土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過程數(shù)值模擬

1、畢 業(yè) 設(shè) 計題目：土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過程數(shù)值模擬學(xué) 生： 學(xué) 號： 院 （系）： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 20 年 5 月 31 日陜 西 科 技 大 學(xué)畢業(yè)論文任務(wù)書機電工程 學(xué)院 專業(yè) 1 班級 學(xué)生： 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目: 土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過程數(shù)值模擬 完成期限：從 年 月 日起到 年 月 日課題的意義及培養(yǎng)目標(biāo)：土壤是人類最基本的生產(chǎn)資料和生存環(huán)境之一，也是一種典型的多孔介質(zhì)。自然界土壤中物質(zhì)和能量的遷移傳遞現(xiàn)象十分普遍，土壤中任一點的熱量傳遞和物質(zhì)(濕分)運移相互關(guān)聯(lián)、相互作用，從而形成一個以土壤水運動為基礎(chǔ)的復(fù)雜的熱質(zhì)傳遞系統(tǒng)。該課題擬建立起能有效模擬土壤多孔

2、介質(zhì)內(nèi)水、熱、溶質(zhì)傳遞運移的數(shù)學(xué)模型；對土壤多孔介質(zhì)在各種大氣環(huán)境、不同土壤物理結(jié)構(gòu)條件下的熱質(zhì)傳遞過程進行數(shù)值模擬與分析，使學(xué)生掌握科學(xué)研究的基本程序，訓(xùn)練學(xué)生對所學(xué)知識綜合應(yīng)用和獨立思考、分析、解決實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新的思想意識。掌握撰寫科技論文的格式與方法。 論文所需收集的原始數(shù)據(jù)與資料：1：查找土壤多孔介質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過一些資料，統(tǒng)計土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過程中不同時刻試樣內(nèi)部的含水量。2：收集土壤多孔介質(zhì)內(nèi)部熱質(zhì)傳遞過程的資料初步掌握一些傳熱傳質(zhì)機理。查閱在風(fēng)吹日曬雨淋條件下土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞相關(guān)資料，并做初分析；3：搜集ANSYS的相關(guān)資料及計算機仿真模擬的相關(guān)知

3、識。 課題的主要任務(wù)（需附有技術(shù)指標(biāo)要求）：分析土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過程中的水分遷移機理；確定土壤多孔介質(zhì)相關(guān)的物理參數(shù)；采用計算機軟件ANSYS進行模擬，包括：1）建立起能有效模擬土壤多孔介質(zhì)內(nèi)水、熱、溶質(zhì)傳遞運移的數(shù)學(xué)模型；2）對土壤多孔介質(zhì)在各種大氣環(huán)境、不同土壤物理結(jié)構(gòu)條件下的熱質(zhì)傳遞過程進行數(shù)值模擬與分析；3）對模擬結(jié)果進行分析與討論最后得出結(jié)論。 設(shè)計進度安排及完成的相關(guān)任務(wù)（以教學(xué)周為單位）：周 次論文任務(wù)及要求第 12 周搜集與課題相關(guān)的資料第 34 周分析土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過程中的水分遷移機理第 56 周確定土壤多孔介質(zhì)相關(guān)的物理參數(shù)第 79 周對土壤中的溫度場、濕度場建模

4、第 1011周不同土壤物理結(jié)構(gòu)條件下的熱質(zhì)傳遞過程模擬第 1214周模擬結(jié)果分析，編寫論文第 15 周復(fù)習(xí)梳理知識，準備答辯工作。合計 學(xué) 生： 日期： 指導(dǎo)教師： 日期： 教研室主任： 日期： I土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過程數(shù)值模擬摘 要土壤是人類最基本的生產(chǎn)資料和生存環(huán)境之一，也是一種典型的多孔介質(zhì)。自然界土壤中物質(zhì)和能量的遷移傳遞現(xiàn)象十分普遍，土壤中任一點的熱量傳遞和物質(zhì)(濕分)運移相互關(guān)聯(lián)、相互作用，從而形成一個以土壤水運動為基礎(chǔ)的復(fù)雜的熱質(zhì)傳遞系統(tǒng)。土壤的研究對地下水埋藏較淺的沖積平原的綜合治理及利用具有重要的指導(dǎo)意義，有利于促進資源環(huán)境植物循環(huán)系統(tǒng)的理論研究和水土資源的綜合利用，為高效

5、農(nóng)業(yè)服務(wù)。本文基于土壤多孔介質(zhì)，采用ANSYS軟件中的Workbench模塊，對資源環(huán)境植物系統(tǒng)中的能量和物質(zhì)流動進行了分析，從系統(tǒng)的角度來研究其中的幾個熱物理問題，即模擬土壤中的溫度場和濕度場。首先，從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的觀點，建立了描述土壤中熱濕遷移的物理模型和數(shù)學(xué)模型；其次，將實驗數(shù)據(jù)與用所建模型模擬出來的結(jié)果進行比較對照，以驗證所建立模型的正確性；最后，根據(jù)風(fēng)吹、日曬、雨淋三種情況，分析了土壤中水分、熱分布情況，分析時主要從以下兩個方面進行：第一、在恒定環(huán)境條件下進行了非穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬分析，得到了土壤中的溫度場和濕度場；第二、在不同的外界環(huán)境條件下，分析了土壤內(nèi)部溫度和水分的分布情況。土壤中

