基于CFD不平坦地形对风的影响

蒋立辉　李海良

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【摘 要】针对不同的地形对风有不同的影响作用，结合fluent建立接近真实地形的模型，建模之后，划分网格，确定边界条件。结合气象资料确定边界条件（风速风向）然后输入边界条件，运行FLUENT软件，模拟不平坦地形对风的影响。结果表明：1该模型能够清晰的模拟出复杂地形对风的影响包括压力和速度。2对该复杂地形细分可以模拟山区和平原对风的不同影响。3通过改变输入边界条件风速风向的大小，形象具体的模拟出随时间变化复杂地形对风的研究。

【关键词】fluent建模；网格；边界条件；复杂地形

1 不规则地形对风的影响

不规则的地形会改变风的流态。平坦地形对风特性即风速风向和紊流的影响；不平坦地形对风特性的影响是变化的。在山区，地形复杂，地势起伏不平，粗糙度大，大气流动能大量消耗于克服摩擦力。相反，在平原区，地形单一，地势平担，粗糙度较小，摩擦力比山区小。这样就形成了山区和平原区对风的不同影响[1]。

2 CFD的研究现状

相对于中尺度模式模型尺度比较粗糙；近年来，随着计算机能力的增强，越来越多气象领域的研究都开始采用以往用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学CFD 模式。CFD模式具有成熟的网格生成模块，能够自适应地生成各种复杂地形上的贴体网格，以及强大的后处理模块用于显示局部的复杂流动等优势。在模拟复杂地形条件下的边界层流场的尺度方面更为细致。目前CFD 技术广泛应用于风工程分析、建筑结构设计、城市风场预测及空气污染物扩散等方面。Kazuya等通过CFD 数值模拟的方法对城市不同功能区域的热环境进行了模拟，并与实测结果进行了对比，结果表明模拟效果与城市实际的热环境分布比较符合。Rajagopalan P建立了一个微气候 CFD 模型，发现在建筑布局中有高塔的存在可以有效的增强街谷风速，降低温度[2]。虽然CFD模式在小尺度甚至微尺度环境的风场模拟有较高的精度，但是普遍存在一个问题是CFD模式的边界输入场设定灵活性欠佳，大部分研究采用理想化试验条件，再复杂一点可以使用UDF（User Defined Function）功能将输入条件定义为特定函数表达形式，但是对于实际风场环境的模拟，缺乏真实性。

3 实验方案设计

建立模型具体步骤1生成高程数据DEM2地形三维坐标的预处理3Gambit建模：Gambit建模一般顺序可以为点、线、面、体，然后划分网格，确定边界条件。也可以通过直接建立体，然后划分网格，再其次确定边界条件。Gambit建立体的时候相对比较繁琐，可以通过与其他软件结合，利用gambit划分网格的优点进行操作，可以结合CAD和3Dmax先建立体，再倒入gambit划分网格。另外gambit对于简单模型可以直接绘制，但对于地形复杂模型，常规方法工作量大，GAMBIT提供了后台运行的建模功能，通过编写journal文本，可以实现模型的自动生成[3]。本文通过MARLAB程序实现journal文件的自动生成。

兰州是一个典型的带状城市，由于“两山夹一河”兴隆山、马衔山、庄浪河的特殊地形地貌，使得城市发展空间受到很大局限，空间不足成为制约加快发展的一大瓶颈难题。该地区属典型的温带半干旱大陆性气候，四季分明，阳光充足，冬季寒冷干燥，春季多风少雨，夏无酷暑，秋季温凉。由气象资料的该地年平均气温6.9℃，月平均气温-7.3℃，七月平均气温20.5℃；夏秋多东南风，冬春多西北风，主导风向为西北风，年平均风速2.3m/s。

建立模型选取中川机场附近的地形（6KM*6km）。

前面已经详细叙述了模型的建立步骤，在此不再进行详细描述。运行JOURNAL文件以后生成的地形网格。

生成地形网格最高点与最低点实际相差100米左右，为模拟小起伏地形的风作了铺垫。然后在地形的基础上建立了一个高度1000的三维模型，划分网格间距为100的体网格。划分网格可以采用结构网格和非结构网格同时可以采用三角形四边形六边形的划分等，本文采用非结构网格对模型进行划分。设置边界条件如下做左侧为进口，右侧为出口，其他面为固体边界条件。进口设置为五米每秒的风速入口。为了此次模拟更加稳定真实，设置残差监视器，初始迭代次数为50次，修改残差监视器参数，随着迭代次数的增加，XYZ方向的速度分量趋于平缓，但仍然有些许不足，修改残差收敛标准，将迭代次数改为100，在此进行迭代运算，最终使XYZ速度分量趋于平缓。由于本文图表较多省略残差监视器趋于稳定的图像。

