土壤颗粒的分形特征及其应用

本文应用土壤颗粒的质量分布原理来描述土壤颗粒的分形特征。通过对10种土壤颗粒的机械组成进行分析,分别计算出它们的分形维数（D=2.489～2.896）,并分析了其与土壤质地之间的关系。同时对土壤颗粒分形维数与所对应土壤的幂函数型水分特征曲线的拟合分形维数进行比较分析,建立了二者之间的相关关系。结果表明:分形维数的大小反映了土壤质地中粘粒、粉粒和砂粒含量的变化,随粘粒含量的增多分形维数增大,随砂粒含量的增多分形维数减小;同时土壤颗粒分形维数与所对应的水分特征曲线的拟合分形维数呈现出良好的一致性,因而对所研究的土壤而言,可应用土壤颗粒的质量分形维数结合幂函数模型来估算土壤水分特性曲线。     

风干白鲢的热风干燥模型及内部水分扩散特性（简报）

白鲢(Hypophthalmichthyx mortitrix)鱼块经腌制后,用热风干燥制成风干鱼,研究鱼块干燥曲线及内部水分扩散特性,为风干白鲢的工业化生产提供理论参数.结果表明,提高热风温度和风速能明显加快鱼块的干燥速率、缩短干燥时间.基于Fick扩散定律建立的风干白鲢的干燥模型具有较高的拟合精度.干燥过程中鱼块的有效水分扩散系数随含水率的降低先减小后增大,随热风温度和风速的提高而增大.平均有效水分扩散系数为1.3×10-11-4.3×10-11m2/s.     

基于去趋势波动分析法的土壤含水量变化特性研究

为探讨栾城站农田土壤含水量的长期演变规律和机理。运用去趋势波动分析法,对栾城站2002—2008年土壤含水量时间序列进行了分析,得到了土壤含水量长期演变规律的参数标度指数,探讨了不同层次含水量序列的长程相关性及其内在的演变规律,并用分形维数定量描述了土壤含水量动态变化过程的分形特征。结果表明:不同层次序列的标度指数均大于0.5,即序列具有长程相关性,含水量变化存在着趋势性成分。随着深度的增加,标度指数逐渐增大,揭示了含水量变化的长程相关性越来越强;另一方面,随着深度的增加,分形维数逐渐减小,表征了含水量的波动幅度越来越稳定,这也与实际相符。     

茄子片热风干燥收缩特性及其修正的湿分扩散动力学模型

为了研究收缩特性对切片果蔬对流干燥过程水分有效扩散系数的影响,以切片茄子作为研究对象,结合密度分析、扫描电镜分析、压汞测试等方法,分析了热风干燥过程切片茄子内孔容积、孔隙结构及体积的收缩变化规律,建立了考虑其收缩特性的水分扩散动力学模型,并分析了干燥收缩行为对切片茄子干燥动力学的影响。研究结果表明,热风干燥过程切片茄子内孔容积随水分比的减小近似呈线性降低趋势,不同热风干燥温度对其降低趋势影响不大;干燥初期切片茄子孔隙以105nm以上的大孔为主,干燥过程孔隙收缩导致105nm以上的大孔孔隙逐渐消失,105nm以下的中小孔隙比例逐渐增加,峰值孔径也从约1.5×105nm减小至4×104nm;Hatamipour及Quadratic收缩方程均能较好地描述切片茄子热风干燥过程中的体积收缩特性;考虑切片茄子体积收缩对干燥传质过程的影响,采用Quadratic收缩方程对基于Fick第二定律的扩散模型修正后,切片茄子干燥过程水分有效扩散系数明显降低,表观活化能由20.69 k J/mol增大至25.76 k J/mol,表明干燥过程中的收缩导致水分扩散内部阻力增大。因此,水分有效扩散系数在不考虑干燥收缩对动力学影响时将被明显高估。该研究结果能为更客观地评价可变形多孔物料的干燥特性、优化其干燥工艺提供参考。     

