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

背景技術：

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

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進行熱交換，這種交換絕大部分發(fā)生在水和空間的交界面上?；谒w和大氣的熱交換原理，建立數(shù)學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基礎的水庫動態(tài)熱能平衡的定量計算方法，方法中考慮了對流、輻射、傳導和蒸發(fā)等引起的熱能變化，并成功應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測。20世紀60年代末，美國水資源工程公司的orlob等以及麻省理工學院(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都是一維對流擴散方程，被稱為擴散模型，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)學模型研究產生了巨大的影響，而且目前仍在美國得到廣泛的應用。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。

技術實現(xiàn)要素：

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

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

進一步地，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)和熱傳導三部分，通過水面而進入水體的熱通量為：

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：

大氣長波輻射強度取決于氣溫和云量，計算公式為：

式中，ta是氣溫；γa是長波反射率，取0.03；σ為stefan-boltzman常數(shù)，取5.67×10^-8(w/m²·k⁴)；εa為大氣發(fā)射率，在晴天為：

εac＝1-0.261·exp(-0.74×10^-4ta²)(5)

在多云天修正為：

εa＝εac·(1+k·c²)(6)

式中，c為云層覆蓋率；參數(shù)k與云層高度有關，均值為0.17；

水體長波的返回輻射的計算方式為：

式中，εw為水體的長波發(fā)射率，取0.97；ts為水表面溫度；

水面蒸發(fā)熱損失的計算方式為：

水面蒸發(fā)熱通量大多根據(jù)空氣與水面的蒸發(fā)壓力計算：

式中，f(w)是風函數(shù)，反映了自由對流和強迫對流對蒸發(fā)的影響，計算式為：

f(w)＝9.2+0.46w²(9)

式中，w為風速；es為對應于水面溫度的飽和水汽壓；ea為蒸汽壓；

熱傳導通量的計算方式為：

當水溫與氣溫有溫差時，水氣界面上會通過傳導進行熱交換，熱傳導通量正比于溫差：

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的一種基于efdc程序改進的水面熱交換數(shù)值模擬方法，本發(fā)明將易于應用的水面熱交換模型嵌入到efdc程序中，大大減化了efdc計算水溫的參數(shù)和步驟，并且所輸入?yún)?shù)為實測數(shù)據(jù)，易于搜集。并且具有較高的精度。本發(fā)明所使用的水面熱交換模型參數(shù)少，定義的程序數(shù)組少，計算速度較快。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一種基于efdc程序改進的水面熱交換數(shù)值模擬方法的步驟流程圖；

具體實施方式

為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本發(fā)明。

請參閱圖1，本發(fā)明提供一種技術方案：一種基于efdc程序改進的水面熱交換數(shù)值模擬方法，包括：導入邊界數(shù)據(jù)，然后劃分計算網格，設置邊界條件，設置初始條件，然后編寫新代碼，嵌入efdc程序，進行代碼調試，然后輸入水面熱交換參數(shù)，進行模型驗證，若模型驗證不精確，則從新設置邊界條件以及從新進行代碼調試，若模型驗證精確，則進行模型計算，最后進行后處理。

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)和熱傳導三部分，通過水面而進入水體的熱通量為：

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：

大氣長波輻射強度取決于氣溫和云量，計算公式為：

式中，ta是氣溫；γa是長波反射率，取0.03；σ為stefan-boltzman常數(shù)，取5.67×10^-8(w/m²·k⁴)；εa為大氣發(fā)射率，在晴天為：

εac＝1-0.261·exp(-0.74×10^-4ta²)(5)

在多云天修正為：

εa＝εac·(1+k·c²)(6)

式中，c為云層覆蓋率；參數(shù)k與云層高度有關，均值為0.17；

水體長波的返回輻射的計算方式為：

式中，εw為水體的長波發(fā)射率，取0.97；ts為水表面溫度；

水面蒸發(fā)熱損失的計算方式為：

水面蒸發(fā)熱通量大多根據(jù)空氣與水面的蒸發(fā)壓力計算：

式中，f(w)是風函數(shù)，反映了自由對流和強迫對流對蒸發(fā)的影響，計算式為：

f(w)＝9.2+0.46w²(9)

式中，w為風速；es為對應于水面溫度的飽和水汽壓；ea為蒸汽壓；

熱傳導通量的計算方式為：

當水溫與氣溫有溫差時，水氣界面上會通過傳導進行熱交換，熱傳導通量正比于溫差：

作為本發(fā)明的一個實施例：本發(fā)明將易于應用的水面熱交換模型嵌入到efdc程序中，大大減化了efdc計算水溫的參數(shù)和步驟，并且所輸入?yún)?shù)為實測數(shù)據(jù)，易于搜集。并且具有較高的精度。本發(fā)明所使用的水面熱交換模型參數(shù)少，定義的程序數(shù)組少，計算速度較快。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點，對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發(fā)明內。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。