输出地形表面的压力分布云图如图1所示，清晰可见随着地形的升高，压力随之增大，另一方面也说明了选取地形的复杂性，左下角为山，左上至中部地区为平原，中部地区至右上地区为起伏的山地。

为了更加直观的了解地形对风的影响，分别提取Z=1980、Z=1990、Z=2000、Z=2050、Z=2128、Z=2150、Z=2200平面的速度矢量图、速度分布云图和压力分布云图。

左上方是对应z=1980的速度矢量图，右上方是z=1980和z=1990耦合的速度矢量图，左下方为z=1980，、z=1990、z=2000耦合的速度矢量图，右下方为z=1980、z=1990、z=2000、z=2050耦合的速度矢量图。选取多个平面耦合的方式，更加形象具体的再现风随着高度的增加，是如何变化的。随着高度的增加，速度矢量图的颜色由浅及深，从左下角向右上方移动，速度变得越来越大。

与此相对应的是速度分布云图，由于颜色较浅，上表面的速度分布云图遮挡住了下表面的速度分布云图，但是从整体上依然能看出随着地形的升高，部分区域颜色由浅蓝色变成黄色，这证明了随着地形的升高，速度逐渐增大的趋势。

该图片上方为z=2150 的速度矢量图，下方为z=2200的速度矢量图。由于所选择区域的复杂性（部分地区为平原，部分地区为山地），平均海拔以及最高海波之间相差一百多米，所以选择z=2150和z=2200的平面，进而绘制其速度矢量图，由于其海拔较高，所以绘制的速度矢量图更加直观，清晰可见z=2150平面左下部分和右上部分速度较小，而在中间部位则有显著的速度变化趋势。相比较z=2150平面而言，平面z=2200上的速度矢量图则更加复杂，左下角和中部地区风速相对较小，而右上方和中部地区附近有较大的风。能够预测到风向和风速的变化的剧烈程度，由于做了理想的模拟，忽略了空气中的摩擦、热量的损失等，尽管模拟已经初见成效，但有待进一步提高。

4 结论和展望

本文模拟了不平坦地形对风的影响，通过绘制不同高度层上的压力云图和速度云图，较好的分析出了地形对风的抬升作用。同时间接的模拟出了平原和山区对分的不同影响。所存在的不足之处，模型边界条件的确定不与实际相差较远。为风场的选址，以及预测风切变等提供了依据。

【参考文献】

[1]林敬凡，胡秀英.河南省地形对风的影响[J].气象，1990，05：30-35.

[2]李军，胡非，程雪玲，朱蓉.CFD在复杂地形风能开发中的应用研究[J].太阳能学报，2013，07：1250-1256.

[3]章博，陈国明，孔令圳.一种真实地形计算流体力学网格生成方法[J].中国石油大学学报：自然科学版，2011，05：104-108.

[责任编辑：田吉捷]

【摘 要】在电力设备上工作时，为了保证工作人员的人身安全，防止误操作事故的发生，电力生产中的各项操作、检修、维护、试验等操作都必须使用两票（操作票、工作票），但在两票的填写和使过程中存在诸多问题。

【关键词】电力设备；两票；问题

0 引言

工作票是允许在电力设施上工作的书面命令，是实施安全组织措施和技术措施的书面依据；倒闸操作票是运行值班人员进行倒闸操作时的书面依据，是防止误操作，保障人身、电网和设备安全的重要措施。因此，在电力生产中实行工作票、操作票制度是安全生产的前提和保证。正确规范填写和使用“两票”在电力行业是极其重要的。但是在“两票”的填写和执行中存在诸多问题。

1 工作票在填写与执行中存在的问题及解决办法

1.1 工作票在填写与执行中存在的问题

1）工作票内容填写不清、字迹潦草；票内需填写的项目不填，让其空白；设备名称、编号、接地线位置、日期时间、动词等任意涂改。

2）变电站在填工作票时经常由许可人填写，有时先停电工作，许可人之后再补写工作票，补写完之后再进行签发。

3）安全措施栏填写应断开的开关名称及隔离开关名称不全；设备名称编号填写与设备实际名称编号不相符；安全技术措施不完善或错误；接地线位置不正确或数量不够起不到防止突然来电对工作人员的伤害；对接地线、标示牌、遮拦没有填写具体数量。

