從歷史回顧來看，CFD軟件的發(fā)展可以分為3個階段：

  第一階段，以WAsP為代表的線性簡化求解器。1989年丹麥科技大學(xué)DTU發(fā)布了WAsP 1.0，采用巧妙的工程算法在PC機(jī)上快速獲得風(fēng)資源評估結(jié)果，很快成為風(fēng)電場設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軟件之一。

第二階段，臺式工作站上的CFD軟件。眾所周知，線性模型原理上不能反應(yīng)較大坡度地形的風(fēng)況規(guī)律，為了提升復(fù)雜山地風(fēng)場風(fēng)資源評估精度，以及滿足風(fēng)機(jī)安全復(fù)核的需求，求解雷諾平均Navier-stokes方程的CFD技術(shù)就此應(yīng)用到風(fēng)電行業(yè)。2003年挪威WindSim AS公司正式發(fā)布WindSim；2004年法國MeteoDyn公司正式發(fā)布WT1.0，這些軟件成功地將CFD技術(shù)引入風(fēng)電行業(yè)。這類軟件在臺式工作站（32核~48核）上仿真一個常規(guī)5萬千瓦風(fēng)電場12個扇區(qū)需要1天左右的時間。

第三階段，基于高性能計(jì)算的新一代CFD仿真軟件。隨著高性能計(jì)算、云平臺和CFD技術(shù)的蓬勃發(fā)展，新一代風(fēng)電場風(fēng)流CFD仿真軟件隨之應(yīng)運(yùn)而成。2012年基于遠(yuǎn)端超級計(jì)算中心的WAsP CFD發(fā)布，2015年8月遠(yuǎn)景格林云GreenwichCFD內(nèi)部版本也已投入使用。

那么，與單機(jī)版的CFD軟件相比，新一代的風(fēng)電場CFD仿真軟件又具備哪些特點(diǎn)呢？

第一，支持高性能并行計(jì)算。CFD仿真應(yīng)用中最重要的就是網(wǎng)格生成。網(wǎng)格粗，離散誤差大；網(wǎng)格細(xì)，需要計(jì)算資源龐大，耗費(fèi)計(jì)算時間多。一般認(rèn)為10m左右的水平網(wǎng)格能夠精細(xì)地反映地形特征對風(fēng)機(jī)的影響，垂直網(wǎng)格分辨在緊貼地面的100m內(nèi)應(yīng)該布置10~20層網(wǎng)格。精細(xì)模擬一個常規(guī)風(fēng)電場（12km*12km左右）的網(wǎng)格量在1000萬~4000萬之間，大型風(fēng)電場（30km*30km）的網(wǎng)格量在8000萬以上。此外，對于復(fù)雜地形風(fēng)電場，稍許變化的來流方向會導(dǎo)致風(fēng)電場風(fēng)加速因子關(guān)系發(fā)生顯著變化。因此，丹麥Risø國家實(shí)驗(yàn)室的專家建議復(fù)雜地形至少采用36個扇區(qū)的模擬，而精細(xì)程度的CFD仿真在最好的單機(jī)工作站上也至少需要一周的時間。

由上圖可見，每5°來流風(fēng)向變化都會導(dǎo)致風(fēng)場發(fā)生很大的變化，30°扇區(qū)間隔不足以準(zhǔn)確反應(yīng)復(fù)雜地形的風(fēng)加速度因子關(guān)系。需要了解的一點(diǎn)是，非并行CFD求解器受到計(jì)算資源和項(xiàng)目允許時間的限制，只能采用粗的網(wǎng)格和稀疏的定向扇區(qū)設(shè)置，這是導(dǎo)致計(jì)算資源偏差的重要原因之一。

由于計(jì)算資源更充足更靈活，基于高性能并行計(jì)算的CFD仿真軟件可以處理上億的網(wǎng)格量，利用上千的CPU并行計(jì)算，將每個項(xiàng)目CFD仿真的時間從數(shù)天降至小時級別，這對工程師來說意味著有更多時間進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

