隔畦灌溉土壤水运动模拟

隔畦灌溉是地面灌溉节水措施的主要措施.研究隔畦灌溉时灌溉畦中的土壤水运动规律及其对不灌溉畦土壤水分含量的影响,对于在不同土壤特性下,确定灌水量、隔畦宽度等隔畦灌溉技术参数具有重要作用.基于灌溉畦中土壤水分二维运移规律,利用HYDRUS-2D模型,模拟灌溉后间隔畦中土壤水在不同时间、不同深度的含量.模拟与实测值相比,平均误差不超过1.19%,表明利用HYDRUS-2D模型所建模拟模型可用于隔畦或隔沟、隔行灌溉土壤水分运动模拟.     

华北冬小麦-夏玉米农田水分动态模拟研究

冬小麦-夏玉米连作是华北地区主要的粮食作物种植模式。根据华北季节性冻土区的特点,将全年划分为作物生长期与越冬期,分别建立了作物生长条件下农田水分运移模型、冻融条件下土壤水热运移模型。前一模型主要包括参照腾发量计算、腾发量分配、作物根系吸水、土壤表面蒸发、土壤水分特征参数和土壤水分运动等子模型;后一模型主要包括冻土水热耦舍迁移、地气水热交换等子模型。应用以上模型对冬小麦-夏玉米连作条件下的土壤水分过程进行模拟,根据北京永乐店试验资料对模型进行检验。模拟了不同降水水平年、不同灌溉处理下的农田灌溉制度及土壤水分过程,分析了降水、灌溉对农田蒸散、土壤水利用、深层渗漏等的影响。     

基于MUSIG模型的气液两相流离心泵内部流动数值模拟

为了解决当前气液两相流泵内部流动数值模拟中所采用的欧拉-欧拉双流体非均相流模型无法考虑气泡离散相粒子直径的变化以及气相之间的聚合作用与破碎作用,导致在高含气量时的模拟结果与试验存在一定差距的问题,文中将一种新型的欧拉-欧拉双流体拓展模型,即MUSIG模型用于气液两相流泵内部流动的数值模拟,通过与气液两相流工况外特性试验数据对比发现,入口含气率在5%左右时,MUSIG模型计算得到的外特性曲线与试验结果有轻微偏差,整体趋势吻合较好;普通的欧拉-欧拉两相流模型在大含气率下与试验相差较大.基于MUSIG模型,分析入口含气率对内部流动特性的影响,结果表明:入口含气率的增加会引起内流失稳,流线紊乱,气相逐渐聚集在前盖板与流道中间部位,最后引起能量损失,叶轮出口压力下降.这些现象会随着入口含气率增加而逐渐加剧,最终扬程与效率均会随着含气率增加而下降.含气率小于3%时,内流较稳定;当入口含气率为5%时,扬程下降至32 m,效率下降至55%,推测此时流道内气相聚合,生成气囊.     

气液两相条件下进口含气率对离心泵相似定律的影响

为了研究气液两相条件下离心泵相似定律的适用性,选用NKG65-50-140型直联式单级单吸离心泵,基于试验和数值模拟方法对其进行研究。首先搭建了气液两相流开式试验台,进行了3种转速、不同进口含气率条件下模型泵性能试验;然后采用Eulerian-Eulerian非均相流模型、由空气和水作为工作介质进行了数值模拟,得到了3种转速、不同进口含气率条件下叶轮内的流动情况和气相分布情况。研究结果表明:进口含气率通过影响气体在叶轮内的分布而影响旋转叶轮与液体能量交换能力,从而影响气液两相流相似定律的适用性;同一流量系数时进口含气率越大,相似定律的适用性就越差;随着转速的降低,气体分布呈现从叶片顶尖、叶轮流道中部和蜗壳隔舌处移动的趋势,特别是进口含气率大于0.03后,气体更易堵塞流道。最后通过对比试验结果和数值模拟结果,验证了低进口含气率下所采用的计算模型和方法基本可靠,为泵设计提供了理论指导。     

基于全耦合的地表水土壤水运动与溶质运移数值模拟

为探究降水条件下水分与溶质在地表和土壤中的运动规律，分别采用二维扩散波方程和传统的三维Richards方程描述地面径流和土壤水分运动，选用双层结点法对两者进行耦合，根据达西定律和地表与土壤水中的溶质浓度，计算地面径流和土壤水分的溶质交换量，从而构建地表水土壤水运动与溶质运移全耦合数值模型。选取已发表文献中的物理模型实验进行数值模拟，算例1和算例2中地表径流数值模拟结果和模型实验结果的平均相对误差分别小于14.8%和21.5%，均方根误差分别小于0.147 cm²/s和0.833 cm²/s；算例2中径流硝态氮浓度的数值模拟结果和模型实验结果的平均相对误差小于24.7%，均方根误差小于1.334 mg/L。物理实验和数值模拟所得地表径流量和溶质浓度数据的对比分析验证了模型的合理性和准确度。研究结果可为地表水土壤水水分运动与溶质运移耦合分析提供理论支持。     

气液两相流工况下泵内气相特征数值计算

为研究叶片泵内气相的分布、运动规律,应用计算流体动力学方法对气液两相流工况下叶片泵内流场进行数值模拟,并通过试验进行验证.基于MUSIG模型对泵内气液两相流动进行了数值计算,同时采用Prince-Blanch模型和Luo-Svendson模型描述气泡聚并和破碎过程,揭示了压力分布、不同尺寸气泡分布和气泡平均直径分布.研...     

