CN107122533A - 一种基于efdc程序改进的水面热交换数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于EFDC程序改进的水面热交换数值模拟方法，包括：导入边界数据，然后划分计算网格，设置边界条件，设置初始条件，然后编写新代码，嵌入EFDC程序，进行代码调试，然后输入水面热交换参数，进行模型验证，若模型验证不精确，则从新设置边界条件以及从新进行代码调试，若模型验证精确，则进行模型计算，最后进行后处理；与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明将易于应用的水面热交换模型嵌入到EFDC程序中，大大减化了EFDC计算水温的参数和步骤，并且所输入参数为实测数据，易于搜集。并且具有较高的精度。本发明所使用的水面热交换模型参数少，定义的程序数组少，计算速度较快。

Description

一种基于EFDC程序改进的水面热交换数值模拟方法

技术领域

本发明是一种基于EFDC程序改进的水面热交换数值模拟方法，应用于水库、湖泊和河流的水温数值模拟。

背景技术

水温是影响水质过程的重要因素，如溶解氧、氨、氮浓度以及耗氧系数、复氧系数等都与水温有关，水温进而又和水体中各个水质参数的生物化学反应有着密切的关系。因此研究水体温度的变化规律，建立水温数值模型，预测水温的时空变化是水环境数值模拟研究的重要内容。

影响水温的一个重要因素是水体与大气之间的热交换。水体时刻与周围的空间和介质进行热交换，这种交换绝大部分发生在水和空间的交界面上。基于水体和大气的热交换原理，建立数学模型反映热量的传输，称之为水面热交换模型。前人建立了许多水面热交换模型来模拟水体与大气的热量交换过程，取得了丰硕的成果。1961～1962年，Raphael提出了具有水动力学基础的水库动态热能平衡的定量计算方法，方法中考虑了对流、辐射、传导和蒸发等引起的热能变化，并成功应用于哥伦比亚河上一些充分混合水库和

水温分层的深水库的水温预测。20世纪60年代末，美国水资源工程公司的Orlob等以及麻省理工学院(MIT)的Harleman等、Huber等，分别提出了WRE模型和MIT模型。这两个模型的理论基础都是一维对流扩散方程，被称为扩散模型，研究水温垂向的变化，包括水库的入流、出流及水体表面与大气的热交换。这两个模型是世界上提出的最早的具有代表性的分层型水库的水温模型，对后来的水库水温数学模型研究产生了巨大的影响，而且目前仍在美国得到广泛的应用。Rosati和Miyakoda提出了EFDC、POM和ECOM模型理论，模型中水面热交换采用美国航空航天局(NASA)流体动力学实验室推荐的水面热交换公式。水面热交换模型众多，其中参数的确定尤为重要，直接决定着水体温度计算结果的精度。

在EFDC程序中使用的水面热交换模型为美国航空航天局(NASA)流体动力学实验室推荐的模型。此模型计算式参数繁多，并且确定参数值存在一定难度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于EFDC程序改进的水面热交换数值模拟方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于EFDC程序改进的水面热交换数值模拟方法，包括：导入边界数据，然后划分计算网格，设置边界条件，设置初始条件，然后编写新代码，嵌入EFDC程序，进行代码调试，然后输入水面热交换参数，进行模型验证，若模型验证不精确，则从新设置边界条件以及从新进行代码调试，若模型验证精确，则进行模型计算，最后进行后处理。

进一步地，其中嵌入EFDC程序的具体步骤为：在EFDC程序中嵌入水面热交换模型；

水面热模型交换主要包括辐射、蒸发和热传导三部分，通过水面而进入水体的热通量为：

式中，为太阳短波辐射；为大气长波辐射；为水体长波返回辐射；为水面蒸发热损失；为热传导通量；

其中太阳短波辐射的计算方式为：

水体净吸收的太阳短波辐射通量为

式中，为太阳短波辐射；γ为水面反射率，取0.03；C为云层覆盖率；进入水体的太阳辐射部分在水面被吸收，其余部分按指数衰减进入水体深处，计算公式为：

式中，β是水体表面吸收率；η为衰减系数；H为水深；

大气长波辐射的计算方式为：

大气长波辐射强度取决于气温和云量，计算公式为：

式中，T_a是气温；γ_a是长波反射率，取0.03；σ为Stefan-Boltzman常数，取5.67×10^-8(W/m²·K⁴)；ε_a为大气发射率，在晴天为：

ε_ac＝1-0.261·exp(-0.74×10^-4T_a ²) (5)

在多云天修正为：

ε_a＝ε_ac·(1+K·C²) (6)

式中，C为云层覆盖率；参数K与云层高度有关，均值为0.17；

水体长波的返回辐射的计算方式为：

式中，ε_w为水体的长波发射率，取0.97；T_s为水表面温度；

水面蒸发热损失的计算方式为：

水面蒸发热通量大多根据空气与水面的蒸发压力计算：

式中，f(W)是风函数，反映了自由对流和强迫对流对蒸发的影响，计算式为：

f(W)＝9.2+0.46W² (9)

