基于CFD不平坦地形對風的影響

蔣立輝　李海良

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

【關鍵詞】fluent建模；網格；邊界條件；復雜地形

1 不規則地形對風的影響

不規則的地形會改變風的流態。平坦地形對風特性即風速風向和紊流的影響；不平坦地形對風特性的影響是變化的。在山區，地形復雜，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，地形單一，地勢平擔，粗糙度較小，摩擦力比山區小。這樣就形成了山區和平原區對風的不同影響[1]。

2 CFD的研究現狀

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，越來越多氣象領域的研究都開始采用以往用于空氣動力學精細流場計算的計算流體力學CFD 模式。CFD模式具有成熟的網格生成模塊，能夠自適應地生成各種復雜地形上的貼體網格，以及強大的后處理模塊用于顯示局部的復雜流動等優勢。在模擬復雜地形條件下的邊界層流場的尺度方面更為細致。目前CFD 技術廣泛應用于風工程分析、建筑結構設計、城市風場預測及空氣污染物擴散等方面。Kazuya等通過CFD 數值模擬的方法對城市不同功能區域的熱環境進行了模擬，并與實測結果進行了對比，結果表明模擬效果與城市實際的熱環境分布比較符合。Rajagopalan P建立了一個微氣候 CFD 模型，發現在建筑布局中有高塔的存在可以有效的增強街谷風速，降低溫度[2]。雖然CFD模式在小尺度甚至微尺度環境的風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定靈活性欠佳，大部分研究采用理想化試驗條件，再復雜一點可以使用UDF（User Defined Function）功能將輸入條件定義為特定函數表達形式，但是對于實際風場環境的模擬，缺乏真實性。

3 實驗方案設計

建立模型具體步驟1生成高程數據DEM2地形三維坐標的預處理3Gambit建模：Gambit建模一般順序可以為點、線、面、體，然后劃分網格，確定邊界條件。也可以通過直接建立體，然后劃分網格，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合，利用gambit劃分網格的優點進行操作，可以結合CAD和3Dmax先建立體，再倒入gambit劃分網格。另外gambit對于簡單模型可以直接繪制，但對于地形復雜模型，常規方法工作量大，GAMBIT提供了后臺運行的建模功能，通過編寫journal文本，可以實現模型的自動生成[3]。本文通過MARLAB程序實現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，使得城市發展空間受到很大局限，空間不足成為制約加快發展的一大瓶頸難題。該地區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，冬春多西北風，主導風向為西北風，年平均風速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格。

生成地形網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作了鋪墊。然后在地形的基礎上建立了一個高度1000的三維模型，劃分網格間距為100的體網格。劃分網格可以采用結構網格和非結構網格同時可以采用三角形四邊形六邊形的劃分等，本文采用非結構網格對模型進行劃分。設置邊界條件如下做左側為進口，右側為出口，其他面為固體邊界條件。進口設置為五米每秒的風速入口。為了此次模擬更加穩定真實，設置殘差監視器，初始迭代次數為50次，修改殘差監視器參數，隨著迭代次數的增加，XYZ方向的速度分量趨于平緩，但仍然有些許不足，修改殘差收斂標準，將迭代次數改為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視器趨于穩定的圖像。

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雜性，左下角為山，左上至中部地區為平原，中部地區至右上地區為起伏的山地。

為了更加直觀的了解地形對風的影響，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風隨著高度的增加，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。由于所選擇區域的復雜性（部分地區為平原，部分地區為山地），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雜，左下角和中部地區風速相對較小，而右上方和中部地區附近有較大的風。能夠預測到風向和風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，盡管模擬已經初見成效，但有待進一步提高。

4 結論和展望

本文模擬了不平坦地形對風的影響，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的抬升作用。同時間接的模擬出了平原和山區對分的不同影響。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。為風場的選址，以及預測風切變等提供了依據。

【參考文獻】

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

[2]李軍，胡非，程雪玲，朱蓉.CFD在復雜地形風能開發中的應用研究[J].太陽能學報，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網格生成方法[J].中國石油大學學報：自然科學版，2011，05：104-108.

[責任編輯：田吉捷]

【摘 要】在電力設備上工作時，為了保證工作人員的人身安全，防止誤操作事故的發生，電力生產中的各項操作、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。

【關鍵詞】電力設備；兩票；問題

0 引言

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

1 工作票在填寫與執行中存在的問題及解決辦法

1.1 工作票在填寫與執行中存在的問題

1）工作票內容填寫不清、字跡潦草；票內需填寫的項目不填，讓其空白；設備名稱、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。

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

4）有的工作票中一人兼多職，既是工作票簽發人，又是工作負責人或許可人。

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，就發出許可工作的命令。

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

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

8）一份工作票，延期手續辦理多次。

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

10）工作票終結欄：工作負責人沒有履行工作票終結手續，工作許可人未在工作票終結欄簽名，并填寫工作終結時間，就加蓋已執行章。

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，變更安全措施，而未履行正常的變更手續，造成實際上無票工作。二是，個別工作票簽發人認為工作多，為了方便，一次性簽發多張空白工作票，放在施工現場供檢修人員隨時填寫使用，這就失去了工作票嚴肅性，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）工作票內容填寫正確、清楚，不得任意涂改，每一份工作票簽發方和許可方修改均不得超過2處，設備名稱、編號、接地線位置、日期時間、動詞等不得改動。

2）工作票應由工作負責人填寫，也可由工作票簽發人填寫。已簽發的工作票，未經簽發人同意，不得擅自修改。

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

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

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

6）工作票許可手續完成后， 工作負責人應向工作班成員交待工作內容、人員分工、帶電部位和現場安全措施，進行危險點告知。并履行確認手續，方可開始工作。

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

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

9）工作票終結：工作負責人檢查工作現場已恢復至開工前狀態，驗收合格。交由工作許可人審核無誤后，填明工作終結時間，經雙方簽字，且工作許可人在工作終結一欄加蓋“已執行”章，完成工作終結手續。

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

2 操作票在填寫與執行中存在的問題及解決辦法

2.1 操作票在填寫與執行中存在的問題

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、調號。

2）操作票上簽名，蓋章、打“√”不符合操作票填寫標準。操作人、監護人簽名有漏簽或代簽；操作票執行完后蓋章，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）操作票內容填寫不規范，在填寫操作任務時沒有按調度術語進行填寫；一張操作票填寫多個操作任務；所填寫設備名稱沒有按雙重編號（電壓等級加設備名稱）進行填寫；操作票并項；接地線未寫明裝設具體地點及組數；所掛票示牌、警示牌沒有填寫具體體位置及數量。