OpenFAST前处理之TurbSim——湍流风场生成及可视化

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常见的风力机一体化仿真软件（如Bladed、OpenFAST），均采用离散的风速数据表示风力机运行环境，俗称风场。风场数据一般应包括四维数据：时间、垂向坐标、横向坐标和风速。为了表示风速的时域变化，一般通过湍流风谱表征风速频域特性。所以，也称为湍流风场（Turbulent Wind Field）。

神器-TurbSim

美国可再生能源实验室（NREL）专门开发了一个软件来生成OpenFAST仿真所需的湍流风场，这就是我们今天要讲到的——TurbSim，即Turbulence和Simulation。

与众多NREL出品的软件一样，TurbSim也是采用Fortran语言编写的无 界面软件，其运行方式与OpenFAST相同，在命令行窗口运行，可以查看运行状态。丑是丑了点，但是不影响使用。（咦，怎么好像在说我的文章排版呢~）

下载解压缩后，主要包括以下文件：

CertTest文件夹中包括不同模型的算例文件。每个算例文件的格式均相同，主要包括六大部分。一般情况下，我们仅会用到前三部分，后面的三块就保持缺省状态即可。

TurbSim输入文件

TurbSim比较特别的地方之一是生成风场文件需要定义两个随机数。其中第二个随机数可以定义为整数或者“RanLux”或“RNSNLW”。如果选择“RNSNLW”，则会采用桑迪亚实验室的内置程序生成风速时间序列，如果选择“RanLux”，则会采用Lüscher提出的伪随机数算法用于生成风速随机相位。具体算法可查看TurbSim用户手册。

随机数的大小决定风速时域曲线大致变化规律，所以这两个参数较为重要，一般在风力机载荷分析和结构设计中，需要采用多组随机数生成的风场，以表征实际自然环境的随机性。

WrFHHTP：设为True则会输出轮毂位置处包括时变风速等湍流参数的**.dat文件。 

WrADHH：设为True则会输出uniform格式的风场文件（**.hh）。uniform格式的文件为ASCII文件，可通过记事本等程序打开编辑，其垂向和横向风速变化规律均通过简易的剪切参数表示。文件大小简介，一定程度体现风场的湍动特征。最大的好处是这一格式文件可以用于编辑Gust风况，修改不同时间对应的风速大小和方向即可。

WrADFF：设为True则输出全域风场二进制文件（**.bts）。如果使用OpenFAST仿真，推荐使用bts格式文件。不能通过常见的文本编辑软件打开，只能通过程序以规定的格式读取。（不用担心，后面有程序代码）

WrBLFF：设为True则输出全域风场二进制文件（**.wnd）和对应的概要文件（**.sum）。这一功能主要是为了匹配Bladed。wnd文件与bts文件内部数据结构完全相同。

NumGrid_Z、NumGrid_Y：垂向和横向网格数量。TurbSim内置算法是设定一个足够大的平面，该平面以轮毂为中心，覆盖风轮可能运动的范围。将这一平面离散为有限个节点。通过计算每一个节点的风速时间序列，从而生成对应的湍流风场。未被节点直接命中的叶片截面，则在载荷计算时，通过OpenFAST内置的插值程序，基于其周围节点的风速数据进行相应的插值。

TimeStep：采样时间步长，建议取值范围0.05 s~0.1 s。这样既能保证一定的时间连续性，也不至于文件太大。

AnalysisTime、UsableTime：分析时间和可用时间。前者表示风速平均值、频谱特性等满足设置要求的时长，后者则是输出的数据时长。所以，如果我们打算仿真1000s，则设置UsableTime为1000，AnalysisTime略大于1000即可，比如1024。

HubHt：轮毂高度，根据实际模型设置即可。

GridHeight、GridWidth：网格高度和宽度。由于网格平面以轮毂为中心，所以网格高度需要大于风轮直径，并小于2* HubHt（不然就有一部分网格点变成土行孙了，显然不符合实际情况）。但又不能小太多，否则塔架上的又没有风速节点了。所以，我一般设为2倍轮毂高度小一丢丢。至于丢多少，就要看网格数量以及OpenFAST中塔架元素的高度了，最底下的塔架元素中心需要在网格节点上方。对于5MW风力机，我一般设为175m。

VFlowAng、HFlowAng：垂直倾角和水平倾角。这两个变量定义风的入流方向。一般情况下都是设为0.

TurbModel：湍流模型。设置为给定的模型名称即可，最好放在双引号内。一般可以选择IEC的标准模型Kaimal或Von Karman模型。NREL自己则根据在山地地形测量的低空数据，总结了GP_LLJ和NWTCUP模型。这些模型大同小异，具体的频谱功率公式可以看用户手册：

https://github.com/old-NWTC/TurbSim/blob/jrinker_mods/TurbSim.pdf。

IECturbc：湍流强度；设定值或者等级，A类高，C类低，图7里面可以根据IEC标准的类别查找对应的湍流强度。或者直接给定确切的数值，比如：15.

IEC_WindType：湍流类型；一般可以设为正常湍流模型NTM或者xx年一遇的极端情况，比如xEWM50就表示50年一遇的x类风力机极端工况。
WindProfileType：风剪切类型；一般采用指数型，“PL”。

RefHt、Uref：参考高度和参考风速。一般我们设置参考高度为轮毂高度。
PLExp：风剪切指数；根据实际情况定义，或者选择缺省“default”，则计算根据用户手册表8中的模型-指数对应关系进行选取。

风场可视化

第一步：运行TurbSim，生成bts文件。

第二步：下载NREL自带的bts文件读取程序readfile_BTS.m。程序连接：

https://github.com/OpenFAST/matlab-toolbox/blob/main/Utilities/readfile_BTS.m

第三步：采用surf和slice函数画出风场三维图。可以下载鄙人写的画图程序作为参考：plotWind.m。
https://github.com/yang7857854/F2A/blob/main/WindPlot/plotWind.m

第四步：定义plotWind.m中的风场文件路径和文件名，然后运行。就会自动生成下面种类型的图。懒得调整参数了，按需修改图片格式吧。

这些都是静态的，我之前还搞过一个动态的，不过是通过PS生成的gif动图，我觉得很秀气。具体的方法就是根据得到的风速数据，生成几百张同等大小不同时刻的风轮平面风速分布图，然后导入到PS中生成对应的gif动图。结合AI绘制的风力机模型示意图，就形成了下面的这种效果。