一种用于复杂地形风机尾流数值模拟的多网格融合方法

1.一种用于复杂地形风机尾流数值模拟的多网格融合方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对复杂地形进行曲面几何建模，生成连续的地形曲面几何模型，将所述地形曲面几何模型离散为三角面片，生成地形表面网格，生成所述地形表面网格的外包络立方体，扩展所述外包络立方体得到扩展计算域，确定初始网格尺寸，生成均匀笛卡尔网格，基于所述均匀笛卡尔网格的网格单元与所述三角面片的位置关系，加密所述均匀笛卡尔网格，生成所述扩展计算域的复杂地形区域的笛卡尔网格；步骤2：构建风机叶片的几何模型，将风机叶片的几何模型离散为风机叶片网格，生成风机叶片的表面网格，填充表面网格生成体网格，并在风机叶片表面生成各向异性的结构化边界层网格，风机叶片的表面网格、体网格、边界层网格构成风机区域的结构或非结构混合网格；步骤3：生成各向异性的尾迹区域O型结构网格，通过对风机尾迹区域进行几何抽象与特征线提取构建尾迹体，将复杂的风机尾迹流场转化为几何模型，基于所述尾迹体构建O型拓扑块，所述O型拓扑块的拓扑结构在横截面上为封闭的O型网格，对所述O型网格进行加密得到尾迹区域O型结构网格；步骤4：重叠装配所述复杂地形区域的笛卡尔网格、所述风机区域的结构或非结构混合网格、所述尾迹区域O型结构网格，融合得到统一的计算域。 2.如权利要求1所述的用于复杂地形风机尾流数值模拟的多网格融合方法，其特征在于，所述步骤1：对复杂地形进行曲面几何建模，生成连续的地形曲面几何模型，将所述地形曲面几何模型离散为三角面片，生成地形表面网格，生成所述地形表面网格的外包络立方体，扩展所述外包络立方体得到扩展计算域，确定初始网格尺寸，生成均匀笛卡尔网格，基于所述均匀笛卡尔网格的网格单元与所述三角面片的位置关系，加密所述均匀笛卡尔网格，生成所述扩展计算域的复杂地形区域的笛卡尔网格，包括如下步骤：步骤1.1：对复杂地形曲面进行几何建模，生成连续的地形曲面几何模型；步骤1.2：将连续的地形曲面离散为三角面片，通过记录每个三角面片的3个顶点的三维坐标确定面片位置，并记录1个法向量确定面片朝向，生成地形表面网格；步骤1.3：基于所述地形表面网格构建外包络立方体，生成三维计算域，基于模拟需求扩展所述三维计算域，向上扩展范围延伸至10~100倍大气边界层顶，水平方向扩展范围延伸至10~20倍的风机间距或2~3倍的风场规模，得到扩展计算域；步骤1.4：搭建覆盖所述扩展计算域的初始网格框架，基于30~50m的初始网格尺寸，生成均匀笛卡尔网格；步骤1.5：用射线法或扫描法识别所述均匀笛卡尔网格的网格单元与所述地形表面网格中的三角面片的位置关系，并基于所述位置关系加密所述均匀笛卡尔网格的单元；步骤1.6：若所述均匀笛卡尔网格的网格单元与所述地形表面网格中的三角面片相交或距离小于第一阈值，则加密所述均匀笛卡尔网格的网格单元，直至所述均匀笛卡尔网格的网格单元的尺寸小于第二阈值，以逼近地形几何。 3.如权利要求2所述的用于复杂地形风机尾流数值模拟的多网格融合方法，其特征在于，所述步骤1.6：若所述均匀笛卡尔网格的网格单元与所述地形表面网格中的三角面片相交或距离小于第一阈值，则加密所述均匀笛卡尔网格的网格单元，直至所述均匀笛卡尔网格的网格单元的尺寸小于第二阈值，以逼近地形几何，其中：所述第一阈值为10m，所述第二阈值为10~20m；所述加密所述均匀笛卡尔网格的网格单元的加密规则为，将所述均匀笛卡尔网格的网格单元沿x、y、z方向分别一分为二，若加密后的网格单元不满足网格尺寸小于所述第二阈值的条件，则继续拆分网格单元，直到网格单元的尺寸小于所述第二阈值；其中，x表示网格单元的水平东西向坐标，y表示网格单元的水平南北向坐标、z表示网格单元的垂直高度向坐标。 4.如权利要求1所述的用于复杂地形风机尾流数值模拟的多网格融合方法，其特征在于，所述步骤2：构建风机叶片的几何模型，将风机叶片的几何模型离散为风机叶片网格，生成风机叶片的表面网格，填充表面网格生成体网格，并在风机叶片表面生成各向异性的结构化边界层网格，风机叶片的表面网格、体网格、边界层网格构成风机区域的结构或非结构混合网格，包括如下步骤：步骤2.1：构建风机叶片的初始几何模型，对所述风机叶片的初始几何模型进行几何清理与参数化表征，采用非均匀有理B样条曲面高精度地描述所述风机叶片，得到风机叶片的几何模型；步骤2.2：基于所述风机叶片的几何模型，生成一层二维的风机叶片表面网格，网格单元为四边形或三角形结构，填充所述风机叶片表面网格生成风机叶片体网格，并在风机叶片表面生成边界层网格。 5.