土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過程模擬與試驗研究.pdf

1、隨著國民經(jīng)濟(jì)的提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境治理問題受到了人們的高度重視，這些問題的解決都離不開對土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過程的研究。目前所建立的傳統(tǒng)模型沒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)傳輸過程中，不能真實反映多孔介質(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)勢流等。針對以上問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:
　　首先運用孔道網(wǎng)絡(luò)理論對現(xiàn)實

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。對物理模型中常用的五個結(jié)構(gòu)參數(shù):分布律、孔隙節(jié)點間距、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)行了一一對應(yīng)，使孔道網(wǎng)絡(luò)理論可以應(yīng)用于實際土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞的理論分析中。
　　在物理模型的基礎(chǔ)上，對熱質(zhì)傳遞過程機理進(jìn)行了分析，并對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。運用有限元法對所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解。采用、VC++與Matlab語言聯(lián)合編程對所建立的模型進(jìn)行程序開發(fā)及模擬。
　　以砂土床為試驗物料，使用自制的試驗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)傳遞過程。確定了砂土床的各個結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過試驗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，得到了濕分場和溫度的變化曲線。
　　通過模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比分析可以得出，所建立的模型能夠較好的描述實際土壤多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)過程。風(fēng)吹和日曬時，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。砂土溫度受太陽輻射影響較大;雨淋時，初始階段土壤為干飽和狀態(tài)，