拱坝坝面太阳辐射强度计算

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1、水利学报年月第卷第期文章编号拱坝坝面太阳辐射强度计算陈拯金峰王进廷清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京摘要本文基于三维拱坝有限元模型建立了采用晴空模型利用光线追踪算法准确计算周围地形和自身遮蔽的坝面太阳辐射计算框架该方法能够准确计算拱坝坝面太阳辐射的不均匀分布为温度场计算提供准确的边界条件现场实拍照片与计算瞬时坝面辐射的比较验证了光线追踪算法的准确性冬季和夏季日平均太阳辐射计算结果表明坝面太阳辐射分布随季节变化明显以某工程为例冬季左右岸差值可达?考虑太阳辐射以后的计算温度场与实测值符合良好证明该方

2、法可用于工程实际对计算结果的分析表明拱坝的日平均太阳辐射主要是太阳直射辐射坝面辐射分布主要由拱坝朝向决定辐射强度由坝址纬度和朝向共同作用关键词拱坝太阳辐射晴空模型光线追踪算法中图分类号文献标识码已有工程实例和研究表明左右岸太阳辐射差异会造成拱坝下游坝面局部应力集中从而导致浅层开裂影响拱坝的耐久性在桥梁建筑和水利工程等领域已有学者就太阳辐射对混凝土结构温度场的影响进行了研究在世纪年代研究桥梁的温度分布时就指出太阳辐射是重要的影响因素之一在一维假定下比较全面地研究了太阳辐射对桥梁顶板底板等构件温度分布和应力变化的

3、影响等建立了考虑太阳辐射和对流换热的桥面板二维模型并基于试验结果用最小二乘法反演相关参数在土木建筑领域等建立了考虑太阳辐射的墙体温度分布的一维模型等建立了谷仓的二维模型研究考虑太阳辐射和与空气对流换热的温度分布等建立了楼面板的三维模型计算太阳辐射的动态变化对楼面板的影响在水利工程方面朱伯芳将太阳辐射简化折算成等效温度值作用在坝体上得到了广泛应用但是以上研究均没有考虑周围地形对太阳辐射的遮蔽尤其在水利工程领域对于坝面太阳辐射的计算太过粗略不能考虑拱坝下游坝面不同部位的温度分布不均匀现象影响计算的温度场和温度应力

4、场的精度直接根据实测资料拟合坝面温度场的方法缺乏明确的物理意义拟合函数受主观因素影响拟合精度也受到观测点数目和观测精度的限制并且难以推广到缺乏原型观测数据的拱坝本文提出基于三维拱坝有限元模型采用晴空辐射模型利用光线追踪算法计算在考虑周围地形遮蔽影响下的拱坝坝面太阳辐射强度的方法并通过对工程实例瞬时和日平均太阳辐射以及温度场的计算比较验证该方法的精度基于本文模型讨论坝面辐射组成坝址所在纬度和朝向对坝面太阳辐射的影响太阳辐射计算模型由于太阳辐射的重要性国内外的学者已提出了众多的计算模型这些模型主要是针对大气环境和

5、太阳能利用等学科提出的待定参数较多在土木水利工程中应用存在一定困难美国供暖制冷和收稿日期基金项目国家自然科学基金委员会和二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合基金项目作者简介陈拯男重庆人硕士生主要从事大坝温度及应力仿真分析研究空气调节工程师协会推荐使用的晴空模型由于其实用面广形式简单能计算建筑物瞬时太阳辐射等优点在土木工程领域应用较多手册根据美国地区的辐射值给出了美国大陆每月日的系数但在拱坝计算分析中需要研究拱坝温度场的连续变化过程所以本文选用的是根据我国太阳辐射强度拟合得到的随年序日连续变化的系数根据晴

6、空模型建筑物接收的太阳辐射由直射辐射天空散射辐射和反射辐射组成晴天地球表面的太阳辐射强度值?式中为垂直入射直射太阳辐射强度为大气质量为零时的太阳辐射强度为大气的消光系数为太阳高度角为大气清洁度入射到非垂直表面的太阳总辐射为对于垂直表面晴空模型考虑了太阳周围比较明亮的天空区域计算公式为式中为入射角即太阳光线与平面法线间的夹角为水平面上散射辐射与垂直入射直射辐射的比值是表面与天空之间的角系数为地面或水平面的反射率?式中否则?系数和的取值为?其中是年序日建筑物实际接收的太阳辐射为式中为建筑物实际接收的辐射值为混凝土

7、吸收率为总辐射值对太阳辐射的遮蔽算法建筑物表面的朝向坡度高程和周围地形遮蔽都会影响接受太阳辐射的强度和时间随着计算机技术的发展基于数字高程模型计算太阳辐射得到了很大的发展拱坝复杂的三维曲面造型使得简化的理论公式不能准确计算周围地形和结构自身遮蔽的影响而一般用于山地丘陵太阳辐射的计算其尺度远大于建筑结构的尺度不适用于水利工程领域考虑到拱坝的温度和应力计算一般均建立了拱坝三维有限元模型其节点和单元信息已知通过相应的坐标转换则可视为水利工程尺度的利用光线追踪算法计算拱坝实际接收的太阳辐射其精度取决于坝面单元尺寸光线

8、追踪算法起源于计算机图形学主要用于真实图形的生成基本思想是基于几何光学的原理通过模拟光的传播路径来确定反射折射和阴影本文主要利用该算法判断有限元模型单元面能否接收太阳直射采用立方体阵列加速算法和快速求交算法使得计算程序有较高的执行效率基本流程见图工程实例验证本节应用前面建立的计算拱坝有限元模型瞬时太阳辐射的方法计算某拱坝坝面瞬时太阳辐射强度和日平均太阳辐射强度并将计算坝面温度值与实测温度值进行了比较