壓砂地土壤熱量的數(shù)值模擬研究
【學位單位】:蘭州理工大學
【學位級別】:碩士
【學位年份】:2020
【中圖分類】:S152
【部分圖文】:
壓砂地土壤熱量的數(shù)值模擬研究12一種傳統(tǒng)的正弦分析方法,是研究土壤傳熱重要的數(shù)學模型。土壤溫度在任何時間和深度可由下式計算[30,31]:,00expsinωztavezzTTAttDD(2.7)式中:Tave代表一個周期內(nèi)土壤表面平均溫度(℃);A(0)代表土壤溫度振幅(℃);t0代表滯后時間(s);ω代表一個周期24小時的角頻率(sec-1);D代表阻尼深度(m),且02;DD2式中:代表溫度波動周期(h);D0代表熱擴散率(m2·s-1)。土壤熱通量可由式(2.6)、式(2.7)得出式(2.8)[30]:02,0/4zGztAkexpzDsinttDD(2.8)2.4.3利用有限差分法分析土壤熱擴散率土壤溫度是空間和時間的連續(xù)函數(shù),可以采用有限差分法[6]離散時間和空間,為此我們建立正交的空間x軸和時間t的直角坐標系,如圖2.4所示,沿x方向等分n個單元,節(jié)點編號為i,i=0,1,2,…,n,步長為x。沿y方向等分時間步長為t的時段,編號為j,j=0,1,2,…圖2.4有限差分網(wǎng)格對于式(2.5),可以使用顯示差分格式,求得熱擴散率為:
壓砂地土壤熱量的數(shù)值模擬研究14第3章土壤溫度的數(shù)值模擬與驗證土壤溫度是土壤內(nèi)部熱量狀態(tài)的重要研究對象,也是研究土壤熱量的重要參數(shù)。土壤的溫度直接影響作物生長,也可因?qū)χ参锕夂献饔、水分含量等影響而間接使作物受到影響,其中耕作層土壤溫度的影響尤為重要。本章利用數(shù)值模擬的方法,對不同學者的實驗結果進行了模擬,驗證了VADOSE/W軟件的可靠性。3.1實例1本實例驗證的砂石粒徑大小0.3~1cm,對覆砂厚度為7cm的土壤在5cm和10cm深處的溫度進行了模擬驗證[70]。3.1.1模擬條件所需要的土壤數(shù)據(jù)來自文獻[70],土壤采自西北黃土高原(皋蘭縣),土壤類型為壤土(12%砂粒、67%粉粒、21%粘粒),上層1.6m土壤的平均容重為1.33g/cm3。模型設計長寬均為0.5m,深0.5m,但由于模擬驗證經(jīng)常受到實測資料的限制,覆蓋材料和土壤選用軟件內(nèi)置的材料。土壤初始溫度根據(jù)每一次的模擬結果確定,直到模擬值和測試值有較高的相關性為止,本模型土壤和砂石的初始溫度設定在18℃~24.62℃之間,設定時應盡量符合實際,并且根據(jù)外界氣溫條件合理確定模型所用材料的溫度初始值。本模型輸入大氣溫度作為模擬設定的熱邊界條件,持續(xù)24h。大氣溫度數(shù)據(jù)參考于氣象網(wǎng)站,不考慮降雨。3.1.2模型建立及網(wǎng)格劃分圖3.1幾何模型首先設定全局單元尺寸0.1m,然后指定模型區(qū)域,土壤剖面深0.5m,寬0.5m,覆砂厚度為7cm,如圖3.1所示,網(wǎng)格劃分選擇四邊形網(wǎng)格,則在區(qū)域內(nèi)形成四邊形網(wǎng)格;模型共生成2958個節(jié)點,2850個網(wǎng)格,在砂石材料表層加載熱邊界條件。砂石土壤
壓砂地土壤熱量的數(shù)值模擬研究183.2.2模型建立及網(wǎng)格劃分圖3.4幾何模型設定全局單元尺寸0.01m,然后選定指定模型區(qū)域,土壤剖面深0.25m,寬0.5m,如圖3.4所示,選擇四邊形結構化網(wǎng)格;模型共生成1635個節(jié)點,1586個網(wǎng)格,在土壤表層加載熱邊界條件。3.2.3模型參數(shù)0.010.111010010000.100.150.200.250.300.350.40體積含水量(m3/m3)基質(zhì)吸力(kPa)0.010.111010010001E-111E-101E-91E-81E-71E-6X-傳導率(m/sec)基質(zhì)吸力(kPa)a)土壤體積含水量函數(shù)b)土壤滲透系數(shù)函數(shù)0.00.20.40.60.81.01.11.21.31.41.51.61.71.8導熱系數(shù)(J/(sec·m·))℃體積含水量(m3/m3)c)土壤熱傳導函數(shù)圖3.5土壤體積含水量函數(shù)、滲透系數(shù)函數(shù)和熱傳導函數(shù)由于模擬驗證經(jīng)常受到實測資料的限制,土壤材料選擇軟件內(nèi)置材料中的粘土材料,參考相關學者的研究[80]設定合理的參數(shù),土壤飽和含水量為0.3636m3/m3,土壤滲透系數(shù)為2.8×10-3cm/min。估計熱傳導函數(shù)需要使用導熱系數(shù),并結合對土壤熱導率已有的相關研究[81],本模型粘土導熱系數(shù)輸入0.8J/(sec·m·℃),此模型只有裸土模型,用到了體積含水量函數(shù)、滲透系數(shù)函數(shù)和熱傳導函數(shù)等,如圖3.5所示。1.24℃土壤3.33℃土壤5.17℃土壤6.88℃土壤8.55℃土壤
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本文編號:2894240
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