4）有的工作票中一人兼多职，既是工作票签发人，又是工作负责人或许可人。

5）线路工作票许可时：工作许可人在线路可能受电的各方面都拉闸停电，未挂好接地线时，就发出许可工作的命令。

6）在变电工作票许可时，许可人完成现场安全措施后，没有会同工作负责人到现场再次检查所做的安全措施，对具体的设备没有指明实际的隔离措施，未证明检修设备确无电压，就允许工作。

7）工作票许可完后，工作负责人向工作班人员只交待工作内容、人员分工，未交待带电部位和现场安全措施，没有履行确认手续，就开始工作的。

8）一份工作票，延期手续办理多次。

9）工作票工作间断栏：办理多日有效的工作票，办理了终结手续，但次日未办理工作许可，即第二天开工未经工作许可人许可开工。

10）工作票终结栏：工作负责人没有履行工作票终结手续，工作许可人未在工作票终结栏签名，并填写工作终结时间，就加盖已执行章。

11）无工作票工作：一是，有工作票，但在工作期间私自扩大工作范围，更改工作任务，变更安全措施，而未履行正常的变更手续，造成实际上无票工作。二是，个别工作票签发人认为工作多，为了方便，一次性签发多张空白工作票，放在施工现场供检修人员随时填写使用，这就失去了工作票严肃性，看似有票实则无票。三是，有时几个单位同时在一条停电线路上工作，认为办一张工作票就行，这也是无票工作。

1.2 解决办法

1）工作票内容填写正确、清楚，不得任意涂改，每一份工作票签发方和许可方修改均不得超过2处，设备名称、编号、接地线位置、日期时间、动词等不得改动。

2）工作票应由工作负责人填写，也可由工作票签发人填写。已签发的工作票，未经签发人同意，不得擅自修改。

3）在一张变电工作票中，工作票签发人、工作负责人、工作许可人三者不得互相兼任。在一张线路工作票中，工作票签发人和工作许可人不得兼任工作负责人。

4）变电工作票许可时，工作许可人在完成现场安全措施后，应会同工作负责人到现场再次检查所做的安全措施，证明检修设备确无电压。对工作负责人指明带电设备的位置和注意事项。

5）线路工作票许可时，工作许可人应在线路可能受电的各方面都拉闸停电，并做好安全措施后，方能发出许可工作的命令。

6）工作票许可手续完成后， 工作负责人应向工作班成员交待工作内容、人员分工、带电部位和现场安全措施，进行危险点告知。并履行确认手续，方可开始工作。

7）工作票延期：若工作票需要延期，工作负责人宜在工期尚未结束以前向运行值班负责人提出延期申请后，履行延期手续。第一、二种工作票只能延期一次，若延期后工作仍未完成，应终结工作票或重新办理新工作票。带电作业工作票不准延期。

8）工作间断：每日收工，工作人员全部撤离工作现场，清理工作现场，工作负责人填写记录并将工作票交回运行值班人员。次日复工时，工作负责人应经值班人员许可，取回工作票，重新复核安全措施无误后方可工作。

9）工作票终结：工作负责人检查工作现场已恢复至开工前状态，验收合格。交由工作许可人审核无误后，填明工作终结时间，经双方签字，且工作许可人在工作终结一栏加盖“已执行”章，完成工作终结手续。

10）在工作现场工作时，工作人员一定要按照工作票所列内容进行工作，工作现场所做安措、围栏等都要与工作票所列内容相符，不能私自增加工作内容、不能一票多用、不能随意变更工作负责人及工作班组人员。

2 操作票在填写与执行中存在的问题及解决办法

2.1 操作票在填写与执行中存在的问题

1）在填在填写操作票时字迹潦草；操作票上对一些动词、设备名称随意修改；操作票编号没有按要求进行编号，存在缺号、调号。

2）操作票上签名，盖章、打“√”不符合操作票填写标准。操作人、监护人签名有漏签或代签；操作票执行完后盖章，有的漏盖或盖错位置；操作票操作完一项需打“√”的，有的漏打“√”，有的没打“√”或者是操作完之后补打“√”；操作票作废票有的不加盖作废章或作废章盖错位置；操作票上需填写操作时间，有的填写不全，有的没有填写或填写错误。

3）操作票内容填写不规范，在填写操作任务时没有按调度术语进行填写；一张操作票填写多个操作任务；所填写设备名称没有按双重编号（电压等级加设备名称）进行填写；操作票并项；接地线未写明装设具体地点及组数；所挂票示牌、警示牌没有填写具体体位置及数量。