沙漠非饱和风沙土壤水分特征曲线预测的分形模型

应用VanGenuchten提出的土壤水分特征曲线公式,推导出了沙漠风沙非饱和土壤水分特征曲线的分形模型。通过对古尔班通古特沙漠地9种不同土壤样本利用中子水分仪和负压计实测的水分特征曲线资料反求得到相应的分形维数,分析了分形维数与土壤质地之间的关系,结果表明随着土壤质地从流动风沙土、半固定风沙土到固定风沙土的变化,其分形维数呈逐渐增大。此外,基于土壤颗粒的重量与粒径分布求出了古尔班通古特沙漠地风沙土壤粒径的分形维数。通过对土壤水分特征曲线的分形维数与土壤粒径的分形维数的对比,得知它们之间存在着良好的线性关系。根据此关系,利用易测得的土壤粒径分形维数结合所推导的分形模型,对土壤水分特征曲线进行了预测,模型的预测结果很好地吻合了实测的土壤水分特征曲线。这一结果对于实际工作中根据风沙土壤颗粒大小分布的分形维数来预测沙漠风沙土壤水分特征曲线具有一定的指导意义。     

基于GIS与RS的大理河流域植被格局分形维数时空变化特征

为掌握大理河流域植被格局时间和空间分布特征,构建了基于分形布朗运动理论的流域植被格局量化模型。该文利用自1990年至2006年共计5期TM/ETM影像为基础信息源,在ARCGIS平台下计算得到大理河流域各时相的像元归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI),建立了流域像元尺度的栅格结构数字植被模型(digital vegetation model,DVM),并逐个计算得到各子流域植被格局分形维数。结果显示分形维数都大于2.5,介于2.7311~2.8499之间,各下一级子流域植被覆盖分形维数的大小都没有超过其所在的更大流域的分形维数。植被格局分形维数(fractional brownian motion,FBM)从下游到上游随着离出口点距离的增大而逐渐变小,植被格局自下游到上游逐渐趋于破碎复杂。各子流域从1990年至2006年植被格局分形维数基本随着时间的变化呈现了先减小后增大的趋势。该文建立的流域植被格局分形量化模型在综合量化流域植被格局破碎程度等方面具有一定的优越性。     

红外联合热风干燥白萝卜片的耦合建模与热质传递分析

为寻求红外联合热风干燥过程中物料内部热量传递的物理解释,克服水分输运现象不能直观获取的问题,该研究建立白萝卜片红外联合热风干燥过程中水分和温度分布的数值模型。考虑到干燥过程中物料扩散系数动态变化,对实现精准模拟产生干扰,该研究对比考虑温度、收缩相关扩散系数两种方式下单独热风干燥及红外联合热风干燥过程中的热质传递情况并进行试验验证。考虑到二维轴对称几何结构,采用COMSOL Multiphysics 5.2a对该系统的传热传质模型进行求解。结果表明：基于收缩相关有效扩散系数能够准确描述白萝卜片在单独热风及联合干燥过程中的热质传递情况, 单独热风和红外联合热风干燥模拟值与试验值的决定系数（R2）分别为0.893和0.911。红外辐射是影响传热传质速率的主导因素。具体表现为恒定干燥温度60 ℃条件下,红外联合热风干燥比单独热风干燥物料至安全含水率（10%）有效缩短21.4%时间（90 min）,红外联合热风干燥样品比单独热风干燥物料达到设定温度值（60 ℃）缩短36.0%时间。进一步研究表明有效水分扩散系数随红外辐射温度的升高而升高,传热、传质系数对物料升温及水分脱除影响显著。该模型为其他物料在联合干燥技术的模拟研究提供有益借鉴。     

长期定位施肥对潮土分形维数的影响

应用土壤颗粒的质量分布特征来描述其分形维数的大小,研究了长期施肥对分形维数的影响,并分析了分形维数发生变化的原因。结果表明:施肥改变了土壤颗粒的分形维数,其中施高量有机肥能显著增加土壤颗粒的分形维数,而且分形维数的变化与粘粒含量的变化,有机质含量的变化和阳离子交换量(CEC)的变化都呈现极显著的正相关性,说明施肥对土壤的主要性状产生了影响。这可能是由于施肥使粘粒含量等土壤的基本理化性状或者粘土矿物组成发生了变化,才导致了分形维数的变化。     