6、溫度數(shù)值模擬的結(jié)果顯示：在一定的環(huán)境溫度下，經(jīng)過一定的時間，土壤中的溫度梯度會趨于恒定，同時在同一土壤深度處溫度保持基本穩(wěn)定；在外界溫度高于土壤溫度情況下，隨著外界環(huán)境溫度升高或者風(fēng)速增大，由于對流換熱系數(shù)的增大，土壤中溫度也升高，當(dāng)土壤溫度高于環(huán)境溫度時結(jié)果正好相反；土壤中溫度變化明顯區(qū)域主要集中在土壤表面及近表面處，土壤較深處溫度變化不是特別明顯。土壤中濕度數(shù)值模擬的結(jié)果顯示：在蒸發(fā)條件下，土壤中的含水率會不斷減少，經(jīng)過一定時間，會出現(xiàn)干飽和土壤層，水分蒸發(fā)面從土壤表面下移，此時土壤中的濕度梯度與溫度梯度方向相反；在下雨條件下，土壤中含水率會明顯增加，土壤表面附近會接近或達到飽和狀態(tài)，由于

7、水導(dǎo)率較小，土壤較深處并不會達到飽和狀態(tài)。關(guān)鍵詞：日曬，風(fēng)吹，雨淋，模擬，土壤多孔介質(zhì)，熱質(zhì)遷移INumerical Simulation of The Process of Heat and Mass Transfer in Porous Medium SoilABSTRACT Soil is one of the most basic human production and living environment, is a typical porous media. Transfer of matter and energy transfer in natural soil is wid

8、espread, at any point in the soil mass transfer and heat (wet) migration interrelated, interaction, thus forming a soil water movement based complex heat and mass transfer system. Has the important guiding sense and the comprehensive utilization of soil of shallow buried alluvial plain of groundwate

9、r, is conducive to the promotion of comprehensive utilization of resources theory and the environment of water and soil resources plant circulating system, efficient agricultural services. In this paper, based on the soil porous media, using Workbench module of ANSYS software, the resources and ener

10、gy and material flow environment plant system are analyzed, some problems to study the thermal physics from the point of view of system, the simulation of temperature field and humidity field in soil.First of all, from the viewpoint of continuum mechanics, a physical model and a mathematical model t

11、o describe the heat and moisture transfer in soil; secondly,the experimental data and the model simulation results compared to the control,to verify the correctness of the model; finally, according to the wind, sun, rain,three, analysis of the distribution of soil moisture, heat, analysis mainly fro

12、m the following two aspects: first, under constant environmental conditions were simulated numerical analysis of non steady state, the temperature field and humidity field in soil; second, in different environmental conditions, analysis of the distribution of the soil temperature and water. Results

13、the soil temperature numerical simulation show: under certain temperature, after a certain period of time, the temperature gradient in soil tends to a constant, while maintaining the basic stability in the same soil depth in soil temperature; temperature outside temperature is higher than the lower,

14、 with the outside environment temperature or wind speed increases, the convection. Heat transfer coefficient, the soil temperature increases, when the soil temperature is higher than the ambient temperature on the contrary; temperature changes in the soil were mostly concentrated in the soil surface

15、 and near surface soil depths, temperature change is not particularly evident. The results of numerical simulation of soil moisture shows: in the condition of soil Imoisture evaporation, the ratio will continue to decrease, after a certain time, will appear dry soil layer, water evaporation from the

16、 soil surface downward, moisture gradient and temperature gradient in soil at the opposite direction; in rainy conditions, soil moisture content significantly increasing the soil near the surface,close to or reached the saturated state, because the rate of small water guide,soil depths and does not

17、reach saturation state.KEY WORDS: the sun, the wind, the rain, simulation, soil porous media, the heat and mass transferIII目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 課題研究現(xiàn)狀21.2.1 土壤中水、熱、鹽運移的研究及其相互關(guān)系31.2.2 土壤中水、熱、鹽同步運移的數(shù)學(xué)模型41.3 土壤多孔介質(zhì)簡介51.4 課題研究的主要內(nèi)容及方法71.5 本章小結(jié)82 熱質(zhì)傳遞理論92.1 傳熱的基本理論92.1.1 熱量傳遞的三種基本方式92.

18、1.2 導(dǎo)熱的基本定律102.2 傳質(zhì)的基本理論132.2.1 菲克第一定律132.2.2 菲克第二定律142.2.3 菲克定律里的穩(wěn)定擴散和非穩(wěn)定擴散142.2.4 傳質(zhì)微分方程152.3 土壤相關(guān)參數(shù)152.4 本章小結(jié)173 模型建立與模擬步驟183.1 二維熱濕模型建立183.1.1 基本假設(shè)183.1.2 物理模型建立183.1.3 數(shù)學(xué)模型及定解條件193.2 熱分析模擬步驟203.3 濕分析模擬步驟243.4 本章小結(jié)254 結(jié)果分析與討論264.1 模型驗證264.1.1 溫度場模型驗證264.1.2 濕度場模型驗證274.2 日曬時熱濕分析模擬結(jié)果284.2.1 日曬時熱分析

