土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過(guò)程模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境治理問(wèn)題受到了人們的高度重視，這些問(wèn)題的解決都離不開(kāi)對(duì)土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過(guò)程的研究。目前所建立的傳統(tǒng)模型沒(méi)有充分考慮土壤物理結(jié)構(gòu)的影響，將其假設(shè)為連續(xù)性介質(zhì)考慮。在研究土壤熱質(zhì)傳輸過(guò)程中，不能真實(shí)反映多孔介質(zhì)內(nèi)部復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也不能合理解釋一些現(xiàn)象如優(yōu)勢(shì)流等。針對(duì)以上問(wèn)題本論文以砂土為典型代表，將孔道網(wǎng)絡(luò)理論引用到土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞的研究領(lǐng)域，進(jìn)行了以下研究:
　　首先運(yùn)用孔道網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)現(xiàn)實(shí)

2、生活的中砂土堆進(jìn)行了網(wǎng)格提取并將網(wǎng)格規(guī)則化處理，構(gòu)建了土壤多孔介質(zhì)孔道網(wǎng)絡(luò)物理模型。對(duì)物理模型中常用的五個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù):分布律、孔隙節(jié)點(diǎn)間距、空間分布系數(shù)、模型規(guī)模數(shù)以及配位數(shù)進(jìn)行描述，并將這些參數(shù)與土壤多孔介質(zhì)的特征參數(shù):孔隙率、粒徑分布、孔徑分布以及孔隙配位數(shù)進(jìn)行了一一對(duì)應(yīng)，使孔道網(wǎng)絡(luò)理論可以應(yīng)用于實(shí)際土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞的理論分析中。
　　在物理模型的基礎(chǔ)上，對(duì)熱質(zhì)傳遞過(guò)程機(jī)理進(jìn)行了分析，并對(duì)所建模型作了基本假設(shè)。構(gòu)建了土壤多孔

3、介質(zhì)孔道網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，建立了質(zhì)量、熱量傳遞過(guò)程控制方程，并給出了不同外界環(huán)境下（風(fēng)吹、日曬、雨淋）的邊界條件和初始條件。運(yùn)用有限元法對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解。采用、VC++與Matlab語(yǔ)言聯(lián)合編程對(duì)所建立的模型進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)及模擬。
　　以砂土床為試驗(yàn)物料，使用自制的試驗(yàn)裝置模擬了不同大氣環(huán)境條件（日曬、風(fēng)吹、雨淋）下砂土床熱質(zhì)傳遞過(guò)程。確定了砂土床的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)得到了砂土床的平均濕含量分布曲線、溫度分布曲線。為與

4、孔道網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行對(duì)比，采用傳統(tǒng)連續(xù)性假設(shè)方法建立了連續(xù)性模型并采用ANSYS進(jìn)行模擬分析，得到了濕分場(chǎng)和溫度的變化曲線。
　　通過(guò)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析可以得出，所建立的模型能夠較好的描述實(shí)際土壤多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。風(fēng)吹和日曬時(shí)，初始階段土壤為濕飽和狀態(tài)，水分梯度較小，導(dǎo)致毛細(xì)力較小，從而土壤濕含量變化較慢，隨著時(shí)間的推移，毛細(xì)力逐漸增大，濕含量變化逐漸加快。砂土溫度受太陽(yáng)輻射影響較大;雨淋時(shí)，初始階段土壤為干飽和狀態(tài)，