基于水—汽—热耦合作用的裸露地表土体蒸发过程研究
发布时间：2022-07-03 17:54
地面蒸发过程是陆地（岩）土体与外界大气发生质量、热量交换的过程,也是地球水文循环的一个重要组成部分。大约35～40%的降雨量流入河流或渗入地下,剩余的降雨量均蒸发进入大气层,陆地年平均蒸发量大约是0.5m/y。蒸发对地表能量平衡产生重要影响,超过一半的地表净辐射量是消耗于地面蒸发。地面蒸发直接影响地面与大气之间的水循环及土壤水分时空重分布,从而间接影响当地气候条件、地表水径流总量、地下水损失及当地农业用水资源管理政策等。本文针对气候因素作用下蒸发过程中土体水-汽-热运移传输耦合问题,主要对土体内蒸发面动态发展模式展开研究;考虑土体孔隙气体的多种运移机制,重点分析水蒸气弥散运移规律及机理;考虑土体孔隙液态水非平衡相变情况,探讨非平衡相变下土体蒸发过程特点及相变率变化规律;建立大气层自由流与多孔介质土体两相流耦合模型,研究主要气候因素、土体参数、界面条件对土体蒸发过程的影响规律及机理。本文的主要研究内容如下:（1）基于土体中水-汽-热耦合模型,分析在外界气候因素昼夜波动下土体蒸发过程中水、汽、热时空分布规律及蒸发面动态发展模式,在此基础上提出两种蒸发面发展模式判别方法,结合蒸发特征长度理论...
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景、意义及目的
1.1.1 研究背景、意义
1.1.2 研究目标
1.2 国内外研究现状
1.2.1 多孔介质水汽热耦合模型
1.2.2 大气单相自由流-多孔介质二相流耦合模型
1.2.3 土体蒸发过程动态发展
1.2.4 数值模拟软件
1.3 研究内容和创新点
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 技术路线
1.3.3 主要创新点
2 大气蒸发作用下土体水-汽-热传输机理研究
2.1 COMSOL数值软件简介
2.2 数学模型
2.2.1 质量连续方程
2.2.2 能量守恒方程
2.3 模型参数、初始及边界条件
2.4 模拟结果分析
2.4.1 土体蒸发面发展规律
2.4.2 土体含水率及基质势
2.4.3 土体温度及地表能量
2.4.4 蒸发过程
2.5 分析讨论
2.5.1 蒸发面发展方式
2.5.2 蒸发特征长度
2.6 本章小结
3 基于水-汽-热两相流的土体中水蒸气弥散作用机理研究
3.1 理论方程
3.1.1 连续性方程
3.1.2 达西定律
3.1.3 能量守恒方程
3.1.4 方程主变量
3.1.5 边界条件、初始条件
3.2 方程参数确定
3.2.1 气相、液相密度
3.2.2 相对渗透系数、动力粘滞系数
3.2.3 土体中气相扩散、弥散系数
3.2.4 土水特征曲线
3.2.5 分子含量
3.2.6 比焓、比内能与土体有效导热系数
3.3 水蒸气质量弥散机理分析
3.3.1 弥散与扩散系数
3.3.2 水分通量变化规律
3.3.3 弥散作用机理
3.4 本章小结
4 两相流中液汽非平衡相变规律及机理研究
4.1 基本数学方程
4.1.1 物理场方程
4.1.2 非平衡相变率公式
4.2 数值模拟方法及边界条件
4.3 模拟结果及讨论
4.3.1 非平衡相变与平衡相变的结果比较分析
4.3.2 非平衡相变模型相变率分析
4.3.3 相变率经验系数B
4.4 本章小结
5 基于自由流—两相流耦合模型的蒸发过程分析
5.1 外界大气层的基本方程
5.2 界面耦合条件
5.2.1 力学平衡
5.2.2 热平衡
5.2.3 化学平衡
5.3 数值模型建立
5.3.1 主要变量的确定
5.3.2 边界条件
5.3.3 初始条件
5.4 结果分析
5.4.1 水-汽-热分布规律
5.4.2 各种因素的影响结果分析
5.5 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
致谢
参考文献
附录 A 主要符号意义与单位
攻读学位期间研究成果
本文编号：3655370
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景、意义及目的
1.1.1 研究背景、意义
1.1.2 研究目标
1.2 国内外研究现状
1.2.1 多孔介质水汽热耦合模型
1.2.2 大气单相自由流-多孔介质二相流耦合模型
1.2.3 土体蒸发过程动态发展
1.2.4 数值模拟软件
1.3 研究内容和创新点
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 技术路线
1.3.3 主要创新点
2 大气蒸发作用下土体水-汽-热传输机理研究
2.1 COMSOL数值软件简介
2.2 数学模型
2.2.1 质量连续方程
2.2.2 能量守恒方程
2.3 模型参数、初始及边界条件
2.4 模拟结果分析
2.4.1 土体蒸发面发展规律
2.4.2 土体含水率及基质势
2.4.3 土体温度及地表能量
2.4.4 蒸发过程
2.5 分析讨论
2.5.1 蒸发面发展方式
2.5.2 蒸发特征长度
2.6 本章小结
3 基于水-汽-热两相流的土体中水蒸气弥散作用机理研究
3.1 理论方程
3.1.1 连续性方程
3.1.2 达西定律
3.1.3 能量守恒方程
3.1.4 方程主变量
3.1.5 边界条件、初始条件
3.2 方程参数确定
3.2.1 气相、液相密度
3.2.2 相对渗透系数、动力粘滞系数
3.2.3 土体中气相扩散、弥散系数
3.2.4 土水特征曲线
3.2.5 分子含量
3.2.6 比焓、比内能与土体有效导热系数
3.3 水蒸气质量弥散机理分析
3.3.1 弥散与扩散系数
3.3.2 水分通量变化规律
3.3.3 弥散作用机理
3.4 本章小结
4 两相流中液汽非平衡相变规律及机理研究
4.1 基本数学方程
4.1.1 物理场方程
4.1.2 非平衡相变率公式
4.2 数值模拟方法及边界条件
4.3 模拟结果及讨论
4.3.1 非平衡相变与平衡相变的结果比较分析
4.3.2 非平衡相变模型相变率分析
4.3.3 相变率经验系数B
4.4 本章小结
5 基于自由流—两相流耦合模型的蒸发过程分析
5.1 外界大气层的基本方程
5.2 界面耦合条件
5.2.1 力学平衡
5.2.2 热平衡
5.2.3 化学平衡
5.3 数值模型建立
5.3.1 主要变量的确定
5.3.2 边界条件
5.3.3 初始条件
5.4 结果分析
5.4.1 水-汽-热分布规律
5.4.2 各种因素的影响结果分析
5.5 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
致谢
参考文献
附录 A 主要符号意义与单位
攻读学位期间研究成果
本文编号：3655370
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/dqwllw/3655370.html
