[發(fā)明專利]一種基于EFDC程序改進(jìn)的水面熱交換數(shù)值模擬方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710255144.5
• 申請日: 2017-04-13
• 公開（公告）號: CN107122533A
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張少雄;張偉星;呂飛;趙恒達(dá);司佳;蔣振中;閆海真
• 申請（專利權(quán)）人: 石家莊鐵道大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種基于EFDC程序改進(jìn)的水面熱交換數(shù)值模擬方法，應(yīng)用于水庫、湖泊和河流的水溫數(shù)值模擬。

背景技術(shù)

水溫是影響水質(zhì)過程的重要因素，如溶解氧、氨、氮濃度以及耗氧系數(shù)、復(fù)氧系數(shù)等都與水溫有關(guān)，水溫進(jìn)而又和水體中各個水質(zhì)參數(shù)的生物化學(xué)反應(yīng)有著密切的關(guān)系。因此研究水體溫度的變化規(guī)律，建立水溫數(shù)值模型，預(yù)測水溫的時空變化是水環(huán)境數(shù)值模擬研究的重要內(nèi)容。

影響水溫的一個重要因素是水體與大氣之間的熱交換。水體時刻與周圍的空間和介質(zhì)進(jìn)行熱交換，這種交換絕大部分發(fā)生在水和空間的交界面上。基于水體和大氣的熱交換原理，建立數(shù)學(xué)模型反映熱量的傳輸，稱之為水面熱交換模型。前人建立了許多水面熱交換模型來模擬水體與大氣的熱量交換過程，取得了豐碩的成果。1961～1962年，Raphael提出了具有水動力學(xué)基礎(chǔ)的水庫動態(tài)熱能平衡的定量計算方法，方法中考慮了對流、輻射、傳導(dǎo)和蒸發(fā)等引起的熱能變化，并成功應(yīng)用于哥倫比亞河上一些充分混合水庫和

水溫分層的深水庫的水溫預(yù)測。20世紀(jì)60年代末，美國水資源工程公司的Orlob等以及麻省理工學(xué)院(MIT)的Harleman等、Huber等，分別提出了WRE模型和MIT模型。這兩個模型的理論基礎(chǔ)都是一維對流擴(kuò)散方程，被稱為擴(kuò)散模型，研究水溫垂向的變化，包括水庫的入流、出流及水體表面與大氣的熱交換。這兩個模型是世界上提出的最早的具有代表性的分層型水庫的水溫模型，對后來的水庫水溫數(shù)學(xué)模型研究產(chǎn)生了巨大的影響，而且目前仍在美國得到廣泛的應(yīng)用。Rosati和Miyakoda提出了EFDC、POM和ECOM模型理論，模型中水面熱交換采用美國航空航天局(NASA)流體動力學(xué)實驗室推薦的水面熱交換公式。水面熱交換模型眾多，其中參數(shù)的確定尤為重要，直接決定著水體溫度計算結(jié)果的精度。

在EFDC程序中使用的水面熱交換模型為美國航空航天局(NASA)流體動力學(xué)實驗室推薦的模型。此模型計算式參數(shù)繁多，并且確定參數(shù)值存在一定難度。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種基于EFDC程序改進(jìn)的水面熱交換數(shù)值模擬方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種基于EFDC程序改進(jìn)的水面熱交換數(shù)值模擬方法，包括：導(dǎo)入邊界數(shù)據(jù)，然后劃分計算網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件，設(shè)置初始條件，然后編寫新代碼，嵌入EFDC程序，進(jìn)行代碼調(diào)試，然后輸入水面熱交換參數(shù)，進(jìn)行模型驗證，若模型驗證不精確，則從新設(shè)置邊界條件以及從新進(jìn)行代碼調(diào)試，若模型驗證精確，則進(jìn)行模型計算，最后進(jìn)行后處理。

進(jìn)一步地，其中嵌入EFDC程序的具體步驟為：在EFDC程序中嵌入水面熱交換模型；

水面熱模型交換主要包括輻射、蒸發(fā)和熱傳導(dǎo)三部分，通過水面而進(jìn)入水體的熱通量為：

式中，為太陽短波輻射；為大氣長波輻射；為水體長波返回輻射；為水面蒸發(fā)熱損失；為熱傳導(dǎo)通量；

其中太陽短波輻射的計算方式為：

水體凈吸收的太陽短波輻射通量為

式中，為太陽短波輻射；γ為水面反射率，取0.03；C為云層覆蓋率；進(jìn)入水體的太陽輻射部分在水面被吸收，其余部分按指數(shù)衰減進(jìn)入水體深處，計算公式為：

式中，β是水體表面吸收率；η為衰減系數(shù)；H為水深；

大氣長波輻射的計算方式為：

大氣長波輻射強(qiáng)度取決于氣溫和云量，計算公式為：

式中，T_a是氣溫；γ_a是長波反射率，取0.03；σ為Stefan-Boltzman常數(shù)，取5.67×10^-8(W/m²·K⁴)；ε_a為大氣發(fā)射率，在晴天為：

ε_ac＝1-0.261·exp(-0.74×10^-4T_a²)(5)

在多云天修正為：

ε_a＝ε_ac·(1+K·C²) (6)

式中，C為云層覆蓋率；參數(shù)K與云層高度有關(guān)，均值為0.17；

水體長波的返回輻射的計算方式為：

式中，ε_w為水體的長波發(fā)射率，取0.97；T_s為水表面溫度；

水面蒸發(fā)熱損失的計算方式為：