风场在机位平台建设时为了场平和基础承重的需要，会在选定的机位处进行地基开挖和平台基础面整平。对于山地平台，这种地形改造会破坏局部地形特征，形成人造高边坡。在工程中，一般将10~30 m边坡高度划分为高边坡范围。

某一机位地形施工剖面如图1所示，在机位点左侧形成了高度为h_slope，坡度为θ的高边坡，同时平台基础相对原始地形有所下降，沿山体坡面流动的气流在前坡面上端部发生流动分离，对近地面风形成干扰，使得下叶尖易处于高切变湍流区。

图  1  机位地形剖面图

Figure 1.  The section of terrain at the turbine site

本文选取机位实际地形作为研究对象，在机位附近采用分辨率为2 m×2 m高精度测绘地图，主要以山脉、道路为主，范围覆盖直径约2 km。外区域采用30 m×30 m低精度地图，此地图来自于地理空间数据云-DEM数字高程数据-GDEMDEM 30 m分辨率数字高程数据，两种地图是在坡度较缓的位置做的拼接，拼缝宽度80 m，拼接段进行了线性插值过渡。由于拼段两侧都是取自实际地形，拼缝相比计算域极小，而且远离风机(约1 km)，地形起伏较缓，此种处理方式对模拟结果影响可以忽略不计^[9]。生成的地形高程图如图2所示。

图  2  地形高程图

Figure 2.  The elevation map of terrain

以机位为中心，建立长方体计算域，入口距风机位置4 km，出口距风机6 km，计算域高取2 km，两侧距风机3.2 km。网格划分策略参考文献[10,11]，采用六面体非结构化网格对区域进行离散，壁面首层网格高度为1 m，高度方向采用棱柱体边界层，渐变率为1.2，共5层，对机位点地形网格进行单独加密，最终网格总数约为1 200万，如图3所示。

图  3  网格划分图

Figure 3.  Mesh of terrain

底部地形边界为壁面边界，顶部和侧面为对称边界，出口为压力出口边界，入口来流风速分布采用对数率分布^[12]。

式中：u_τ为摩擦速度;k为Karman常数；z_h为临界高度；z₀为地面粗糙度；z_ref、u_ref分别为参考高度和参考风速，假定入口100 m高度风速为8 m/s，入口风速大小采用上式风廓线形式表示。

湍流模型选用RNG k-e模型，边界层内流场采用近壁面函数处理。仿真采用稳态求解，设置最大内迭代步数1 000步，通过监控风速和残差收敛性来得获到稳定流场。

工程中选择立机地形坡面坡度一般不超过45°，为了研究不同坡度风参数特征，本文选取了内蒙正镶白旗坡度24°山体一和赣州双山坡度36°山体二作为研究对象，分析复杂山区风资源特征。山体一和山体二主风向地形走势如图4所示。

图  4  机位地形走势图

Figure 4.  The terrain trend map at the turbine site

两山体取自实际风场地形，山体坡面延伸长度不一，以山体剖面中线为零点，根据地形特征，均匀取若干位置点作为分析对象，如表1所示。

建设机位采用的机型叶轮直径为145 m，轮毂标准设计高度为90 m，风力发电机组设计等级为IEC SB级。用H₁、H₂、H₃表示下叶尖高度、轮毂高度、上叶尖高度。

来流风沿山体前坡面流动具有加速效果，在山顶位置3处达到最大，山顶处垂向风切变值较小或为负。如图5和图6所示，山体后方尾流受地形影响较大，低层风速很低，湍流强度较大，因此应避免在山体主风向背风侧立机。

图  5  两山体不同位置高度处水平风速

Figure 5.  The horizontal wind speed at different heights of two mountains

图  6  两山体不同位置点处湍流强度

Figure 6.  The turbulence intensity at different heights of two mountains

机位平台建设受保护区、施工条件、载荷安全性等条件限制，立机位置可以分为坡前、坡中、坡后三种状况，其结构形式如图7所示。

图  7  立机位置示意图

Figure 7.  Three ways of turbine construction

以山体一为分析对象，本节比较了在同一来流下这三种情形风参数状况。高边坡高度为10 m，平台直径约为40 m。四种地形风速分布特征如图8所示，同一山体不同立机位置高度方向水平风速大小和湍流强度大小如图9、图10所示。

