2023風(fēng)電場(chǎng)高級(jí)仿真技術(shù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)與高性能計(jì)算相結(jié)合ZCFD + EPIC軟件

風(fēng)電場(chǎng)高級(jí)仿真技術(shù)——計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)與高性能計(jì)算相結(jié)合內(nèi)蒙古烏蘭察布市風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司將在內(nèi)蒙古烏蘭察布建立世界上最大的單一陸上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，此6千兆瓦級(jí)的大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)總投資425.44億元，規(guī)劃面積3800多平方公里，將助力2022年冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)。中標(biāo)者的單機(jī)平均容量為4.2MW，最小為3.4MW，最大為5.17MW。超大尺度模擬范圍（萬(wàn)平方公里級(jí)）詳細(xì)的地形地貌特征大氣與風(fēng)機(jī)之間、風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)之間的復(fù)雜相互作用風(fēng)機(jī)數(shù)量眾多的大型風(fēng)電機(jī)組風(fēng)機(jī)運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題……懷特利風(fēng)電場(chǎng)大型風(fēng)電場(chǎng)仿真難點(diǎn)準(zhǔn)確模擬超大尺度地形模型（200km×200km）地形特征包括樹(shù)木、草地、建筑物和水面等大氣邊界層（ABL），包括湍流強(qiáng)度大量風(fēng)力發(fā)電機(jī)的位置和類(lèi)型上游風(fēng)機(jī)對(duì)下游風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)影響風(fēng)電場(chǎng)與大氣的阻塞效應(yīng)和相互作用任何風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（活動(dòng)或非活動(dòng)）風(fēng)機(jī)位置或運(yùn)行計(jì)劃的優(yōu)化……懷特利風(fēng)電場(chǎng)局部的尾流相互作用與地形效應(yīng)ZCFD

+

EPIC

優(yōu)勢(shì)精確輸出每個(gè)風(fēng)機(jī)的功率和局部情況每臺(tái)風(fēng)機(jī)和整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的總功率在規(guī)定范圍內(nèi)的任何風(fēng)向和風(fēng)速下，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的湍流強(qiáng)度和風(fēng)速上游風(fēng)機(jī)對(duì)未來(lái)開(kāi)發(fā)區(qū)域的潛在影響……懷特利風(fēng)電場(chǎng)在229°風(fēng)向時(shí)的發(fā)電量ZCFD

+

EPIC

優(yōu)勢(shì)粗糙度影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型冠層對(duì)風(fēng)速的影響基于Python的風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)化處理ZCFD

風(fēng)場(chǎng)特色模型Turbinesmodelledasactuator

discsSimple

(direct)InductionBladeElement

TheoryUserDefinedTerrainmodelledas

roughnessTreesmodelledascanopieswithleafareadensityfunction(LAD)or

terrainOutputsinParaVieworEnsight

formatJupyternotebookscreatedTreesTerrainActuatorDiscTurbine

ModelThrustTorqueZCFD

風(fēng)場(chǎng)特色模型常規(guī)空氣流動(dòng)的CFD模型風(fēng)電場(chǎng)空氣流動(dòng)的簡(jiǎn)化CFD模型Wind

(U)UUUUUUUUUUniformpressure

fieldWind

(U)UUUUUUUUUWindmovesaroundthepressure

blockage阻塞效應(yīng)

The

“Blockage”EffectAtmosphericBoundaryLayer(ABL)TurbulentTurbine

WakeAneddyviscositymodeldoesnotrepresenttheturbulentturbinewakewellintheatmosphericboundary

layer.湍流尾跡

Turbulent

WakesWind

(U)Wakemodellingerrorsgetworseinlargerwindfarm

arrays.大型陣列中的尾流效應(yīng)

Wake

Effects

in

Large

Arrays高級(jí)大規(guī)模仿真應(yīng)用的新一代軟件。Nextgenerationsoftwareforadvancedsimulationatscale.在多核硬件上能有效運(yùn)行，達(dá)到高速度和可升級(jí)性。Runsefficiently

onmodernmany-core

hardwarefor

speedand

scalability.能從最常見(jiàn)可獲得的格式中轉(zhuǎn)換非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。Convertunstructuredmeshesfrommost

commonlyavailableformats.可在個(gè)人計(jì)算機(jī)集群運(yùn)行，也可在線通過(guò)EPIC。RunonprivateclusteroronlineviaEPIC.仿真模擬湍流（RANS,