果蔬干燥过程的水分跨膜传输模型构建

为了较真实地描述干燥过程中果蔬组织内水分的传输情况,该文回顾了多孔介质干燥过程及相关研究模型。针对果蔬组织生理学结构及其特征,提出了干燥过程中水分在其内部的传输模型,并通过显微图像技术及热风干燥试验对模型中相关参数进行了试验测定。建立的水分跨细胞膜传递模型有效计算了水分在果蔬组织内部的跨细胞壁传输过程。研究结果表明:果蔬组织中约90%的水分存在于细胞内;干燥过程中水分迁移的过程为:首先细胞内液泡中的水分跨细胞膜流出至细胞间隙,该过程可通过水分跨膜传输通量(JV)来计算;然后,进入细胞间隙的水分可视为一般多孔介质内的孔道水分扩散过程用传统的孔道网络模型进行计算。     

利用核磁共振成像技术分析胡萝卜干燥过程中内部水分传递

为可视化果蔬干燥过程中内部水分传递现象,利用低场核磁共振成像技术（magnetic resonance imaging, MRI）研究了圆柱状胡萝卜40、70℃热风干燥过程中内部水分传递过程,获得了物料收缩状态下水分廓线特征和变化规律。研究表明,干燥过程中,胡萝卜样品的水分廓线沿径向、轴向同时向中心不规则收缩,其内部的水分传递是一个多维、非稳态传递过程,并具有non-Fickian传递特征;干燥初始,水分梯度在物料表面迅速形成。随着干燥的进行,物料干基含水率低于7.33 kg/kg时,其湿区直径收缩比率大于实测直径收缩比率,表面成为“干区”,干湿界面退缩到物料内部。圆柱状胡萝卜的热风干燥过程可以用Henderson-Pabis模型进行描述,所建水分传递模型可以很好地模拟70℃干燥试验结果,最大相对误差为7.69%,出现在干燥最后阶段,其他时刻相对误差低于4%;物料中心层水分传递模型可以很好地预测40℃干燥试验过程。研究结果可以为干燥工艺的选择以及物料收缩状态下水分传递过程的理论模拟提供支持。     

穿刺协同乙醇预处理对胡萝卜片热风干燥特性影响

干燥效率低导致的能耗高、品质劣变是果蔬热风干燥加工面临的严峻挑战。为改善胡萝卜热风干燥特性，该研究以横切和纵切方式获得的胡萝卜片为研究材料，对其进行穿刺（perforation pretreatment，PT）、乙醇浸渍（alcohol pretreatment，AT）和穿刺协同乙醇浸渍预处理（perforation synergistic alcohol pretreatment，PAT）。研究发现：同未预处理的胡萝卜片相比，PT、AT和PAT预处理技术的应用均显著提高了胡萝卜有效水分扩散系数及热风干燥速率，并将干燥时间缩短10.61%～50.00%，其中PAT样品干燥时间最短。相同预处理方式下，纵切的胡萝卜片相比于横切表现出较高的有效水分扩散系数、较快的干燥速率及较短的干燥时间。进一步，我们提出了PAT预处理具有较高干燥效率的“三重奏机制”：预脱水降低干燥负荷、毛细管流促进水分传质、细胞通透性的增强降低水分传质阻力。在品质方面，PAT预处理显著改善了纵切胡萝卜片的体积收缩、复水性、色泽、总类胡萝卜素和抗坏血酸含量、抗氧化活性及风味等品质特性。因此，为高效获得品质相对较优的脱水胡萝卜，可在其纵向切片后进行PAT预处理。该研究为改善胡萝卜热风干燥提供了一种简单有效的预处理技术，同时也为其他果蔬提质、增效、节能干燥提供参考。     

