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土壤中的相变传热传质研究及植物根系生长的仿真模拟

刘炳成  
【摘要】:本文将多孔介质的流动和热质传输理论应用于农业工程领域中,对资源-环境-植物系统(REPS)中的能量流和物质流进行了全面分析,从系统的角度来研究其中的几个热物理问题,如恒定环境条件和自然环境下湿分分层土壤中的热湿迁移规律,温度及温度梯度对土壤湿分运移的影响,根际土壤中水、热、盐耦合运移规律等。另外,还对植物根系生长分别进行了二维仿生模拟和三维可视化仿真。 从连续介质力学的观点,采用局部体积平均法,建立了描述湿分分层土壤中热湿迁移的数学模型,分析了湿分分层土壤中水、热、气的迁移机理;并在恒定环境条件下进行了稳态与非稳态的数值计算,得到了湿分分层土壤中的温度场、湿度场以及内部蒸发量场,分析了干饱和层对土壤内部热湿迁移规律的影响。数值模拟的结果显示:出现干饱和土壤层后,水分蒸发锋面从土壤表面下移至干饱和层与非饱和土壤层界面处,水分蒸发强度明显降低,土壤温度显著升高,干饱和层厚度增长缓慢。 数值模拟了自然环境下湿分分层土壤中的热、湿迁移规律和水分蒸发的动态特性,并进行了相应的实验测量。在周期性变化的气温和太阳辐射作用下,土壤温度和水分蒸发量亦呈现出以日为周期的变化规律,随着深度的增加,土壤温度的波幅迅速衰减,土壤温度变化呈现出明显的滞后性,且温度梯度方向昼夜相反。受其影响:土壤水分含量在夜间会出现略有增加的现象;土壤内部的水分蒸发和冷凝在一天内交替发生,并且随着温度梯度的增大,水分的蒸发和冷凝明显加剧。随着干饱和层不断向土壤深处发展,水分蒸发强度逐渐降低,土壤温度明显升高。计算结果与实验数据相比较,发现二者具有较好的一致性,从而说明本文发展的理论模型具有较高的可靠性。 基于非平衡态热力学理论并考虑Soret 效应,对非饱和土壤中水分运移的温度效应进行了机理分析,改进了非饱和土壤中热、湿传递的数学模型并进行了数值模拟和实验研究,分析了温度及温度梯度对液态水迁移和蒸汽扩散的影响。结果表明:温度对土壤水含量的影响显著,而温度梯度对水蒸气扩散的作用显著。 在根际土壤内部热湿迁移中,植物根系构型是影响土壤内部各物理量场的一个重要因素。本文以实际冬小麦根系生长试验的观测值为限制性条件,从生命进化的观念出发,把水分含量、水分梯度和温度分布以及土壤肥力、通气性等土壤环境因素作为 WP=4 影响植物根系生长的环境因子,建立根系生长准则,结合非饱和多孔介质中传热传质的数学模型,对不同生长期的冬小麦根系生长进行了二维仿生模拟。基于这一根系分布,数值模拟了根际土壤内的热、湿迁移过程,并与裸土床进行了比较。 根据冬小麦根系分布的试验测量参数与生长规律,综合考虑根系生长的生理生态模型和虚拟植物模型,构造了描述小麦根系生长的动态模型。在已建立的根系生长模型基础上,运用分形几何理论与计算机图形学技术,结合Visual C++.NET和OpenGL三维图形库语言开发了冬小麦根系形态的计算机模拟软件,对耕作土壤环境下冬小麦根系构型进行了三维仿真模拟,进而真实再现了冬小麦地下根系部分的动态生长过程。 分析了盐分在土壤中的动态迁移特征及其影响因素,综合运用多孔介质热、质传递理论,考虑温度效应对土壤湿分迁移的影响以及不动水体与盐分吸附或解吸作用,建立了全面描述土壤中水、热、盐耦合运移的数学模型并进行相应的数值研究,获得土壤中水、热、盐的动态迁移特性,探讨了土壤质地对盐分运移的影响,以期为土壤次生盐渍化的防治提供有效的理论指导。 本文研究接受国家自然科学基金资助: (1) REPS系统中的热物理问题研究(No.59976010) (2) 土壤次生盐渍化过程的机理研究和模型预报(No.50376015)


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