拱坝坝面太阳辐射强度计算 Ray-tracing algorithm for solar radiation intensity computation of arch dam surface.pdfVIP

水 利 学 报 2007年12月 SHUIUXUEBAO 第38卷第12期 文章编号：0559—9350(2007)12一1460．06 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 100084) 摘要：本文基于三维拱坝有限元模型，建立了采用AsHRAE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100w，m2。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：Tv642．4 文献标识码：A 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 o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 因素之一。Kelbeck【3 力变化的影响。Tong等¨1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，Price等¨。建立了考虑太阳辐射的墙体温度分布的一维模型。 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，朱伯芳旧-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AsHRAE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。 l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：2006．12．24 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 —1460— 万方数据 物瞬时太阳辐射等优点在土木工程领域应用较多阳1。AsHRAE手册根据美国地区的辐射值给出了美国 大陆每月21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n0I。 根据AsHRAE晴空模型，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旧1 d G一。2面商cw (1) 式中：G。。为垂直入射直射太阳辐射强度；A为大气质量为零时的太阳辐射强度；曰为大气的消光系数； 卢为太阳高度角；c。为大气清洁度。 入射到非垂直表面的太阳总辐射为阳1