URANS,

DDES

or

LES）包括自動(dòng)伸縮壁函數(shù)。Simulates

turbulent

flow

(RANS,

URANS,

DDES

or

LES)

including

automaticscalablewall

functions.支持低馬赫數(shù)預(yù)處理可壓縮流動(dòng)。Supportscompressibleflowwithpreconditioningfor

lowMachnumbers.可在有限體積模式或者高階（DG通量重建）模式下運(yùn)行，以獲得有效尺度分辨率。Can

be

run

in

finite

volume

(FV)

mode

or

high

order

(DG

FluxReconstruction)modelforefficientscale

resolution.基于幾何多重網(wǎng)格，雙時(shí)間步進(jìn)以及多項(xiàng)式多重網(wǎng)格求解加速。Solution

acceleration

via

geometric

multigrid,

dual

time-stepping

and

polynomial

multi-grid.在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上使用OpenMP并行運(yùn)行，在節(jié)點(diǎn)之間使用MPI。Runsin

parallelusing

OpenMP

oneachnode

andMPI

betweennodes.自動(dòng)識(shí)別并在NVIDIA顯卡上以直接模式運(yùn)行。

Automaticallydetectsand

runsonNVIDIA

graphicscardsin

directmode.自動(dòng)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置，包括風(fēng)機(jī)組。Automated

windfarmsetupincludingturbines.軟件特性

ZCFD

Software

Features阿斯克爾文山背風(fēng)面的流量預(yù)測(cè)是大氣環(huán)境模擬的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)案例，并用作可再生能源（風(fēng)能）分析的基準(zhǔn)。山坡的背風(fēng)面有一個(gè)逆壓力梯度，這對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的k-e湍流模型來(lái)說(shuō)是一個(gè)典型的挑戰(zhàn)。阿斯克爾文山地形環(huán)境ZCFD公開(kāi)案例—阿斯克爾文山的風(fēng)能預(yù)報(bào)在地形圖中的A路徑與AA路徑上，ZCFD風(fēng)速預(yù)測(cè)結(jié)果（藍(lán)線）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（紅點(diǎn)）和第三方CFD

k-ε湍流模型預(yù)測(cè)結(jié)果（黑線）的比較。ZCFD公開(kāi)案例—阿斯克爾文山的風(fēng)能預(yù)報(bào)對(duì)于在中心點(diǎn)（CP）和山頂（HT）的垂直速度，ZCFD結(jié)果（藍(lán)線）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（紅點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)）和第三方CFD的k-ε湍流模型結(jié)果（黑線）的比較。ZCFD公開(kāi)案例—阿斯克爾文山的風(fēng)能預(yù)報(bào)阿斯克爾文山遠(yuǎn)場(chǎng)邊界（左側(cè)）和附近遙感數(shù)據(jù)點(diǎn)處（右側(cè)），ZCFD流入速度和湍流動(dòng)能預(yù)測(cè)（藍(lán)線）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。ZCFD公開(kāi)案例—阿斯克爾文山的風(fēng)能預(yù)報(bào)阿斯克爾文山邊界層的模擬ZCFD公開(kāi)案例—阿斯克爾文山的風(fēng)能預(yù)報(bào)博倫德山雖然相對(duì)較小，但它的幾何形狀會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的三維流動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)期間，從分布在10個(gè)側(cè)風(fēng)塔上的35個(gè)風(fēng)速計(jì)同時(shí)收集了速度和高頻湍流數(shù)據(jù)，從而生成了一個(gè)大型數(shù)據(jù)庫(kù)，用于驗(yàn)證流動(dòng)模型。利用博倫德山實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了大氣邊界層模型和湍流模型在復(fù)雜非光滑地形上的可再生能源評(píng)價(jià)能力。博倫德山的陸地特征和邊界層模擬ZCFD公開(kāi)案例—柏倫德山復(fù)雜大氣環(huán)境的可再生能源評(píng)價(jià)上圖柏倫德山的速度仿真結(jié)果（藍(lán)點(diǎn)）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（紅點(diǎn)）對(duì)比。對(duì)于高于地面3米以上的探頭仿真結(jié)果非常準(zhǔn)確，對(duì)于低于3米的探頭的結(jié)果存在差異（原始測(cè)量數(shù)據(jù)已針對(duì)3D效果進(jìn)行了校正）。ZCFD公開(kāi)案例—柏倫德山復(fù)雜大氣環(huán)境的可再生能源評(píng)價(jià)丹麥荷斯韋夫風(fēng)電場(chǎng)是可再生能源工程的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試案例。其中一系列風(fēng)機(jī)的性能取決于上游風(fēng)機(jī)對(duì)下游風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)，以及整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)當(dāng)?shù)卮髿膺吔鐚拥目傮w效應(yīng)。該陣列由80個(gè)直徑為80米的維斯塔斯風(fēng)機(jī)組成，輪轂高度高于海平面70米，以8×10的陣列排列。下圖為荷斯韋夫風(fēng)電場(chǎng)布局ZCFD公開(kāi)案例—荷斯韋夫風(fēng)電場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試案例荷斯韋夫風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)向280°時(shí)的發(fā)電量（兆瓦）荷斯韋夫風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)向280°時(shí)，第8排風(fēng)電機(jī)的發(fā)電量（兆瓦），圖中顯示了下游尾流相互作用的影響。ZCFD公開(kāi)案例—荷斯韋夫風(fēng)電場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試案例大加伯德是一個(gè)504兆瓦的風(fēng)電場(chǎng)，位于英格蘭薩福克海岸23公里外的沙洲上，耗資15億英鎊。ZCFD模擬結(jié)果與來(lái)自風(fēng)電場(chǎng)的SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，誤差約為2%。由于模型中自動(dòng)包含了尾流效應(yīng)和阻塞效應(yīng)，這為使用高保真模擬軟件進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化提供了一個(gè)令人信服的案例，結(jié)果發(fā)表在了Wind

