土壤多孔介質熱質傳遞過程模擬與試驗研究.pdf

1、隨著國民經濟的提高，農業(yè)生產和環(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熱質傳遞過程的研究。目前所建立的傳統(tǒng)模型沒有充分考慮土壤物理結構的影響，將其假設為連續(xù)性介質考慮。在研究土壤熱質傳輸過程中，不能真實反映多孔介質內部復雜的拓撲結構，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)絡理論引用到土壤多孔介質熱質傳遞的研究領域，進行了以下研究:
　　首先運用孔道網(wǎng)絡理論對現(xiàn)實

2、生活的中砂土堆進行了網(wǎng)格提取并將網(wǎng)格規(guī)則化處理，構建了土壤多孔介質孔道網(wǎng)絡物理模型。對物理模型中常用的五個結構參數(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)進行描述，并將這些參數(shù)與土壤多孔介質的特征參數(shù):孔隙率、粒徑分布、孔徑分布以及孔隙配位數(shù)進行了一一對應，使孔道網(wǎng)絡理論可以應用于實際土壤多孔介質熱質傳遞的理論分析中。
　　在物理模型的基礎上，對熱質傳遞過程機理進行了分析，并對所建模型作了基本假設。構建了土壤多孔

3、介質孔道網(wǎng)絡數(shù)學模型，建立了質量、熱量傳遞過程控制方程，并給出了不同外界環(huán)境下（風吹、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)學模型進行了求解。采用、VC++與Matlab語言聯(lián)合編程對所建立的模型進行程序開發(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、風吹、雨淋）下砂土床熱質傳遞過程。確定了砂土床的各個結構參數(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)絡模型進行對比，采用傳統(tǒng)連續(xù)性假設方法建立了連續(xù)性模型并采用ANSYS進行模擬分析，得到了濕分場和溫度的變化曲線。
　　通過模擬結果與試驗結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的傳熱傳質過程。風吹和日曬時，初始階段土壤為濕飽和狀態(tài)，水分梯度較小，導致毛細力較小，從而土壤濕含量變化較慢，隨著時間的推移，毛細力逐漸增大，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)，