基于图像处理的过热蒸汽与热风干燥污泥收缩特性分析

为了解污泥过热蒸汽与热风干燥过程收缩特性,搭建了常压过热蒸汽和热风干燥试验台,选用直径为50 mm厚度为10 mm的污泥样品在160和200℃下进行试验。利用图像处理技术分析干燥过程污泥收缩现象及特性,采用叠加技术,建立了基于无限大平板和无限长圆柱体叠加而成的有限圆平板在考虑收缩情况下的Fick第二定律湿分扩散模型,并结合经验模型推导出计算有效扩散系数的表达式。结果表明：污泥在干燥过程中存在明显的收缩现象,前段干燥收缩幅度大,后段干燥收缩幅度小,收缩变化规律与水分变化规律一致。160、200℃污泥过热蒸汽与热风干燥终了时刻体积比约为0.3,体积收缩系数为0.7。过热蒸汽干燥和热风干燥对污泥的收缩影响一致。160、200℃污泥过热蒸汽与热风干燥有效扩散系数的变化与水分比的变化相对应。在考虑污泥收缩的条件下,160、200℃污泥过热蒸汽干燥平均有效扩散系数分别为1.92×10-8和3.75×10-8 m2/s,热风干燥平均有效扩散系数分别为0.94×10-8和1.31×10-8 m2/s,约为不考虑收缩条件下平均有效扩散系数值的1/2。试验结果为污泥干燥过程机理分析、工艺参数优化和干燥设备开发提供参考。     

油菜籽流化床恒速干燥传热传质特性及模型研究

在油菜籽干燥过程中,干燥工艺(热空气温度、速度和油菜籽初始含水率)主要影响着恒速干燥阶段的传热、传质系数,为此该文基于恒速干燥阶段,借助流化床干燥试验装置,试验分析了油菜籽初始含水率、热空气温度、热空气流速对油菜籽流化床干燥对流传热、传质系数的影响,结果表明:各影响因素的敏感性主次顺序为油菜籽初始含水率热空气温度热空气流速,其中油菜籽初始含水率为29.72%的对流传热、传质系数约为含水率14.41%的1.9倍,2.25 m/s热空气流速的对流传热、传质系数约为1.75 m/s的1.2倍,65℃热空气温度的对流传热、传质系数分别约为45℃的1.2倍和1.4倍。为此,以对流传热、传质系数为性能指标,根据Box-Behnken试验设计原理,应用Design-Expert 8.0.6软件,建立了影响因子与性能指标的回归模型,通过验证发现对流传热、传质系数两个模型预测值与试验值的最大相对误差仅为4.83%和4.79%,表明该两个回归模型拟合度较好,可靠性较高。研究结果可为强化传热传质提高油菜籽流化床干燥效率提供理论依据,同时也为生产工艺条件选择和干燥设备设计提供理论支撑。     

马铃薯薄壁细胞组织一维等温干燥模型

为真实描述植物薄壁细胞物料干燥过程的水分传输机理,该文基于组织生理结构、微观参数测量技术和细胞结构变化,提出了适用于整个低温对流干燥过程的薄壁细胞组织模型。模型假设组织由细胞聚集而成,细胞由细胞壁、细胞膜和细胞腔模型溶液组成。细胞壁中的水分为纯水,干燥过程中细胞壁仅变形,不收缩;细胞膜为理想半透膜,集总了真实细胞内所有的跨膜渗透效应;模型溶液中的水分扩散则代表了真实细胞内部所有的扩散效应;干燥过程中,细胞膜始终紧贴细胞壁,细胞失去膨压后,塌陷收缩。基于组合参数传输模型建模方法构建了考虑细胞和收缩的一维传质模型。模型中细胞尺度的水分传输为局部水势平衡假设下的细胞腔到细胞腔、细胞壁网络和细胞气相间隙传输,宏观传递系数直接由细胞传输特性推演获得。模拟和试验表明:平均干基含水率不低于1.0 kg/kg时,模型可准确预测马铃薯组织的干燥过程,相对误差不超过20%。模型分析揭示:马铃薯组织干燥过程水分传输途径的优先级为细胞腔到细胞腔细胞壁网络细胞间隙。     

