非饱和土壤一维热湿耦合传递模型与实验研究

发布时间：2020-10-25 08:16

　　土壤作为一种重要的自然资源,在能源利用方面一直被广泛关注,如地源热泵、地热的存储和利用等。并且由于其本身多孔、多相的复杂结构使其在很多领域都具有重要的研究意义,如热力管道的地下输送、农田水利方面、核工业和地热工业等。本文首先综述分析了国内外研究的发展历史及其成果,从20世纪初人们便开始对土壤等多孔介质的传热传湿规律进行研究,在这期不断的对其运行机理和数学模型进行探索和归正。但是究其本身的复杂性和微观性,在此方面的研究仍未盖棺定论,其内部运行机制也未清晰明了,尤其在针对性的实验分析验证上还较少。因此,本文在前人的研究成果上,分析了几种在发展历程中较为成熟的数学模型,并根据其研究发展的趋势和优化,最终采取更为合理的三场模型,即热-水-力三场耦合,此模型是在热湿两场耦合的基础上发展起来的。并搭建了一维非饱和土壤热湿传递实验台,针对不同的初始含水量和不同的温度梯度研究了10种工况的传热传湿规律,分析了实验结果,并根据数学模型进行仿真模拟,对实验结果进行验证。根据初始含水量的不同可将本文的实验工况分为4组,即9.2%、13.5%、16.5%和含水较为高的22.8%。而在相同的初始含水量的条件下,又分别设定了不同的温度梯度,按照从低温到高温的等级梯度研究其热湿传递规律。土壤的温度随时间逐渐增长,但是增长的幅度却随着距热源距离的增加呈现反函数降低趋势,指数系数的大小决定了温度增幅随距离降低的快慢程度。湿度场则会出现峰值现象,且峰值在不断增长,由于此过程中土壤水分在往远热源端迁移,此峰值也在不断后移,但其速率在随着水分迁移速率的减慢而减缓。之后分析了不同初始含水量对温湿度场的影响,发现初始含水量越高温度增幅越大,湿度峰值也出现的越早。最后以热湿耦合传递的数学模型为基础在MATLAB平台上编写程序进行了仿真模拟,并将结果与实验值进行了对比,得到的误差在较小范围内,从而证明了该模型的准确性,并在此模型的基础上研究了土壤饱和导水率对水分迁移的影响。
【学位单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S152
【部分图文】：

土壤三相,系统图解

自然风化后形成的疏松状物质，是矿物和有机。其内部包含着大小形状及排列不同的固体土气体，共同构成了一个各向异性的、多相的、固相颗粒对土壤本身的结构、渗透性、热力及物颗粒在土壤中的比例，基本上分为四大类：占土壤总量的比例，土壤又可分为砂土，壤土液、气三相在土壤中是共同存在的，当土壤内时对这三者产生一定的影响，因此不能将其进的定量关系，我们将其示意成独立的单元。

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