Europe

2019上。ZCFD公開(kāi)案例—大加伯德風(fēng)電場(chǎng)高精確度發(fā)電量預(yù)測(cè)大加伯德風(fēng)電場(chǎng)中的尾流相互作用在262度的風(fēng)向下每臺(tái)渦輪機(jī)的功率（兆瓦）ZCFD公開(kāi)案例—大加伯德風(fēng)電場(chǎng)高精確度發(fā)電量預(yù)測(cè)懷特利風(fēng)電場(chǎng)是英國(guó)最大的陸上風(fēng)電場(chǎng)，擁有215臺(tái)西門(mén)子和阿爾斯通風(fēng)機(jī)，總?cè)萘繛?39兆瓦，平均每臺(tái)風(fēng)機(jī)2.5兆瓦。風(fēng)電場(chǎng)的特點(diǎn)是具有不同的渦輪機(jī)類(lèi)型和復(fù)雜的物理地形以及地形和地面景觀的相互作用。ZCFD公開(kāi)案例—英國(guó)陸上最大風(fēng)場(chǎng)的環(huán)境與風(fēng)能預(yù)測(cè)懷特利風(fēng)電場(chǎng)中尾流相互作用與地形效應(yīng)模擬懷特利風(fēng)電場(chǎng)在風(fēng)向?yàn)?29°時(shí)的發(fā)電量預(yù)測(cè)ZCFD公開(kāi)案例—英國(guó)陸上最大風(fēng)場(chǎng)的環(huán)境與風(fēng)能預(yù)測(cè)英國(guó)量化湍流并避免了渦輪間尾流相互影響。法國(guó)預(yù)測(cè)并解決了山丘邊界層對(duì)有效風(fēng)能的影響。韓國(guó)快速量化風(fēng)力資源并優(yōu)化風(fēng)電機(jī)布局。中國(guó)臺(tái)灣預(yù)測(cè)并解決了大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中氣流的阻塞效應(yīng)和上游風(fēng)機(jī)對(duì)下游風(fēng)機(jī)的影響。沙特阿拉伯對(duì)于局部效應(yīng)影響下的非恒定風(fēng)場(chǎng)成功預(yù)測(cè)并完成風(fēng)電場(chǎng)布局。ZCFD

+

EPIC

商業(yè)業(yè)績(jī)高精確度&高性能High

accuracy

andperformance中央處理器和圖片處理器操作CPU

andGPU

operation可升級(jí)、安全&簡(jiǎn)單的高性能機(jī)群Scalable,

secure&simpleHPCon

demand跟多種服務(wù)提供商連接Connect

with

multipleproviders高級(jí)仿真工具

AdvancedSimulation

ToolsetZenotech公司推出的EPIC可以方便用戶使用各種高性能計(jì)算平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算和存儲(chǔ)安全進(jìn)行管理。EPIC允許用戶以最小的難度在互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算資源上運(yùn)行應(yīng)用程序軟件，而無(wú)需最終用戶配置計(jì)算平臺(tái)。EPIC可將所有作業(yè)在一個(gè)界面上呈現(xiàn)，并根據(jù)即時(shí)可用的價(jià)格為用戶提供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選擇。所有數(shù)據(jù)都會(huì)通過(guò)編碼來(lái)保證安全，電子數(shù)據(jù)的傳輸將由HTTPS來(lái)保證安全。EPIC與高性能計(jì)算平臺(tái)ZCFD軟件專(zhuān)門(mén)經(jīng)過(guò)多核CPU和GPU的設(shè)計(jì)優(yōu)化，因此與EPIC相結(jié)合，可以運(yùn)行在一系列包括神威太湖之光、神威藍(lán)光在內(nèi)的高性能計(jì)算機(jī)硬件或包括亞馬遜AWS、阿里云等云計(jì)算平臺(tái)上，也是目前世界唯一的6千兆瓦級(jí)大型風(fēng)場(chǎng)仿真模擬整體解決方案。EPIC與高性能計(jì)算平臺(tái)第1階段：風(fēng)資源評(píng)估驗(yàn)證——使用ZCFD對(duì)大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，與傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。第2階段：風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)模擬——對(duì)風(fēng)電場(chǎng)范圍內(nèi)的全部風(fēng)機(jī)進(jìn)行模擬，關(guān)注阻塞效應(yīng)和尾流效應(yīng)，預(yù)測(cè)發(fā)電量及由尾流導(dǎo)致的疲勞損傷。第3階段：風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)選擇——與電氣工程團(tuán)隊(duì)溝通，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電纜等電氣設(shè)施和布局進(jìn)行優(yōu)化。第4階段：風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化——通過(guò)與客戶的咨詢溝通，確定布局和風(fēng)機(jī)選擇優(yōu)化策略。