19、模擬結(jié)果284.2.2 日曬時濕分析模擬結(jié)果324.3 風(fēng)吹時熱濕分析模擬結(jié)果334.3.1 風(fēng)吹時熱分析模擬結(jié)果334.3.2 風(fēng)吹時濕分析模擬結(jié)果384.4 雨淋時熱濕模擬結(jié)果394.4.1 雨淋時熱分析模擬結(jié)果394.4.2 雨淋時濕分析模擬結(jié)果414.5 本章小結(jié)425 總結(jié)及展望435.1 全文總結(jié)435.2 不足之處43致 謝45參 考 文 獻46附 錄4751土壤多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過程數(shù)值模擬1 緒論 1.1 課題研究背景及意義土壤是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，而農(nóng)業(yè)是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，人民的生活極大地依賴于農(nóng)作物的產(chǎn)量。作為一個人口基數(shù)龐大，人口數(shù)量增長迅速的發(fā)展中國家，中國所擁有的 13

20、 億人口給資源、環(huán)境與經(jīng)濟的發(fā)展帶來了巨大壓力。從目前來看，盡管我國早已基本解決了糧食的自給自足，但隨著人口的增長，糧食問題仍然是擺在我們面前的一個大問題，農(nóng)業(yè)的發(fā)展仍然是影響國家社會經(jīng)濟健康發(fā)展的重要課題。而制約我國農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵問題是如何處理好農(nóng)業(yè)與環(huán)境，農(nóng)業(yè)與資源之間的關(guān)系。土壤是人類最基本的生產(chǎn)資料和生存環(huán)境之一，也是一種典型的多孔介質(zhì)。自然界土壤中物質(zhì)和能量的遷移傳遞現(xiàn)象十分普遍，土壤中任一點的熱量傳遞和物質(zhì)(濕分)運移相互關(guān)聯(lián)、相互作用，從而形成一個以土壤水運動為基礎(chǔ)的復(fù)雜的熱質(zhì)傳遞系統(tǒng)。土壤的研究對地下水埋藏較淺的沖積平原的綜合治理及利用具有重要的指導(dǎo)意義，有利于促進 SPA

21、C循環(huán)系統(tǒng)的理論研究和水土資源的綜合利用，為高效農(nóng)業(yè)服務(wù)。田間土壤水、熱、鹽運移相互影響，同步發(fā)生，其運動過程的研究相當(dāng)復(fù)雜和困難。本世紀中葉以來，國內(nèi)外學(xué)者對土壤中水、熱、鹽同步運移的有關(guān)問題做了大量研究，并從理論上發(fā)展了各種模型以描述其運動與影響因素，使本領(lǐng)域的研究有了較大的發(fā)展。地資源的匱乏和水資源的不足是制約我國農(nóng)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的不利因素，如何合理調(diào)配自然資源，增加糧食產(chǎn)量，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率是今后農(nóng)業(yè)科學(xué)以及相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域研究的重點。影響植物的生長和產(chǎn)量的環(huán)境因素主要有三類：（a）決定潛在產(chǎn)量的因素，如光照、溫度、CO2；（b）限制生產(chǎn)的因素，如水分和養(yǎng)分；（c）減緩生長的因素，如病蟲害

22、。為了進一步提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，在加大對農(nóng)作物遺產(chǎn)基因方面的研究力度，努力培育高產(chǎn)、抗病蟲害的糧食作物的同時，還應(yīng)從科技進步上下功夫，定量地研究資源和環(huán)境對植物生長的影響，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。從熱物理的角度來考慮，水分和溫度是決定作物生長狀態(tài)和產(chǎn)量的主要因素，而植物的生長環(huán)境則包括： 一是植物根系獲取水、熱、氣資源的土壤環(huán)境(地下環(huán)境); 二是作物與外界交換物質(zhì)和能量的大氣環(huán)境(地上環(huán)境)。于是，資源（Resource）、環(huán)境（Environment）和植物（Plant）構(gòu)成了一個集成系統(tǒng)（System）REPS 系統(tǒng)，如圖 1-1 所示1。在 REPS 系統(tǒng)中，資源、環(huán)境和植物之間是相互作

23、用、相互依賴的。以水資源為例：生長于不同土壤水分環(huán)境中的作物的根和冠的狀況是不同的。土壤水分充足，根系就會相對發(fā)達，植物生長茂盛，光合作用加強，產(chǎn)量就會相應(yīng)增加。同樣，如果較長時間得不到灌溉或降水的補充，蒸發(fā)會耗盡土壤表層孔隙內(nèi)的水分，在土壤表面形成一干土層（干飽和土壤層）。此時水分蒸發(fā)鋒面由土壤表面下移到土壤內(nèi)部，蒸發(fā)強度明顯降低，主要由蒸汽向空氣的擴散能力所控制，并與干飽和層的厚度有關(guān)。干飽和層使得土壤內(nèi)的熱、濕遷移規(guī)律發(fā)生較大變化，間接影響著植物根冠的生長和農(nóng)作物的產(chǎn)量。圖1-1 REPS系統(tǒng)示意圖 除此之外，隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大棚蔬菜和水果也隨處可見。但是培育大棚蔬菜和水果需要較好的環(huán)境

