基于CFD不平坦地形對風(fēng)的影響

蔣立輝　李海良

【摘 要】針對不同的地形對風(fēng)有不同的影響作用，結(jié)合fluent建立接近真實地形的模型，建模之后，劃分網(wǎng)格，確定邊界條件。結(jié)合氣象資料確定邊界條件（風(fēng)速風(fēng)向）然后輸入邊界條件，運行FLUENT軟件，模擬不平坦地形對風(fēng)的影響。結(jié)果表明：1該模型能夠清晰的模擬出復(fù)雜地形對風(fēng)的影響包括壓力和速度。2對該復(fù)雜地形細分可以模擬山區(qū)和平原對風(fēng)的不同影響。3通過改變輸入邊界條件風(fēng)速風(fēng)向的大小，形象具體的模擬出隨時間變化復(fù)雜地形對風(fēng)的研究。

【關(guān)鍵詞】fluent建模；網(wǎng)格；邊界條件；復(fù)雜地形

1 不規(guī)則地形對風(fēng)的影響

不規(guī)則的地形會改變風(fēng)的流態(tài)。平坦地形對風(fēng)特性即風(fēng)速風(fēng)向和紊流的影響；不平坦地形對風(fēng)特性的影響是變化的。在山區(qū)，地形復(fù)雜，地勢起伏不平，粗糙度大，大氣流動能大量消耗于克服摩擦力。相反，在平原區(qū)，地形單一，地勢平擔(dān)，粗糙度較小，摩擦力比山區(qū)小。這樣就形成了山區(qū)和平原區(qū)對風(fēng)的不同影響[1]。

2 CFD的研究現(xiàn)狀

相對于中尺度模式模型尺度比較粗糙；近年來，隨著計算機能力的增強，越來越多氣象領(lǐng)域的研究都開始采用以往用于空氣動力學(xué)精細流場計算的計算流體力學(xué)CFD 模式。CFD模式具有成熟的網(wǎng)格生成模塊，能夠自適應(yīng)地生成各種復(fù)雜地形上的貼體網(wǎng)格，以及強大的后處理模塊用于顯示局部的復(fù)雜流動等優(yōu)勢。在模擬復(fù)雜地形條件下的邊界層流場的尺度方面更為細致。目前CFD 技術(shù)廣泛應(yīng)用于風(fēng)工程分析、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、城市風(fēng)場預(yù)測及空氣污染物擴散等方面。Kazuya等通過CFD 數(shù)值模擬的方法對城市不同功能區(qū)域的熱環(huán)境進行了模擬，并與實測結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明模擬效果與城市實際的熱環(huán)境分布比較符合。Rajagopalan P建立了一個微氣候 CFD 模型，發(fā)現(xiàn)在建筑布局中有高塔的存在可以有效的增強街谷風(fēng)速，降低溫度[2]。雖然CFD模式在小尺度甚至微尺度環(huán)境的風(fēng)場模擬有較高的精度，但是普遍存在一個問題是CFD模式的邊界輸入場設(shè)定靈活性欠佳，大部分研究采用理想化試驗條件，再復(fù)雜一點可以使用UDF（User Defined Function）功能將輸入條件定義為特定函數(shù)表達形式，但是對于實際風(fēng)場環(huán)境的模擬，缺乏真實性。

3 實驗方案設(shè)計

建立模型具體步驟1生成高程數(shù)據(jù)DEM2地形三維坐標(biāo)的預(yù)處理3Gambit建模：Gambit建模一般順序可以為點、線、面、體，然后劃分網(wǎng)格，確定邊界條件。也可以通過直接建立體，然后劃分網(wǎng)格，再其次確定邊界條件。Gambit建立體的時候相對比較繁瑣，可以通過與其他軟件結(jié)合，利用gambit劃分網(wǎng)格的優(yōu)點進行操作，可以結(jié)合CAD和3Dmax先建立體，再倒入gambit劃分網(wǎng)格。另外gambit對于簡單模型可以直接繪制，但對于地形復(fù)雜模型，常規(guī)方法工作量大，GAMBIT提供了后臺運行的建模功能，通過編寫journal文本，可以實現(xiàn)模型的自動生成[3]。本文通過MARLAB程序?qū)崿F(xiàn)journal文件的自動生成。