式中，W为风速；e_s为对应于水面温度的饱和水汽压；e_a为蒸汽压；

热传导通量的计算方式为：

当水温与气温有温差时，水气界面上会通过传导进行热交换，热传导通量正比于温差：

本发明的有益效果：本发明的一种基于EFDC程序改进的水面热交换数值模拟方法，本发明将易于应用的水面热交换模型嵌入到EFDC程序中，大大减化了EFDC计算水温的参数和步骤，并且所输入参数为实测数据，易于搜集。并且具有较高的精度。本发明所使用的水面热交换模型参数少，定义的程序数组少，计算速度较快。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种基于EFDC程序改进的水面热交换数值模拟方法的步骤流程图；

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于EFDC程序改进的水面热交换数值模拟方法，包括：导入边界数据，然后划分计算网格，设置边界条件，设置初始条件，然后编写新代码，嵌入EFDC程序，进行代码调试，然后输入水面热交换参数，进行模型验证，若模型验证不精确，则从新设置边界条件以及从新进行代码调试，若模型验证精确，则进行模型计算，最后进行后处理。

其中嵌入EFDC程序的具体步骤为：在EFDC程序中嵌入水面热交换模型；

水面热模型交换主要包括辐射、蒸发和热传导三部分，通过水面而进入水体的热通量为：

式中，为太阳短波辐射；为大气长波辐射；为水体长波返回辐射；为水面蒸发热损失；为热传导通量；

其中太阳短波辐射的计算方式为：

水体净吸收的太阳短波辐射通量为

式中，为太阳短波辐射；γ为水面反射率，取0.03；C为云层覆盖率；进入水体的太阳辐射部分在水面被吸收，其余部分按指数衰减进入水体深处，计算公式为：

式中，β是水体表面吸收率；η为衰减系数；H为水深；

大气长波辐射的计算方式为：

大气长波辐射强度取决于气温和云量，计算公式为：

式中，T_a是气温；γ_a是长波反射率，取0.03；σ为Stefan-Boltzman常数，取5.67×10^-8(W/m²·K⁴)；ε_a为大气发射率，在晴天为：

ε_ac＝1-0.261·exp(-0.74×10^-4T_a ²) (5)

在多云天修正为：

ε_a＝ε_ac·(1+K·C²) (6)

式中，C为云层覆盖率；参数K与云层高度有关，均值为0.17；

水体长波的返回辐射的计算方式为：

式中，ε_w为水体的长波发射率，取0.97；T_s为水表面温度；

水面蒸发热损失的计算方式为：

水面蒸发热通量大多根据空气与水面的蒸发压力计算：

式中，f(W)是风函数，反映了自由对流和强迫对流对蒸发的影响，计算式为：

f(W)＝9.2+0.46W² (9)

式中，W为风速；e_s为对应于水面温度的饱和水汽压；e_a为蒸汽压；

热传导通量的计算方式为：

当水温与气温有温差时，水气界面上会通过传导进行热交换，热传导通量正比于温差：

作为本发明的一个实施例：本发明将易于应用的水面热交换模型嵌入到EFDC程序中，大大减化了EFDC计算水温的参数和步骤，并且所输入参数为实测数据，易于搜集。并且具有较高的精度。本发明所使用的水面热交换模型参数少，定义的程序数组少，计算速度较快。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种基于EFDC程序改进的水面热交换数值模拟方法，其特征在于：包括：导入边界数据，然后划分计算网格，设置边界条件，设置初始条件，然后编写新代码，嵌入EFDC程序，进行代码调试，然后输入水面热交换参数，进行模型验证，若模型验证不精确，则从新设置边界条件以及从新进行代码调试，若模型验证精确，则进行模型计算，最后进行后处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于EFDC程序改进的水面热交换数值模拟方法，其特征在于：其中嵌入EFDC程序的具体步骤为：在EFDC程序中嵌入水面热交换模型；

水面热模型交换主要包括辐射、蒸发和热传导三部分，通过水面而进入水体的热通量为：

式中，为太阳短波辐射；为大气长波辐射；为水体长波返回辐射；为水面蒸发热损失；为热传导通量；

其中太阳短波辐射的计算方式为：

水体净吸收的太阳短波辐射通量为

式中，为太阳短波辐射；γ为水面反射率，取0.03；C为云层覆盖率；进入水体的太阳辐射部分在水面被吸收，其余部分按指数衰减进入水体深处，计算公式为：

式中，β是水体表面吸收率；η为衰减系数；H为水深；

大气长波辐射的计算方式为：

大气长波辐射强度取决于气温和云量，计算公式为：

式中，T_a是气温；γ_a是长波反射率，取0.03；σ为Stefan-Boltzman常数，取5.67×10^-8(W/m²·K⁴)；ε_a为大气发射率，在晴天为：

ε_ac＝1-0.261·exp(-0.74×10^-4T_a ²) (5)

在多云天修正为：

ε_a＝ε_ac·(1+K·C²) (6)

式中，C为云层覆盖率；参数K与云层高度有关，均值为0.17；

水体长波的返回辐射的计算方式为：

式中，ε_w为水体的长波发射率，取0.97；T_s为水表面温度；

水面蒸发热损失的计算方式为：

水面蒸发热通量大多根据空气与水面的蒸发压力计算：

式中，f(W)是风函数，反映了自由对流和强迫对流对蒸发的影响，计算式为：

f(W)＝9.2+0.46W² (9)

式中，W为风速；e_s为对应于水面温度的饱和水汽压；e_a为蒸汽压；

热传导通量的计算方式为：

当水温与气温有温差时，水气界面上会通过传导进行热交换，热传导通量正比于温差：