Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-12-4:2023 IEC TR 61400-12-4:2020 về các mô hình luồng không khí tuyến tính ra sao?

Nội dung chính

• Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-12-4:2023 IEC TR 61400-12-4:2020 về các mô hình luồng không khí tuyến tính ra sao?
• Quy định mô hình Navier-Stokes lấy trung bình Reynolds (RANS) như thế nào?
• Yêu cầu chung cho các ứng dụng mô hình số luồng không khí ra sao?

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-12-4:2023 IEC TR 61400-12-4:2020 về các mô hình luồng không khí tuyến tính ra sao?

Tại tiểu mục 4.1 Mục 4 Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-12-4:2023 IEC TR 61400-12-4:2020 về các mô hình luồng không khí tuyến tính như sau:

Kể từ cuối những năm 1980, khi các nguồn lực để tính toán còn hạn chế, các mô hình luồng không khí tuyến tính đã trở thành tiêu chuẩn để đánh giá tài nguyên gió. Các mô hình này dựa trên sự tuyến tính hóa của các phương trình Navier-Stokes, được giới thiệu trong tài liệu tham khảo [2].

Chúng được thiết kế để sử dụng một cách đáng tin cậy trong điều kiện khí quyển trung tính trên địa hình có độ dốc vừa phải để đảm bảo các điều kiện luồng không khí được kết hợp hoàn toàn.

Trong đó, Uj (j = 1, 2) là các thành phần vận tốc nằm ngang của luồng không khí không hỗn loạn, ũi (i = 1, ..,3) là các thành phần hỗn loạn vận tốc và là hỗn loạn áp suất. Kh và Kv là độ nhớt động học hiệu quả theo phương ngang và phương thẳng đứng.

Các mô hình tuyến tính hoạt động khá tốt khi gió không bị ảnh hưởng đáng kể bởi độ dốc lớn, sự phân tách luồng không khí, luồng không khí bị thay đổi do nhiệt, tia nước mức thấp và các hiện tượng ABL động và phi tuyến tính khác.

Chương trình phân tích và ứng dụng bản đồ gió (WAsP) [3] được sử dụng rộng rãi nhất trong số các mô hình tuyến tính. Các quy trình WAsP có thể được coi là mô hình hàm truyền liên kết tốc độ gió tại vị trí tham chiếu với tốc độ tại các vị trí dự đoán.

Các nguồn sai số đáng kể có thể liên quan đến độ phức tạp của địa hình, sự phân tách luồng không khí lớn, thay đổi hướng gió và các điều kiện khí quyển khác nhau. Các điều kiện khí quyển khác nhau bao gồm hiệu ứng phân tách, hiệu ứng chặn và luồng không khí bị thay đổi do nhiệt (ví dụ: gió biển ban ngày, gió dốc).

Do tính chất nhanh và mạnh, các mô hình tuyến tính vẫn được sử dụng trong ngành công nghiệp gió.

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-12-4:2023 IEC TR 61400-12-4:2020 về các mô hình luồng không khí tuyến tính ra sao? (Hình ảnh Internet)

Quy định mô hình Navier-Stokes lấy trung bình Reynolds (RANS) như thế nào?

Tại tiểu mục 4.2 Mục 4 Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-12-4:2023 IEC TR 61400-12-4:2020 về quy định mô hình Navier-Stokes lấy trung bình Reynolds (RANS) như sau:

Do hạn chế của các mô hình tuyến tính, như đã đề cập trong 4.1, các mô hình tính toán động lực học chất lỏng (CFD) được sử dụng rộng rãi hơn trong ngành công nghiệp gió. ứng dụng CFD cho lớp ranh giới khí quyển (ABL) đã bị ảnh hưởng bởi cả CFD cho kỹ thuật cơ khí và mô hình khí tượng quy mô trung bình.

CFD xem xét các phương trình bảo toàn động lượng và khối lượng với bốn biến chưa biết: áp suất và ba thành phần vận tốc. Các biến khác mô tả trạng thái khí quyển, ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ sol khí, thường không được xem xét.

CFD điển hình cho các ứng dụng mô phỏng luồng không khí tuân theo cách tiếp cận hướng gió duy nhất đại diện cho một khu vực từ gió tăng rời rạc. Mô phỏng luồng không khí cho từng khu vực, xem xét ảnh hưởng của địa hình và độ gồ ghề, dẫn đến các yếu tố tăng tốc.