蘭州是一個典型的帶狀城市，由于“兩山夾一河”興隆山、馬銜山、莊浪河的特殊地形地貌，使得城市發(fā)展空間受到很大局限，空間不足成為制約加快發(fā)展的一大瓶頸難題。該地區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性氣候，四季分明，陽光充足，冬季寒冷干燥，春季多風(fēng)少雨，夏無酷暑，秋季溫涼。由氣象資料的該地年平均氣溫6.9℃，月平均氣溫-7.3℃，七月平均氣溫20.5℃；夏秋多東南風(fēng)，冬春多西北風(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)，年平均風(fēng)速2.3m/s。

建立模型選取中川機場附近的地形（6KM*6km）。

前面已經(jīng)詳細敘述了模型的建立步驟，在此不再進行詳細描述。運行JOURNAL文件以后生成的地形網(wǎng)格。

生成地形網(wǎng)格最高點與最低點實際相差100米左右，為模擬小起伏地形的風(fēng)作了鋪墊。然后在地形的基礎(chǔ)上建立了一個高度1000的三維模型，劃分網(wǎng)格間距為100的體網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格可以采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格同時可以采用三角形四邊形六邊形的劃分等，本文采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對模型進行劃分。設(shè)置邊界條件如下做左側(cè)為進口，右側(cè)為出口，其他面為固體邊界條件。進口設(shè)置為五米每秒的風(fēng)速入口。為了此次模擬更加穩(wěn)定真實，設(shè)置殘差監(jiān)視器，初始迭代次數(shù)為50次，修改殘差監(jiān)視器參數(shù)，隨著迭代次數(shù)的增加，XYZ方向的速度分量趨于平緩，但仍然有些許不足，修改殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)，將迭代次數(shù)改為100，在此進行迭代運算，最終使XYZ速度分量趨于平緩。由于本文圖表較多省略殘差監(jiān)視器趨于穩(wěn)定的圖像。

輸出地形表面的壓力分布云圖如圖1所示，清晰可見隨著地形的升高，壓力隨之增大，另一方面也說明了選取地形的復(fù)雜性，左下角為山，左上至中部地區(qū)為平原，中部地區(qū)至右上地區(qū)為起伏的山地。

為了更加直觀的了解地形對風(fēng)的影響，分別提取Z=1980、Z=1990、Z=2000、Z=2050、Z=2128、Z=2150、Z=2200平面的速度矢量圖、速度分布云圖和壓力分布云圖。

左上方是對應(yīng)z=1980的速度矢量圖，右上方是z=1980和z=1990耦合的速度矢量圖，左下方為z=1980，、z=1990、z=2000耦合的速度矢量圖，右下方為z=1980、z=1990、z=2000、z=2050耦合的速度矢量圖。選取多個平面耦合的方式，更加形象具體的再現(xiàn)風(fēng)隨著高度的增加，是如何變化的。隨著高度的增加，速度矢量圖的顏色由淺及深，從左下角向右上方移動，速度變得越來越大。

與此相對應(yīng)的是速度分布云圖，由于顏色較淺，上表面的速度分布云圖遮擋住了下表面的速度分布云圖，但是從整體上依然能看出隨著地形的升高，部分區(qū)域顏色由淺藍色變成黃色，這證明了隨著地形的升高，速度逐漸增大的趨勢。

該圖片上方為z=2150 的速度矢量圖，下方為z=2200的速度矢量圖。由于所選擇區(qū)域的復(fù)雜性（部分地區(qū)為平原，部分地區(qū)為山地），平均海拔以及最高海波之間相差一百多米，所以選擇z=2150和z=2200的平面，進而繪制其速度矢量圖，由于其海拔較高，所以繪制的速度矢量圖更加直觀，清晰可見z=2150平面左下部分和右上部分速度較小，而在中間部位則有顯著的速度變化趨勢。相比較z=2150平面而言，平面z=2200上的速度矢量圖則更加復(fù)雜，左下角和中部地區(qū)風(fēng)速相對較小，而右上方和中部地區(qū)附近有較大的風(fēng)。能夠預(yù)測到風(fēng)向和風(fēng)速的變化的劇烈程度，由于做了理想的模擬，忽略了空氣中的摩擦、熱量的損失等，盡管模擬已經(jīng)初見成效，但有待進一步提高。

4 結(jié)論和展望

本文模擬了不平坦地形對風(fēng)的影響，通過繪制不同高度層上的壓力云圖和速度云圖，較好的分析出了地形對風(fēng)的抬升作用。同時間接的模擬出了平原和山區(qū)對分的不同影響。所存在的不足之處，模型邊界條件的確定不與實際相差較遠。為風(fēng)場的選址，以及預(yù)測風(fēng)切變等提供了依據(jù)。

【參考文獻】

[1]林敬凡，胡秀英.河南省地形對風(fēng)的影響[J].氣象，1990，05：30-35.