中短波红外联合气体射流干燥提高茯苓品质

为探索茯苓的干燥特性,改善茯苓干燥品质,该文将中短波红外联合气体射流干燥技术应用于茯苓块的干燥。利用Dincer模型拟合茯苓块干燥曲线,结合滞后因子、干燥系数分析干燥过程,并估算其水分有效扩散系数。给出Dincer模型的具体应用方法,求出并分析不同干燥条件下的毕渥数、水分有效扩散系数、传质系数。测定干燥后茯苓块的破碎率,及茯苓块浸出物的质量分数。对比分析Fick第二定律、Weibull函数、Dincer模型的优缺点。结果表明:1)与气体射流干燥相比,中短波红外联合气体射流干燥可缩短干燥时间,降低破碎率约18%,提高浸出物质量分数约1%;联合干燥过程亦为降速干燥;试验参数范围内,提高温度、风速均可提高干燥速率;2)滞后因子范围为1.0136~1.0202,且温度、风速越高,干燥速度越快,干燥系数越大;3)联合干燥技术的的毕渥数为0.0826~0.0982,小于0.1,表明干燥过程与边界的对流换热热阻有关。传质系数的范围为1.0319×10-6~1.8003×10-6 m/s。4)基于Fick第二定律、Weibull分布函数、Dincer模型计算的水分有效扩散系数变化趋势一致,均随温度、风速的升高而增加。Fick第二定律不要求干燥曲线呈"指数"形式,但仅适用于降速干燥。Weibull分布函数不考虑边界的对流换热热阻。Weibull分布函数、Dincer模型均可应用于非降速干燥,但二者的缺陷是干燥曲线需呈"指数式"拟合。综上所述,中短波红外联合气体射流干燥技术可提高茯苓品质,借助于Weibull函数、Dincer模型可从不同角度更全面地解读干燥过程。研究结果可为Dincer模型在茯苓生产加工过程中联合干燥技术的应用提供参考。     

Surface cracking and aggregate formation observed in a Rendzina soil,La Touche (Vienne) France

A one-cycle field wetting and drying experiment was conducted in order to observe pore space developed in a cultivated Rendzina soil due to surface cracking and to soil aggregate formation at 3-cm depth. Image analysis of 2D representations of pore size distribution and fractal analysis of the spatial distribution of the pores indicates that pore space due to surface cracking does not develop in the same manner as does that formed in the aggregation processes. Both pore-size distribution and fractal dimension vary in different ways at the soil–air interface and at 3-cm depth as drying progresses. Surface cracking occurs as a two-step process where total crack length increases until a maximum and then the cracks widen. Fractal dimensions appear to change as pore space develops. Pores developed when aggregates form show a more continuous process of development of pore sizes with a constant fractal dimension as porosity increases.     

苹果冷冻-热风联合干燥体积收缩机制

为降低冻干苹果能耗，同时获得具有良好外观的脱水产品，该研究将冷冻-热风联合干燥应用于苹果脱水加工，并从水分迁移角度探究此过程中产品的收缩机制。选取4个水分转换点（干基含水率分别为1.00、0.76、0.53和0.33 g/g）对苹果进行联合干燥处理，并对脱水产品收缩率、质构特性、微观结构、孔隙分布及样品在热风干燥阶段的水分迁移与分布进行测定及分析。结果表明，联合干燥样品的收缩情况显著（P<0.05）优于单一热风干燥样品，且转换点对样品收缩率影响较大（收缩率6%～45%），当转换点干基含水率低于0.53 g/g时，联合干燥样品没有出现明显的体积收缩现象。随着转换点干基含水率的升高，样品的收缩程度增大，并出现不同程度的中心塌陷，且孔隙率逐渐减小，但相应能耗降低。产品收缩主要发生在热风干燥过程的升速阶段，在此阶段样品自由水含量大幅减少，结合水与不易流动水未发生明显改变，样品内部水分在湿度差的作用下向表面迁移，这是导致联合干燥样品发生体积收缩的关键机制。该研究结果可为冷冻-热风联合干燥高效生产良好外观的脱水苹果提供数据支撑及理论参考。     

Water retention characteristics of soils with double porosity

A soil with double porosity is modelled as a collection of aggregated particles, in which a single aggregate is made up of discrete particles bonded together. Separate fractal distributions for pore sizes around and within aggregates are defined. The particle size distribution of the double porosity soil is also modelled using a fractal distribution, which may have a fractal dimension very different to those defining the pore sizes. The surface areas of the particles and the pores within the aggregates are assumed to be equal, enabling an expression linking two fractal dimensions to be defined. It is necessary to introduce ratios between maximum and minimum particle and pore sizes into the expression. A theoretical soil‐water characteristic curve is then derived for a double porosity soil. The curve, and the underlying assumptions regarding the distributions of pore and particle sizes, showed good agreement with experimental data for a range of soils having double porosity. A discontinuity is observed in the soil‐water characteristic curve at a second air entry value related to the maximum pore size within the aggregates, a feature also observed in experimentally obtained soil‐water characteristic curves for double porosity soils.     