24、條件，因為適宜的環(huán)境條件有利于植物根系吸收土壤中的養(yǎng)分，有利于植物進行光合作用，所以環(huán)境條件也在很大程度上決定了大棚蔬菜和水果的產(chǎn)量，尤其是土壤溫度和水分，如果土壤中的溫度或者水分不合適，會大大影響植物的產(chǎn)量，甚至?xí)绊懼参锏恼ＩL。因此，為了有利于蔬菜果樹等植物的良好生長，對植物生長所需的適宜溫度和水分進行研究是很有必要的?？傊?，適宜的土壤溫度和水分不僅對自然界植物生長和自然界循環(huán)系統(tǒng)有很重要的作用，而且對大棚蔬菜水果等農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量影響也起到了決定性作用。因此，對土壤溫度和水分研究具有重要意義。1.2 課題研究現(xiàn)狀2-3土壤中水、熱、鹽運移相互影響，同步發(fā)生，其運動過程的研究相當(dāng)復(fù)雜和困難

25、.本世紀中葉以來，國內(nèi)外學(xué)者對土壤中水、熱、鹽同步運移的有關(guān)間題做了大量研究，并從理論上發(fā)展了各種模型以描述其運動與影響因素，使本領(lǐng)域的研究有了較大的發(fā)展。1.2.1 土壤中水、熱、鹽運移的研究及其相互關(guān)系（1） 、水、熱運移的研究及相互關(guān)系 在干旱、半干旱地區(qū)，溫度梯度對土壤水分運動有較大的影響。在無鹽堿化影響的土壤中，土壤中水分運動是在水、熱梯度共同作用下進行的。水分運動加速土壤中熱分子的擴散和對流；反過來，土壤中的熱運動促進水分運動的進行。 Philip等（1957）提出了一種考慮水、熱梯度共同作用下土壤水兩相流（液、汽相）運動模型，Taylor等（1964）根據(jù)不可逆熱力學(xué)理論，提出只

26、考慮水通量對熱通量計算產(chǎn)生影響作用的線性流動方程，Cassel等（1960）在實驗室中對此兩理論模型進行了驗證，認為Philip等（1957）的模型在低水分的細砂壤土中，水分通量的計算值與實測值較一致，而Taylor等（1964）模型則低估了水分運動；Jackson等（1974）在田間情況下的粘壤土中測試了Philip等理論，發(fā)現(xiàn)在中等土壤水分情況下，土壤水分通量的預(yù)測值與實測值較為一致，而在干、濕情況下，等溫模型則能更好地預(yù)測土壤水分通量。Milly等（1980）的對Philip等模型進行了改進，認為采用土壤基質(zhì)勢梯度代替含水量梯度可使該模型適用于非均質(zhì)土壤，并可忽略土壤水分滯后現(xiàn)象的影響。

27、Jury等（1979）在多種土壤中研究了熱梯度作用下水的汽相運動，認為在一般土壤含水量情況下，熱梯度引起的汽相水運動與含水量無關(guān)。 到目前為止，直接測定水分運動對溫度梯度影響的研究相對較少，而溫度梯度對土壤水分運動影響的研究較多。通過實驗室試驗，Gurr等（1952）、Taylor等（1954）發(fā)現(xiàn)，在溫度梯度影響下的密閉土柱中，土壤水分從熱端到冷端的流動主要以汽體形式發(fā)生，由于溫度梯度的影響，水分在冷端凝聚而導(dǎo)致液態(tài)水流反向運動。一般認為（Cassel等1969；Bach，1990等）土壤灌溉排水溫度梯度在中等初始水分含量時，會對土壤水分運動產(chǎn)生較大影響，但也有其它一些研究（Cary，196

28、5；Philip等，1957）認為，在濕潤或干燥土壤中，溫度梯度會對土壤水分運動產(chǎn)生較大影響。（2） 、熱與溶質(zhì)關(guān)系的研究 熱與溶質(zhì)的相互作用是通過土水勢這一媒介進行的。溫度梯度或溶質(zhì)梯度影響土水勢，從而導(dǎo)致水、熱運動，相應(yīng)地，土壤水勢梯度影響著運輸熱、鹽分子的水分運動。 上世紀末，Soret就研究了在溫度梯度影響下Naci、Kcl等水溶液中的溶質(zhì)運移問題，認為所有水溶液中，溶液濃度在溫度梯度的相反方向增加，即溶質(zhì)向高溫度方向運移。Nassar等（1992）通過計算和室內(nèi)試驗，認為這是由于試驗初期的溶質(zhì)對流通量大于分子擴散通量引起的，試驗后期的分子擴散將起主導(dǎo)作用。（3） 、水、鹽關(guān)系的研究

29、在廣大的地下水淺埋地區(qū)，土壤鹽堿化問題嚴重地阻礙著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，因此，各國學(xué)者對土壤中水鹽關(guān)系進行了較為深入和系統(tǒng)的研究。在非飽和土壤，特別是重粘土中，土壤滲透勢是土壤水分運動的重要驅(qū)動力。土壤水、鹽關(guān)系的早期研究，主要著重于水動力彌散即可溶性置換的研究，探討在土壤不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況下彌散張量與孔隙水流速之間的相互關(guān)系.Low（1955）提出了描述土壤水分在滲透勢梯度影響下的運動模型，并認為滲透勢與水力勢同等重要。1968年，Weeks等研究了土壤水、鹽在溫度梯度作用下砂壤土中的運動情況，認為此時滲透勢的影響可忽略不計，但Nassar（1989）認為穩(wěn)定流情況下，溶質(zhì)對土壤水分有明顯的影響