图  8  四种地形风速分布图

Figure 8.  The wind speed distribution of four kinds of terrain feature

图  9  立机不同位置处水平风速

Figure 9.  The horizontal wind speed distribution at different location of turbine

图  10  立机不同位置处湍流强度

Figure 10.  The turbulence intensity at different location of turbine

原地形在山顶处出现常见的加速效应，坡中立机和坡后立机在机位均出现大幅流动分离，并且流动分离区占据了一定的高度。只有坡前立机在机位高度方向保持较平缓速度过渡。

根据图9和图10可知，不同立机位置选择对机位盘面风速影响差别较大，坡前立机盘面水平风速分布较接近原地形，下叶尖、轮毂、上叶尖高度风速分别降低7.7%、0.6%、0.2%，坡中立机叶轮下叶尖、轮毂、上叶尖风速分别降低22.4%、6.0%、2.4%，坡后立机叶轮下叶尖、轮毂、上叶尖风速分别降低50%、6.8%、2.6%，同时，坡后立机在低高度范围风速急剧变化，切变值和湍流强度均偏高。因此，在机位平台建造时，应选择在靠近迎流方向一侧建设基础平台。

本节比较了同一地形下坡前立机三组不同开挖坡度对应的风参数，机位高边坡坡度分别为45°、60°、90°，其中90°可认为垂直边坡，机位处原地形统一下挖5 m。不同坡度下机位高度方向水平风速和湍流强度如图11所示。

图  11  不同坡度下机位盘面风参数

Figure 11.  The wind parameters in different slopes

根据图11可知，在坡前立机后，高边坡坡度对机位处风速影响并不显著，三种边坡方案中坡度60°最佳，坡度90°方案在低高度层风速所减弱，三者湍流强度相差不大。因此，高边坡坡度对坡前立机影响较小。

山坡地形为了平台面积和基础稳定性满足要求，通常会增加机位平台下挖深度，本节在保持相同的高边坡坡度条件下，对机位平台不同下挖高度进行仿真计算，开挖深度的改变，本质上改变了机组下叶尖与边坡的距离关系，下叶尖在边坡高度之下，流动会受边坡遮挡。

盘面下叶尖高度风速受边坡高度影响最敏感，随着下挖深度增加，下叶尖距离高边坡坡面愈近，甚至埋于坡面以下，风速降低严重，如图12所示，正值表示下叶尖在边坡之下，轮毂高度和上叶尖高度随下挖深度增加风速降低率逐渐趋于平缓。下叶尖高度对应风切变值如表2所示，此分析针对坡前立机的状况，若背坡来风，机位平台处受开挖深度影响更敏感，下叶尖遮挡会使机组下盘面风况极度恶化。

图  12  机位不同开挖深度下机位盘面风参数

Figure 12.  The wind parameters in different depth of platform

通过建立三维风场模型和CFD数值模拟计算方法，研究了高边坡影响下的机位风资源特性，得出如下结论：

1）来风沿山体坡面流动具有加速效果，在山顶处风速达到最大，而山顶高度方向风切变较小。

2）当高边坡位于机组上风向时，机组下叶尖高度层风速变化剧烈，流体分离严重，湍流强度较高，易产生较大的风切变，对叶片安全性造成影响，因此，应该避免将风机立于高边坡坡后。而坡前立机时盘面水平风速分布较接近原地形，风切变值和地形湍流强度均符合要求。在微观选址中，应根据常年测风数据确定主风向，对风向集中的地形，建议将机位选定于山脊主风向前侧。

4）高边坡坡度大小会影响流体贴坡流动特征，但对于坡前立机，高边坡坡度对机位处风速影响并不显著，这主要与流动分离位置点后移有关。

5）盘面下叶尖高度风速受边坡高度影响最敏感，随着下挖深度增加，下叶尖距离高边坡坡面愈近，甚至埋于坡面以下，风速降低严重，而轮毂高度和上叶尖高度随下挖深度增加风速降低率逐渐趋于平缓。在边坡高度无法改变的情况，可以适当抬高塔筒以避免高边坡影响。