基于毕渥数的果蔬阶段降湿热风干燥特性

为了揭示阶段降湿热风干燥技术的适用性,该研究在干燥温度60℃、风速1.0 m/s 时,研究了不同厚度胡萝卜片（6、12、18 mm）和龙眼物料在阶段降湿（第1阶段相对湿度（Relative Humidity,RH）50%保持30 min;第2阶段RH 20%至结束）和连续排湿（RH<15%）干燥条件下的干燥特性,传热毕渥数（heat transfer Biot,Bih）和传质毕渥数（mass transfer Biot,Bim）、水分有效扩散系数（effective moisture diffusion coefficient, Deff）、色泽、复水比及能耗值。研究表明：对于厚度为6 mm的胡萝卜片和龙眼物料,相对于阶段降湿,连续排湿有助于提高干燥效率;对于12或18 mm的胡萝卜片,阶段降湿能够提高Deff。6、12和18 mm的胡萝卜片在干燥过程中的Bih分别为0.582 7、1.165 5和1.748 2。6 mm时Bih<1,内部扩散的水分能够及时迁移至表面,维持较低RH有助于加快干燥速率。12或18 mm时Bih>1,物料表面和内部存在着较大的水分和温度梯度,此时需要采用阶段降湿干燥方式。不同厚度胡萝卜片干燥过程中的Bim在0.156 8～0.223 0之间;连续排湿和阶段降湿干燥条件下,龙眼Bim分别为0.110 3和0.084 3。这表明,水分由果肉内部迁移至果肉表面的传质阻力较小,干燥过程中果肉收缩、坚硬的外壳及外界较高RH使得水分迁移产生较大阻力。不同厚度胡萝卜片Bim>0.1,表明物料内部至表面存在较大的水分梯度,应采用高RH以减小表面水分蒸发速率,同时升高物料温度。对于6 mm胡萝卜和龙眼物料,连续排湿干燥条件下色泽较好,复水比高且能耗低;而对于12 或18 mm的胡萝卜片,阶段降湿干燥条件下具有较好的色泽,较高的复水比及较低的能耗。综上,阶段降湿干燥过程中,Bih>1且Bim>0.1时,说明阶段降湿干燥适用于此物料的干燥,否则宜采用连续排湿干燥方式。该研究可为果蔬热风干燥过程中合适的RH调控方式筛选提供理论依据和技术支持。     

红壤丘陵区不同植被类型土壤颗粒分形与水分物理特征

为探明红壤丘陵区不同植被对土壤分形结构及水分物理特征的改良作用与机制,运用土壤分形学和水文物理学原理与方法,以南方红壤丘陵区福建省长汀县为例,研究经济林、针阔混交林、乔灌混交林及针叶林4种植被类型土壤颗粒组成、分形维数、水分物理参数及其相关性。结果表明:1)红壤丘陵区不同植被类型土壤中以粗砂粒质量含量最高,细砂粒和石砾质量含量次之,粉黏粒质量含量较低,与裸地相比,不同植被类型具有显著提高土壤细砂砾和粉黏粒质量含量的作用,并且混交林作用程度高于纯林;2)红壤丘陵区不同植被类型具有降低土壤密度、增加土壤孔隙度的功能,针阔混交林、乔灌混交林、针叶林、经济林土壤的饱和蓄水量分别是裸地的1.20、1.16、1.14和1.10倍,表土层(0～20 cm)贮水能力好于表下土层(20～40 cm);3)土壤颗粒分形维数与土壤粉黏粒、总孔隙度、饱和蓄水量、孔隙比呈极显著正相关,与石砾质量含量、土壤密度呈极显著负相关,红壤丘陵区4种植被类型土壤均为不均匀性良好的土壤,以混交林土壤粒径分布结构较好,尤其是以针阔混交林的最好,其次是纯林的,针叶林好于经济林,表土层(0～20 cm)大于20～40 cm土层。