30、作用。1.2.2 土壤中水、熱、鹽同步運移的數(shù)學(xué)模型 由于水、熱溶質(zhì)運動的復(fù)雜性，綜合性地描述和研究土壤中水、熱、鹽運動的文獻較為少見。隨著對土壤中水、熱、溶質(zhì)運動現(xiàn)象理解和認識的進一步深入，國內(nèi)外學(xué)者從不同側(cè)面對土壤中水、熱、鹽運移問題進行了局部的理論及試驗研究。 在土壤水、熱、溶質(zhì)運動的研究中，其模型種類很多，一般可分為機理性模型、物理模擬模型及數(shù)學(xué)模型等三類。隨著土壤中水、熱、溶質(zhì)運動理論的發(fā)展和計算手段的改善，目前，在其研究中較多采用數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型又可分為宏觀模型和微觀模型。宏觀模型主要從區(qū)域平衡著手，研究某一區(qū)域中水、熱、溶質(zhì)運移間題，微觀模型利用數(shù)學(xué)手段描述土壤某質(zhì)點的水、熱、

31、溶質(zhì)運移狀況。由于數(shù)學(xué)模型能對土壤中水、熱、溶質(zhì)運移比較精確地定量性監(jiān)測，因此這類方法目前被廣泛采用。 目前，研究在基質(zhì)勢、滲透勢以及溫度共同作用下的土壤水分運動有兩種不同途徑:一種是不可逆熱力學(xué)理論（Letey，1968），此理論在濕潤土壤條件下進行了試驗驗證，在這種情況下，水分主要在基質(zhì)勢和溫度梯度的共同作用下運動；另一種途徑是基于汽體擴散運動和重力、毛細作用、吸附作用及滲透勢共同作用下的粘滯液體流動理論（Nassar等，1989），此方法在干燥土壤條件下進行了試驗驗證，結(jié)果顯示滲透勢對土壤水分運動起著與基質(zhì)勢、溫度梯度同樣重要的作用。 利用土壤中水、熱、鹽運動方程（即Darcy、Four

32、ier及Fick定律）和連續(xù)方程，Nassar（1991）提出了描述非恒溫條件下鹽堿土壤中水分瞬時運動控制方程為：水分運動： （1-1）熱運動： （1-2） 溶質(zhì)運動： （1-3） 在以上（1-1）、（1-2）、（1-3）三個偏微分控制方程中，各包含有3個依賴于土壤含水量、溫度及溶液濃度的擴散系數(shù)。土壤水分運動包括汽相及液相兩部分;熱運動包括潛熱、濕熱在內(nèi)的對流與傳導(dǎo);溶質(zhì)運移考慮了液態(tài)水運動以及分子擴散、水動力彌散、鹽篩作用和溫度梯度的影響。1.3 土壤多孔介質(zhì)簡介4土壤與含水層是環(huán)境介質(zhì)的一部分，屬于一種特殊的多孔介質(zhì)，也是環(huán)境中最復(fù)雜的介質(zhì)體系。（1） 、多孔介質(zhì)的定義通俗的說，多孔介質(zhì)

33、是指含有大量孔隙的固體（嚴格地講，這樣說還不夠完善）。這里不是研究多孔介質(zhì)本身的材料特性，而是要研究多孔介質(zhì)中熱質(zhì)的遷移規(guī)律，即傳熱傳質(zhì)問題。對于本課題而言，重點研究土壤中的溫度分布和水分遷移規(guī)律。流體在多孔介質(zhì)中的流動稱為滲流。因此，這里從滲流角度來定義多孔介質(zhì)，需要規(guī)定從多孔介質(zhì)的一側(cè)到另一側(cè)有若干連續(xù)的通道，并且孔隙和通道在整個多孔介質(zhì)中廣泛地分布，即多孔介質(zhì)中孔隙相互連通，并且廣泛分布。概括的說，多孔介質(zhì)可定義為：多孔介質(zhì)不是單獨存在的，而是處于多相物質(zhì)（固、液、氣）之中，且占據(jù)多相物質(zhì)的一部分空間。在多相物質(zhì)中至少有一相不是固體，如氣體或液體。固體相稱為固體骨架，在多孔介質(zhì)范圍內(nèi)沒有

34、固體骨架的那一部分稱為孔隙空間或空隙空間。在孔隙空間中存在氣相和（或）液相。這說明多孔介質(zhì)是由固體和液體組成的多相體系。在多孔介質(zhì)所占據(jù)的范圍內(nèi)，固體遍及整個多孔介質(zhì)。在每一個表征體元內(nèi)，必須存在固體顆粒，且固體顆粒的比表面積比較大，空隙比較狹窄，由此決定了流體在多孔介質(zhì)中的流動性狀，這說明多孔介質(zhì)的通道狹窄，其中的流體運動狀態(tài)為層流。至少構(gòu)成空隙空間的某些空洞應(yīng)當(dāng)相互連通，以保證流體通過。我們把相互連通的空隙空間稱為有效空間，這說明多孔介質(zhì)具有允許流體通過的連通通道。（2） 、多孔介質(zhì)的孔隙性多孔介質(zhì)是指“帶有孔洞的固體”，所以它具有孔隙性。在工程上常采用孔隙率n和孔隙比e來表示。孔隙率（度