如权利要求4所述的用于复杂地形风机尾流数值模拟的多网格融合方法，其特征在于，所述步骤2.2：基于所述风机叶片的几何模型，生成一层二维的风机叶片表面网格，网格单元为四边形或三角形结构，填充所述风机叶片表面网格生成风机叶片体网格，并在风机叶片表面生成边界层网格，包括如下步骤：步骤2.2.1：在风机叶片表面生成各向异性的结构化叶片表面边界层网格，网格线与风机叶片表面的法线方向夹角≥85°；步骤2.2.2：在所述风机叶片的各组件的连接位置生成形状为三棱柱的连接位置边界层网格；步骤2.2.3：调整步骤2.2.1、2.2.2中的叶片表面边界层网格、连接位置边界层网格的精细度，根据预设y⁺值调整首层边界层网格的厚度，设置叶片表面边界层网格、连接位置边界层网格的层数≥30层，厚度梯度比≤1.2，构成风机叶片表面的边界层网格，其中，y⁺为衡量第一个网格中心到风机表面的距离与气流黏性长度的比值；步骤2.2.4：生成四面体网格，从所述风机叶片表面的边界层网格的外沿平滑过渡至远场，过渡范围约10倍叶片弦长。 6.如权利要求1所述的用于复杂地形风机尾流数值模拟的多网格融合方法，其特征在于，所述步骤3：生成各向异性的尾迹区域O型结构网格，通过对风机尾迹区域进行几何抽象与特征线提取构建尾迹体，将复杂的风机尾迹流场转化为几何模型，基于所述尾迹体构建O型拓扑块，所述O型拓扑块的拓扑结构在横截面上为封闭的O型网格，对所述O型网格进行加密得到尾迹区域O型结构网格，包括如下步骤：步骤3.1：对风机尾迹区域进行几何抽象，将风机尾迹区域表征为以叶轮上游一定距离为起点、向下游发展的圆柱体，对风机尾迹区域进行特征线提取，提取尾迹区域的尾迹中心线、边界剪切层，构建尾迹体；步骤3.2：基于所述尾迹体，以风机的转轴为中心轴构建O型拓扑块，所述O型拓扑块的拓扑结构在横截面上为封闭的O型网格，所述O型网格的圆柱计算域直径为10倍的风轮直径、长度为150倍的风轮直径，其中，风机所在的旋转平面距离圆柱计算域入口的距离为60倍风轮直径，距离圆柱计算域出口的距离为90倍风轮直径；步骤3.3：在以轮毂为中心的1.2倍轮毂半径的范围内和0.8倍叶轮半径至1.2倍叶轮半径的范围内径向加密所述O型网格，并在风机所在的旋转平面上游5倍风轮直径至下游90倍风轮直径范围内轴向加密所述O型网格。 7.如权利要求6所述的用于复杂地形风机尾流数值模拟的多网格融合方法，其特征在于，所述步骤3.3：在以轮毂为中心的1.2倍轮毂半径的范围内和0.8倍叶轮半径至1.2倍叶轮半径的范围内径向加密所述O型网格，并在风机所在的旋转平面上游5倍风轮直径至下游90倍风轮直径范围内轴向加密所述O型网格，包括如下步骤：步骤3.3.1：以轮毂为中心的1.2倍轮毂半径的范围内，使用0.2倍轮毂直径的细网格加密所述O型网格，在0.8倍叶轮半径至1.2倍叶轮半径的范围内，使用0.1倍叶尖弦长的超细网格加密所述O型网格；步骤3.3.2：根据流向速度衰减率、涡结构耗散尺度，以风机所在的旋转平面为0点对所述O型网格进行非均匀分段加密，使用轴向步长0.01D网格加密风机所在的旋转平面起上游5D至下游5D区域，使用轴向步长0.02D增至0.05D加密风机所在的旋转平面起下游5D至20D区域，使用轴向步长0.1D加密风机所在的旋转平面起下游20D至90D区域，其中，D为风轮直径。 8.如权利要求1或6所述的用于复杂地形风机尾流数值模拟的多网格融合方法，其特征在于，所述O型拓扑块还可以为C型或H-O混合型拓扑块。 9.如权利要求1所述的用于复杂地形风机尾流数值模拟的多网格融合方法，其特征在于，步骤4：重叠装配所述复杂地形区域的笛卡尔网格、所述风机区域的结构或非结构混合网格、所述尾迹区域O型结构网格，融合得到统一的计算域，包括如下步骤：步骤4.1：解析所述复杂地形区域的笛卡尔网格、所述风机区域的结构或非结构混合网格、所述尾迹区域O型结构网格的网格单元节点坐标、网格单元的连通性及边界条件标记，评估网格单元的偏斜度、长宽比和平滑度指标；步骤4.2：判断网格单元的属性，对于所述复杂地形区域的笛卡尔网格、所述风机区域的结构或非结构混合网格，计算所述复杂地形区域的笛卡尔网格、所述风机区域的结构或非结构混合网格的重叠区域中的网格单元到本部件壁面的最小距离d1，以及所述重叠区域中的网格单元到其他部件壁面的最小距离d2，若d1小于或等于d2，则判断所述重叠区域中的网格单元为有效单元，若d1大于d2，则判断所述重叠区域中的网格单元为无效单元，判断靠近无效单元的有效单元为插值单元，对于所述尾迹区域O型结构网格，设置所述尾迹区域O型结构网格的网格单元的壁面距离为10倍的风机叶片最大弦长。