得到RANS方程，如公式（3)所示：a a(pU.)
+F.fori.j=l.....3
.·(3)
在RANS方程中，流相关性u;u，（也称为端流通量或应力）须被参数化以闭合方程组。采用Boussinesq假设，通过引入涡流黏度（一阶闭合）来定义端流通量和平均值梯度之间的关系，如公式（4）所示：
uu,=VT
ar,ar;1
kofori.jl...3
·（4）
引入两个基本量来描述流：运动流黏度vr和端动能k。运动瑞流黏度取决于端动能k和端流涡的大小Lr，即vr=k'2Lr。
模型有不同的闭合类型，例如单方程和双方程模型。在单方程模型中，端动能k的方程如公式（5）所示：
式中：
=Pa-c,
+a [(ur)ak
uaraJar
由平均速度梯度引起的端动能k的产生项；瑞流长度尺度。
for j=l,....
流长度尺度Lr，是根据解析模型得出的，例如垂向高度的函数，有时也与热稳定性相关5。在双方程模型(k-e,RNGk-e,k-W,...)中，方程闭合是通过两个传输方程来实现的，一个用于求解k，一个用于求解端流耗散ε：
ak = P,- +ar,l
2e=是(Ch,P-Gae)+:
运动端流黏度vr由闭合方程=C
给定。
foj=l,,3
forj=1,,3
....(6)
.... (7)
如果没有在RANS模型中使用稳态假设，则可以用非稳态RANS(URANS）描述运动方程，与线性模型相比，RANS稳态模型在大多数情况下能够预测分离区域中的流动分离和再附着，但是在该区域中结果的准确性值得怀疑。该限制是模型的统计本质所固有的。RANS模型多采用中性分层假设，这在很多情况下限制了它的适用性。现有应对中性分层限制假设的解决方案，例如，基于莫宁-奥布霍夫相似性理论通过修改瑞流闭合项或求解能量方程并将浮力项添加到RANS方程7；但是，还需要其他验证。
与线性模型相比，RANS模型需要更多的计算资源。目前，它们主要用于复杂场地的资源评估和场地适应性评估，例如非平坦的地形，粗糙度突变区域或森林区域。4.3大涡模拟(LES)和RANS/LES混合模型大涡模拟(LES）通过低通滤波器忽略小尺度端流的影响，只求解可由网格解析的流。公式(8）～公式（13)给出了不可压缩流动的控制方程（使用亚格子模型[8）：apu:=0
a(pu.apuu,
.．(9)
GB/Z44048—2024/IECTR61400-12-4:2020μ,=pL?151
L,=C,△
IS}=V2S,s,
式中：
滤波后风速的i分量；
C,—常数；
△—一局部滤波器的大小，ij-1...3。其他亚格子尺度模型的更多信息可参见参考文献「9」。(10)
（11)
..(12)
与RANS不同，LES不能求解亚格子尺度参数的传输方程，即不是所有表征流动的涡都能够被求解。因此，LES高度依赖于网格分辨率，并且网格的选择至关重要。另一方面，当网格足够精细时，LES通常可以解决出现在小山后或悬崖边缘的非稳态流动分离问题，这种分离区的模拟流场比RANS更接近真实10]。
然而，LES的一个主要问题是关于表面粗糙度的建模。例如，对于低粗糙度的表面，LES需要非常精细的网格来解析它，这对于工程应用而言计算成本太高。混合RANS/LES方法用来克服这个问题。分离涡模拟(DES)1就是这样一种方法。在DES
中，传输方程中的k和ε被求解，并且长度尺度1，可以通过公式（14)～公式（16)来计算：1=min(IRAns,les)
les=C,△
....(14)
...(15)
通过使用这种方法，在边界附近选择RANS模型，在远离边界的区域选择LES。但是，Spalart等［12提到DES模型在厚边界层情形下表现不佳，并提出了一种改进方案，称为延迟分离涡模拟(DDES)。在DDES中，可以通过公式（17)和公式（18)计算长度尺度I137[14]：1=IRANs-famax(O,1RANs-ls)
fa=l-tanh[(Ai Ya)A]
在参考文献[14]中，用A1分段函数代替常数来模拟大气边界层中的流场。5数值流动建模应用的现有准则
5.1概述
.. （17)
..(18)
科研机构、认证组织和国家工程协会已经针对数值流动模型的验证和确认、质量保证以及评估制定了准则。这里对与数值场地标定最相关的准则进行综述。5.2AIAA(1998)计算流体仿真验证和确认指南美国航空航天学会（AIAA）指南5提供了CFD模型性能基准测试的准则。尽可能多地进行验证和确认(V&.V）测试，以获得模型结果的可信度和可靠性，从而达到模型的特定预期用途。模型的高度复杂性使得很难验证全范围的运行条件。因此，验证过程的主要目标是在数值模型中建立和量化足够的可信度，以便在可接受的范围内用于预测研究变量。V&.V流程宜考虑以下要素：
一模型的一般说明，包括其预期的用途或应用；6
小提示：此标准内容仅展示完整标准里的部分截取内容，若需要完整标准请到上方自行免费下载完整标准文档。