35、）是指孔隙的體積Uv與多孔介質(zhì)總體積U（包括孔隙體積和固體顆粒所占地體積）之比，即 （1-4）空隙比是指孔隙的體積Uv與固體顆粒體積Us之比，即 （1-5）孔隙率和孔隙比大小取決于多孔介質(zhì)中骨架的粒徑分布。此外，還與土壤顆粒的組成、不均勻系數(shù)、顆粒11的排列形狀以及多孔介質(zhì)中的固結(jié)物質(zhì)、沉積環(huán)境等有關(guān)。（3） 、多孔介質(zhì)的壓縮性多孔介質(zhì)的壓縮性可以用多孔介質(zhì)的壓縮性系數(shù)表示。設(shè)作用在多孔介質(zhì)的壓強為p，如果壓強增加，就會引起多孔介質(zhì)的壓縮，即有 （1-6）式中：為多孔介質(zhì)壓縮系數(shù)；U為多孔介質(zhì)中所取得單元總體積（表征體元），U = US + UV ；US為單元體中固體骨架體積；UV為單元體中孔

36、隙體積。則 （1-7）式中：；。將式（1-7）待人式（1-6）后，得 （1-8）令 （1-9） （1-10）則有 （1-11）式中：s為骨架的壓縮系數(shù)，表示固體顆粒的壓縮性；p為孔隙的壓縮系數(shù)，表示孔隙的壓縮性。固體骨架本身的壓縮性遠遠小于孔隙的壓縮性，即（1-n）snp，故有 （1-12）1.4 課題研究的主要內(nèi)容及方法 在自然條件下，土壤主要受到日曬、風(fēng)吹、雨淋等因數(shù)的影響，故對土壤中溫度模擬主要分以下三個方面來模擬：（1）、日曬（即輻射） 由于日曬時，因輻射作用土壤中的溫度會發(fā)生變化，因蒸發(fā)作用土壤濕度會發(fā)生變化，可以從以下3個方面進行，其中（a）、（b）是模擬溫度場，（c）是模擬濕度場

37、： （a）、在不同氣溫下，經(jīng)過足夠長的時間（直到土壤溫度趨于穩(wěn)定），模擬土壤中的溫度分布，繪制曲線圖在同一個坐標(biāo)系中，觀察不同氣溫下土壤溫度分布，進行比較；從曲線圖中可以得知兩方面的信息：第一：同一溫度下土壤不同深度的溫度分布；第二：不同溫度下同一深度的分布情況。（b）、在同一氣溫下，經(jīng)過不同時間（比如：6h、12h、18h、24h、），模擬出土壤溫度分布，繪制曲線圖在同一個坐標(biāo)系中進行比較；從曲線圖中可以得知兩方面的信息：第一：經(jīng)過同一時間土壤不同深度溫度分布；第二：經(jīng)過不同時間土壤中同一深度的溫度情況。（c）、在以日曬為主條件下，經(jīng)過不同時間的蒸發(fā)，模擬出土壤中含水率的分布，并繪制相應(yīng)的含

38、水率曲線圖，得出一些規(guī)律。（2） 、風(fēng)吹（即對流） 由于風(fēng)吹時，因?qū)α鲹Q熱土壤溫度會發(fā)生變化，因?qū)α鱾髻|(zhì)土壤濕度也會發(fā)生變化，可以從以下3個方面進行，其中（a）、（b）是模擬溫度場，（c）是模擬濕度場： （a）、在不同對流傳熱系數(shù)下，經(jīng)過足夠長的時間（直到土壤溫度趨于穩(wěn)定），模擬土壤中的溫度分布，繪制曲線圖在同一個坐標(biāo)系中，觀察不同氣溫下土壤溫度分布，進行比較；從曲線圖中可以得知兩方面的信息：第一：同一對流傳熱系數(shù)下土壤不同深度的溫度分布；第二：不同對流傳熱系數(shù)下同一深度的溫度分布情況。（b）、在同一對流傳熱系數(shù)下，經(jīng)過不同時間（比如：6h、12h、18h、24h、），模擬出土壤溫度分布，繪制

39、曲線圖在同一個坐標(biāo)系中進行比較；從曲線圖中可以得知兩方面的信息：第一：經(jīng)過同一對流傳熱系數(shù)土壤不同深度溫度分布；第二：經(jīng)過不同時間土壤中同一深度的溫度情況。（c）、在以對流傳質(zhì)為主的條件下，經(jīng)過不同時間的對流傳質(zhì)，模擬出土壤中含水率的分布，并繪制相應(yīng)的含水率曲線圖，得出一些規(guī)律。（3）、雨淋在雨淋是，土壤以濕度變化為主，但溫度也會發(fā)生變化，主要從以下兩個方面來模擬土壤溫度場和濕度場，其中（a）是模擬溫度場，（b）是模擬濕度場： （a）、下雨時，土壤溫度變化主要以對流換熱為主，故可以模擬出一定條件下土壤溫度的分布情況；（b）、下雨時，土壤表面會有大量的的水分往土壤中滲透，可以模擬出經(jīng)過不同時間后