[2]李軍，胡非，程雪玲，朱蓉.CFD在復(fù)雜地形風(fēng)能開發(fā)中的應(yīng)用研究[J].太陽能學(xué)報，2013，07：1250-1256.

[3]章博，陳國明，孔令圳.一種真實地形計算流體力學(xué)網(wǎng)格生成方法[J].中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，05：104-108.

[責(zé)任編輯：田吉捷]

【摘 要】在電力設(shè)備上工作時，為了保證工作人員的人身安全，防止誤操作事故的發(fā)生，電力生產(chǎn)中的各項操作、檢修、維護、試驗等操作都必須使用兩票（操作票、工作票），但在兩票的填寫和使過程中存在諸多問題。

【關(guān)鍵詞】電力設(shè)備；兩票；問題

0 引言

工作票是允許在電力設(shè)施上工作的書面命令，是實施安全組織措施和技術(shù)措施的書面依據(jù)；倒閘操作票是運行值班人員進行倒閘操作時的書面依據(jù)，是防止誤操作，保障人身、電網(wǎng)和設(shè)備安全的重要措施。因此，在電力生產(chǎn)中實行工作票、操作票制度是安全生產(chǎn)的前提和保證。正確規(guī)范填寫和使用“兩票”在電力行業(yè)是極其重要的。但是在“兩票”的填寫和執(zhí)行中存在諸多問題。

1 工作票在填寫與執(zhí)行中存在的問題及解決辦法

1.1 工作票在填寫與執(zhí)行中存在的問題

1）工作票內(nèi)容填寫不清、字跡潦草；票內(nèi)需填寫的項目不填，讓其空白；設(shè)備名稱、編號、接地線位置、日期時間、動詞等任意涂改。

2）變電站在填工作票時經(jīng)常由許可人填寫，有時先停電工作，許可人之后再補寫工作票，補寫完之后再進行簽發(fā)。

3）安全措施欄填寫應(yīng)斷開的開關(guān)名稱及隔離開關(guān)名稱不全；設(shè)備名稱編號填寫與設(shè)備實際名稱編號不相符；安全技術(shù)措施不完善或錯誤；接地線位置不正確或數(shù)量不夠起不到防止突然來電對工作人員的傷害；對接地線、標(biāo)示牌、遮攔沒有填寫具體數(shù)量。

4）有的工作票中一人兼多職，既是工作票簽發(fā)人，又是工作負責(zé)人或許可人。

5）線路工作票許可時：工作許可人在線路可能受電的各方面都拉閘停電，未掛好接地線時，就發(fā)出許可工作的命令。

6）在變電工作票許可時，許可人完成現(xiàn)場安全措施后，沒有會同工作負責(zé)人到現(xiàn)場再次檢查所做的安全措施，對具體的設(shè)備沒有指明實際的隔離措施，未證明檢修設(shè)備確無電壓，就允許工作。

7）工作票許可完后，工作負責(zé)人向工作班人員只交待工作內(nèi)容、人員分工，未交待帶電部位和現(xiàn)場安全措施，沒有履行確認(rèn)手續(xù)，就開始工作的。

8）一份工作票，延期手續(xù)辦理多次。

9）工作票工作間斷欄：辦理多日有效的工作票，辦理了終結(jié)手續(xù)，但次日未辦理工作許可，即第二天開工未經(jīng)工作許可人許可開工。

10）工作票終結(jié)欄：工作負責(zé)人沒有履行工作票終結(jié)手續(xù)，工作許可人未在工作票終結(jié)欄簽名，并填寫工作終結(jié)時間，就加蓋已執(zhí)行章。

11）無工作票工作：一是，有工作票，但在工作期間私自擴大工作范圍，更改工作任務(wù)，變更安全措施，而未履行正常的變更手續(xù)，造成實際上無票工作。二是，個別工作票簽發(fā)人認(rèn)為工作多，為了方便，一次性簽發(fā)多張空白工作票，放在施工現(xiàn)場供檢修人員隨時填寫使用，這就失去了工作票嚴(yán)肅性，看似有票實則無票。三是，有時幾個單位同時在一條停電線路上工作，認(rèn)為辦一張工作票就行，這也是無票工作。