Trong cách tiếp cận Navier Stokes lấy trung bình Reynolds (RANS) [4], do tính chất của luồng xoáy, các biến được mô tả bằng các hàm thống kê được chia thành các thành phần trung bình và biến động (luồng xoáy) (ví dụ: Ui = Ūi + ui tạo ra phương trình RANS:

Trong các phương trình RANS, các tương quan luồng xoáy (còn gọi là thông lượng hoặc ứng suất luồng xoáy) phải được tham số hóa để khép kín hệ phương trình. Giả thuyết Boussinesq được sử dụng để xác định mối quan hệ giữa các luồng xoáy và độ dốc của các giá trị trung bình bằng cách đưa ra độ nhớt xoáy (khép kín bậc một):

Hai đại lượng cơ bản được giới thiệu để mô tả luồng xoáy: độ nhớt động học luồng xoáy νΤ và động năng luồng xoáy, k. Độ nhớt của luồng xoáy động học phụ thuộc vào động năng của luồng xoáy, k, và kích thước của các xoáy luồng xoáy, LT , là νT = k1/2LT.

Có nhiều kiểu khép kín khác nhau, ví dụ: mô hình một và hai phương trình. Trong mô hình một phương trình, động năng luồng xoáy, k, phương trình được giải:

trong đó Pk là sản lượng của k do độ dốc vận tốc gió trung bình. Thang độ dài luồng xoáy, LT, được suy ra từ một mô hình phân tích, chẳng hạn như hàm của độ cao so với mặt đất và đôi khi là độ ổn định nhiệt [5].

Trong các mô hình hai phương trình (k - ε , RNG k - ε , k - ω , ...), việc khép kín được thực hiện thông qua hai phương trình vận chuyển, một cho k và một cho sự tiêu tán luồng xoáy, ε:

Độ nhớt luồng xoáy động học νΤ, được cho bởi phương trình khép kín

Nếu không có giả thuyết xác lập được sử dụng trong mô hình RANS, các phương trình chuyển động có thể được mô tả bằng RANS không ổn định (URANS).

So với mô hình tuyến tính, mô hình trạng thái ổn định RANS có thể dự đoán sự phân tách và kết hợp lại luồng không khí trong vùng phân tách trong hầu hết các trường hợp, nhưng độ chính xác của kết quả trong vùng này là đáng nghi ngờ. Hạn chế này là vốn có trong bản chất thống kê của mô hình.

Mô hình RANS chủ yếu được áp dụng với giả định phân tầng trung tính, trong nhiều trường hợp hạn chế khả năng ứng dụng của nó. có những giải pháp được đề xuất để đối phó với giả định giới hạn phân tầng trung tính, ví dụ, thông qua sửa đổi khép kín luồng xoáy dựa trên lý thuyết tương tự Monin- Obukhov [6] hoặc bằng cách giải phương trình năng lượng và thêm số hạng nổi vào phương trình RANS [7]; tuy nhiên, cần kiểm tra xác nhận bổ sung.

Các mô hình RANS yêu cầu tài nguyên tính toán nhiều hơn đáng kể so với các mô hình tuyến tính. Hiện tại, chúng được sử dụng để đánh giá tài nguyên và tính phù hợp của vị trí ở các vị trí phức tạp, ví dụ như địa hình không bằng phẳng, thay đổi độ gồ ghề đột ngột hoặc khu vực có rừng.

Yêu cầu chung cho các ứng dụng mô hình số luồng không khí ra sao?

Tại tiểu mục 5.1 Mục 5 Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-12-4:2023 IEC TR 61400-12-4:2020 về yêu cầu chung cho các ứng dụng mô hình số luồng không khí như sau:

Các cộng đồng khoa học, tổ chức chứng nhận và hiệp hội kỹ thuật quốc gia đã cùng nhau đưa ra các hướng dẫn về kiểm tra xác nhận và phê duyệt, đảm bảo chất lượng và đánh giá các mô hình số luồng không khí. Tổng quan về các hướng dẫn liên quan nhất với NSC được nêu tại Mục 5 Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-12-4:2023 IEC TR 61400-12-4:2020.