40、，土壤中的濕度分布。1.5 本章小結(jié)本章主要介紹了課題的研究意義及土壤熱質(zhì)傳遞國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了土壤多孔介質(zhì)的相關(guān)知識，并且提出了自己對本課題研究的主要內(nèi)容及方法，即主要從日曬、風(fēng)吹、雨淋這三個方面對土壤中熱濕分析進行模擬。2 熱質(zhì)傳遞理論2.1 傳熱的基本理論52.1.1 熱量傳遞的三種基本方式（1） 、熱傳導(dǎo)設(shè)無限大平壁，厚度為，兩側(cè)的表面積均為A，兩側(cè)表面分別維持均勻的溫度Tw1和Tw2，且Tw1 > Tw2。實踐表明，單位時間內(nèi)從表面1傳導(dǎo)到表面2的熱量與兩側(cè)溫度差Tw1 - Tw2及垂直于熱流方向的面積A成正比，與平壁的厚度成反比，即 （2-1） 式中，比例系數(shù)稱為熱導(dǎo)率或

41、者導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·K），是表征材料導(dǎo)熱能力的物理量。單位時間內(nèi)通過某一給定面積的熱量稱為熱流量，記為，單位為W。單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量稱為熱流密度（或面積熱流量），記為，單位為W/m2，于是式（2-1）寫成熱流密度的表示式為 （2-2）（2） 、熱對流 對流換熱的基本公式計算是牛頓冷卻公式，即 （2-3）或 （2-4）式中，為流體與換熱面間的溫差。工程上去為正值，因此，流體被加熱（Tw> Tf ）時，取Tw - Tf；流體被冷卻（Tw < Tf）時，取Tf - Tw。式中比例系數(shù)h稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為W/（m2·K）。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表示了對流換

42、熱能力的大小。在自然對流換熱過程中，空氣的對流換熱系數(shù)一般在1至10W/（m2·K）之間。（3）、熱輻射黑體在單位時間內(nèi)發(fā)出的熱輻射由斯忒潘-玻耳茲曼定律（又稱四次方定律）揭示，即 （2-5）式中 A為輻射面積（m2）； T為黑度表面的熱力學(xué)溫度（K）； 為斯忒潘-玻耳茲曼常量，即黑體輻射常量，其值為5.67×10-8W/（m2·K4）。一切實際物體的輻射能力要低于同溫度下的黑體的輻射能力，其輻射熱流量的計算總可以采用斯忒潘-玻耳茲曼定律的經(jīng)驗修正公式，即 （2-6）式中，稱為該物體的發(fā)射率（習(xí)慣上稱為黑度），其值總小于1，表示物體輻射能力接近黑度輻射能力的強度。

43、物體不斷向周圍的空間發(fā)出熱輻射能，并被周圍的物體吸收。同時，物體也接收周圍物體輻射給它的熱量。這樣，物體發(fā)出和接收的綜合結(jié)果產(chǎn)生了物體間通過熱輻射而進行 的熱量傳遞，即輻射熱量。它們之間的輻射熱量為 （2-7）2.1.2 導(dǎo)熱的基本定律（1） 、溫度場和溫度梯度物體內(nèi)部產(chǎn)生導(dǎo)熱的起因在于物體各部分之間具有的溫度差，所以研究導(dǎo)熱必然涉及物體的溫度分布。在某一瞬間時，物體內(nèi)各點的溫度分布稱為溫度場。在一般情況下，溫度是空間坐標(biāo)（x，y，z）和時間（t）的函數(shù)，即 （2-8）隨著時間而變動的溫度場稱為非穩(wěn)態(tài)溫度場，在非穩(wěn)態(tài)溫度場中發(fā)生的導(dǎo)熱稱為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。各點溫度不隨時間變動的溫度場稱為穩(wěn)態(tài)溫度場。

44、在穩(wěn)態(tài)溫度場中發(fā)生的導(dǎo)熱稱為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。一維穩(wěn)態(tài)溫度場具有最簡單的數(shù)學(xué)形式，即 （2-9）在同一瞬間時，物體內(nèi)溫度相同的各點所連成的面（或線）稱為等溫面（或等溫線）。由于物體內(nèi)同一點上不可能同時具有兩個不同的溫度，所以溫度不同的等溫面（線）絕對不會相交。觀察一物體內(nèi)溫度為及的兩個不同溫度的等溫面（如圖2-1所示），沿等溫面法線方向上的溫度增量與法線距離比值的極限稱為溫度梯度，用符號grad表示，則 （2-10）式中，表示單位法向矢量。溫度梯度是個矢量，它的方向總是朝著溫度增加的方向。（2） 、傅里葉定律導(dǎo)熱基本定律傅里葉歸納了無數(shù)實驗研究的結(jié)果，提出了導(dǎo)熱的基本定律：單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量