1.2 解決辦法

1）工作票內(nèi)容填寫正確、清楚，不得任意涂改，每一份工作票簽發(fā)方和許可方修改均不得超過2處，設(shè)備名稱、編號、接地線位置、日期時間、動詞等不得改動。

2）工作票應(yīng)由工作負責(zé)人填寫，也可由工作票簽發(fā)人填寫。已簽發(fā)的工作票，未經(jīng)簽發(fā)人同意，不得擅自修改。

3）在一張變電工作票中，工作票簽發(fā)人、工作負責(zé)人、工作許可人三者不得互相兼任。在一張線路工作票中，工作票簽發(fā)人和工作許可人不得兼任工作負責(zé)人。

4）變電工作票許可時，工作許可人在完成現(xiàn)場安全措施后，應(yīng)會同工作負責(zé)人到現(xiàn)場再次檢查所做的安全措施，證明檢修設(shè)備確無電壓。對工作負責(zé)人指明帶電設(shè)備的位置和注意事項。

5）線路工作票許可時，工作許可人應(yīng)在線路可能受電的各方面都拉閘停電，并做好安全措施后，方能發(fā)出許可工作的命令。

6）工作票許可手續(xù)完成后， 工作負責(zé)人應(yīng)向工作班成員交待工作內(nèi)容、人員分工、帶電部位和現(xiàn)場安全措施，進行危險點告知。并履行確認(rèn)手續(xù)，方可開始工作。

7）工作票延期：若工作票需要延期，工作負責(zé)人宜在工期尚未結(jié)束以前向運行值班負責(zé)人提出延期申請后，履行延期手續(xù)。第一、二種工作票只能延期一次，若延期后工作仍未完成，應(yīng)終結(jié)工作票或重新辦理新工作票。帶電作業(yè)工作票不準(zhǔn)延期。

8）工作間斷：每日收工，工作人員全部撤離工作現(xiàn)場，清理工作現(xiàn)場，工作負責(zé)人填寫記錄并將工作票交回運行值班人員。次日復(fù)工時，工作負責(zé)人應(yīng)經(jīng)值班人員許可，取回工作票，重新復(fù)核安全措施無誤后方可工作。

9）工作票終結(jié)：工作負責(zé)人檢查工作現(xiàn)場已恢復(fù)至開工前狀態(tài)，驗收合格。交由工作許可人審核無誤后，填明工作終結(jié)時間，經(jīng)雙方簽字，且工作許可人在工作終結(jié)一欄加蓋“已執(zhí)行”章，完成工作終結(jié)手續(xù)。

10）在工作現(xiàn)場工作時，工作人員一定要按照工作票所列內(nèi)容進行工作，工作現(xiàn)場所做安措、圍欄等都要與工作票所列內(nèi)容相符，不能私自增加工作內(nèi)容、不能一票多用、不能隨意變更工作負責(zé)人及工作班組人員。

2 操作票在填寫與執(zhí)行中存在的問題及解決辦法

2.1 操作票在填寫與執(zhí)行中存在的問題

1）在填在填寫操作票時字跡潦草；操作票上對一些動詞、設(shè)備名稱隨意修改；操作票編號沒有按要求進行編號，存在缺號、調(diào)號。

2）操作票上簽名，蓋章、打“√”不符合操作票填寫標(biāo)準(zhǔn)。操作人、監(jiān)護人簽名有漏簽或代簽；操作票執(zhí)行完后蓋章，有的漏蓋或蓋錯位置；操作票操作完一項需打“√”的，有的漏打“√”，有的沒打“√”或者是操作完之后補打“√”；操作票作廢票有的不加蓋作廢章或作廢章蓋錯位置；操作票上需填寫操作時間，有的填寫不全，有的沒有填寫或填寫錯誤。

3）操作票內(nèi)容填寫不規(guī)范，在填寫操作任務(wù)時沒有按調(diào)度術(shù)語進行填寫；一張操作票填寫多個操作任務(wù)；所填寫設(shè)備名稱沒有按雙重編號（電壓等級加設(shè)備名稱）進行填寫；操作票并項；接地線未寫明裝設(shè)具體地點及組數(shù)；所掛票示牌、警示牌沒有填寫具體體位置及數(shù)量。