到此，一句話總結(jié)：新一代風(fēng)電場CFD仿真軟件擁抱高性能計(jì)算是不可阻擋的潮流。

  第二，多級別CFD支撐風(fēng)電場全生命周期管理。如今，風(fēng)電場CFD仿真應(yīng)用場景不再局限在風(fēng)資源評估。風(fēng)電場風(fēng)流CFD仿真軟件將深度耦合在風(fēng)機(jī)安全診斷分析、風(fēng)機(jī)維護(hù)、風(fēng)電功率預(yù)報(bào)、風(fēng)場協(xié)同控制和風(fēng)電場運(yùn)行后評估等風(fēng)電場項(xiàng)目全生命周期管理中。例如，風(fēng)功率預(yù)報(bào)需要CFD精確計(jì)算至每一臺風(fēng)機(jī)；葉片損傷診斷需要風(fēng)流CFD模型提供風(fēng)機(jī)葉輪面的多點(diǎn)風(fēng)速高頻的時間序列；海上風(fēng)電場機(jī)位排布的關(guān)鍵就是精確地刻畫風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)帶來的尾流效應(yīng)；風(fēng)場協(xié)同控制需要動態(tài)仿真多臺風(fēng)機(jī)不同動作的風(fēng)流特征。這些需求將促使風(fēng)流CFD仿真的物理模型更為先進(jìn)、完善，將促使更多研究前沿的CFD技術(shù)被引入風(fēng)電工程領(lǐng)域。下圖描述了風(fēng)電場全生命周期管理與不同級別的CFD物理模型。

值得注意的是，針對不同階段的業(yè)務(wù)需求和具體項(xiàng)目的復(fù)雜度，風(fēng)電場風(fēng)流CFD仿真軟件會采用不同級別的物理模型。一般項(xiàng)目的風(fēng)資源評估采用穩(wěn)態(tài)、中性大氣邊界層、雷諾平均Navier-stokes方程的物理模型；復(fù)雜項(xiàng)目的風(fēng)資源評估和風(fēng)機(jī)安全復(fù)核可以采用非穩(wěn)態(tài)、熱力大氣邊界層、森林、制動盤尾流模型、雷諾平均Navier-stokes方程的物理模型；風(fēng)電功率預(yù)報(bào)和分布式風(fēng)電場可以采用氣象模式耦合雷諾平均Navier-stokes方程的物理模型；風(fēng)電場協(xié)同控制可以采用制動線尾流模型、熱力大氣邊界層、大渦模擬或分離大渦模擬的物理模型。需要強(qiáng)調(diào)的是，基于平臺化管理，將各個階段數(shù)據(jù)打通，綜合利用各個級別的CFD仿真結(jié)果，才能高效管理好風(fēng)電場全生命周期各個環(huán)節(jié)。

第三，精確估算每一個機(jī)位點(diǎn)風(fēng)況。由于國內(nèi)新建風(fēng)電場大多分布在較為復(fù)雜的山地，項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)和盈利的難度越來越大。所以，每一臺風(fēng)機(jī)風(fēng)況的精確估算就至關(guān)重要。那么，這就需要CFD仿真環(huán)節(jié)在以下幾點(diǎn)上發(fā)力：

新一代風(fēng)流CFD仿真傾向采用更真實(shí)的物理模型。例如，能考慮樹木增長的森林模型，以便精細(xì)模擬風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)的制動盤和制動線模型、高保真刻畫大氣湍流特征的大渦模擬；通過氣象模式提供CFD更真實(shí)的邊界條件等；通過系統(tǒng)自動化手段保證CFD網(wǎng)格足夠精細(xì)、參數(shù)設(shè)置合適和迭代收斂充分，避免人為經(jīng)驗(yàn)不足造成大的模擬偏差；通過大量后評估案例，挖掘分析CFD仿真對各個項(xiàng)目的不同表現(xiàn)，總結(jié)出不同類型項(xiàng)目的CFD優(yōu)化配置方式；理性對待CFD仿真的精度，通過多塔互推、單塔風(fēng)速廓線比對、湍流強(qiáng)度的比對來定量化CFD仿真的不確定度；標(biāo)準(zhǔn)流程管控CFD的輸入資料，量化輸入資料引起的計(jì)算結(jié)果不確定性。