45、（即熱流密度q）正比于該處的溫度梯度，即 （2-11）式（2-11）為傅里葉定律的數(shù)學(xué)表達式，式中負號表示熱流密度的方向永遠指向溫度降低的方向，寫成標(biāo)量的形式為 （2-12） 圖2-1 溫度梯度與熱流 圖2-2 導(dǎo)熱微元體 2.1.3 導(dǎo)熱微分方程及定解條件（1）、導(dǎo)熱微分方程傅里葉定律揭示了導(dǎo)熱量與溫度梯度的關(guān)系。從式（2-11）和（2-12）可知，求解導(dǎo)熱問題的關(guān)鍵在于確定溫度梯度，要確定溫度梯度，必須首先求解導(dǎo)熱體內(nèi)的溫度分布溫度場。因此，必須建立一個能全面描述導(dǎo)熱問題溫度場的表達式，亦即導(dǎo)熱微分方程，然后結(jié)合具體的單值性條件求解方程，便可得出待定條件下的溫度分布，即導(dǎo)熱微分方程是以傅里

46、葉定律和能量守恒定律為基礎(chǔ)推導(dǎo)得出的。所選的坐標(biāo)系不同，得出的微分方程式也不同，下面討論直角坐標(biāo)系中的情況，為突出主要矛盾，假設(shè)材料各向同性。在進行導(dǎo)熱過程的物體內(nèi)選取邊長為dx、dy、dz的微元體，如圖2-2所示。對于對非穩(wěn)態(tài)及有熱源的問題，根據(jù)能量守恒定律，熱平衡方程式應(yīng)該是：導(dǎo)入微元體的總熱量+微元體內(nèi)熱源的生成熱-導(dǎo)出微元體的總熱流量=微元體熱力學(xué)能的增量 （2-13） 任意方向的熱流量總可以分解為x、y、z三個坐標(biāo)軸方向的分熱流量。導(dǎo)入微元體的熱流量，根據(jù)傅里葉定律可以直接寫出，即 （2-14）導(dǎo)出微元體的熱流量亦可以按照傅里葉定律寫出，即 （2-15）單位時間內(nèi)微元體熱力學(xué)能的增量

47、 （2-16）式中，為密度；為比熱容；為時間。設(shè)單位時間內(nèi)單位體積重的生成熱為（例如電源元件發(fā)出的熱量），單位為W/m3，則有 單位時間內(nèi)微元體內(nèi)熱源的生成熱 （2-17）假定、都是常量。將式（2-14）至式（2-17）代入（2-13）可得 （2-18）式中，/（c）= a 稱為熱擴散率，單位為m2/s，是一個物性參數(shù)。熱導(dǎo)率越大且單位容積的熱容量越?。ū旧硇顭峄蚍艧岬哪芰υ叫。┑牟牧?，擴散熱量的能力越大，熱擴散率也越大。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中，熱擴散系數(shù)大的材料溫度變化快，或整塊材料溫度比較均勻，所以熱擴散率又稱為導(dǎo)溫系數(shù)，是表征物體內(nèi)部溫度趨于均勻一致能力的物理量。上述導(dǎo)熱微分方程式（2-18）

48、是對常物性導(dǎo)熱問題普遍適用的導(dǎo)熱微分方程。當(dāng)無內(nèi)熱源時，方程式可以簡化為 （2-19）當(dāng)既無內(nèi)熱源又為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時，方程式又可以簡化為 （2-20）（2） 、定解問題對于上述方程式（2-18）或（2-19）或（2-20）求解，通過數(shù)學(xué)方法都可以獲得方程式的通解，而要獲得特定情況下導(dǎo)熱問題的唯一解就必須附加限制條件。這些限制條件稱為定解條件，它可以分為初始條件和邊界條件。導(dǎo)熱微分方程式連同定解條件，才能完整描述一個具體的導(dǎo)熱問題。初始條件：給定初始時刻的溫度分布。邊界條件：給出物體邊界上的溫度或換熱情況。邊界條件可以分為三類： 第一類邊界條件。給定邊界上的溫度值。這類邊界條件要求給出以下關(guān)系式 時

49、， （2-21）最簡單的例子是邊界溫度為常數(shù)，即Tw = 常數(shù)。第二類邊界條件。給定邊界上的熱流密度值。這類邊界條件要求給出以下關(guān)系式 時， （2-22）最簡單的例子是邊界上的熱流密度值保持定值。即qw = 常數(shù)。第三邊界條件。給定邊界上物體與周圍流體間的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h及周圍流體的溫度Tf。第三類邊界條件為 （2-23）式中，已知流體溫度和邊界面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而邊界面的溫度和溫度變化率都是未知的。2.2 傳質(zhì)的基本理論6菲克定律是對物質(zhì)分子擴散現(xiàn)象基本規(guī)律的描述。它與描述熱傳導(dǎo)規(guī)律的傅里葉定律以及描述粘性流體內(nèi)摩擦（滯流流體中的動量傳遞）規(guī)律的牛頓粘性定律在表達式上有共同的特點，因為它們都是描述某種傳遞現(xiàn)象的方程。但是應(yīng)注意，熱量與動量并不單獨占有任何空間，而物質(zhì)本身卻是要占據(jù)一定空間的，這就使得物質(zhì)傳遞現(xiàn)象較其他兩種傳遞更為復(fù)雜。2.2.1 菲克第一定律早在1855年，菲克就提出了：在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質(zhì)流量，稱為擴散通量，用J表示，與該截面處的濃度梯度成正比，也就是說，濃度梯度越大，擴散通量越大。這