不同秸秆覆盖厚度下季节性冻融土壤的水热运移规律模拟研究

运用水热耦合模型(SHAW)对秸秆覆盖厚度为5、10、15、20和30 cm下的季节性冻土中的水热迁移进行了模拟。结果表明:模型对土壤水分模拟效果较好,模拟期土壤水分模拟的标准误差RMSE为0.003～0.08 m~3/m~3。由于表层土壤易受外界气象条件变化的影响,模型对土壤温度模拟结果误差相对较大,但误差处于合理范围内。使用率定好的SHAW模型对秸秆覆盖厚度大于30 cm下的土壤水热运移进行了模拟预测,模拟结果表明当秸秆覆盖厚度≥45 cm时,秸秆覆盖下的土壤水热运移基本不受外界影响。     

反演分析土壤-秸秆水分运动参数

通过潜水均衡试验站土壤测渗仪资料,以新疆具有一定代表性的轻粘土为例,利用无秸秆覆盖和地表以下35 cm秸秆覆盖的实测资料,研究作物生长条件下土壤水分和盐分运移模型参数,通过HYDRUS模型反演确定了土壤水分运动参数和秸秆水分参数。并与测筒实测数据进行了比较。通过计算,无论是模拟计算的土壤水分运动参数还是秸秆水分参数都与相应的测筒观测值具有良好的一致性,模拟值与实测值吻合较好,这表明了轻粘土土壤水分运动参数和秸秆水分运动参数的确定是合理的。这些参数的确定将为更好地模拟秸秆覆盖条件下土壤水盐运移规律,研究秸秆覆盖层阻止土壤潜水蒸发抵制土壤盐分向上运动提供科学数据。     

土壤水-汽-热耦合运移的数值模拟研究与验证

土壤水是自然界水分循环的重要组成部分,在研究土壤水分运移中考虑热量的影响能够提高模拟的精度并反映真实的物理过程.基于土壤水-汽-热耦合运移方程建立土壤含水率和温度的数值模拟模型,通过对VG模型的经验拟合参数n和α、土壤残余含水率θr、饱和含水率θs的率定使模拟结果得到优化;将修改后的参数作为模型的基本参数,连同气象资料,边界条件输入到模型中模拟土壤中含水率、温度的变化过程.结果表明:降雨阶段含水率和温度的模拟效果优于蒸发阶段,降雨阶段含水率、温度模拟精度都"比较好"或"很好",只有3 cm处的表层土壤含水率模拟精度为"一般"(相对均方根误差RRMSE为21.99％),这是由于表层土壤的质地不均匀所致.蒸发阶段含水率和温度在大部分深度模拟精度"很好",只有在深层(28及48 cm处)的温度模拟精度为"一般"(RRMSE为21.18％及22.92％),原因应该是土柱下部会受环境温度显著影响所致.本研究可以应用于水文循环的模拟中,可以提高下渗过程的模拟精度.     

旋流自吸泵气液两相流数值模拟

采用雷诺时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,使用多相流模型中的混合物模型,通过商用软件FLUENT,对自吸时旋流自吸泵内气液两相流场作了数值模拟.在对蜗壳流道和叶轮流道进行网格划分时,尺寸扭曲率为0.78.根据模拟结果,将泵内两相流场的静压分布,与单液相时的静压分布作了对比,并比较了叶轮内气相与液相相对速度的分布情况.另外,对含气率的分布情况作了分析.结果表明,自吸时气液两相状态下的静压稍小于单液相状态下的静压;泵内的主要流动是液相通过相间作用夹带气相的流动,液相速度略大于气相速度;靠近泵出口的两个叶道内,有气相的积聚,含气率较高.     

基于土壤墒情模拟的农业干旱动态评估

已有的农业干旱研究中,土壤墒情的模拟与干旱程度的动态评估常常是独立进行的,二者并没有统一起来。基于此,建立了田间土壤水分平衡模型,通过作物生育期内的土壤水分模拟农业干旱过程。为了将土壤墒情模拟与农业干旱的动态评估统一起来,引入了阶段性的作物水分生产函数,通过干旱缺水对农业产量影响的定量分析,反推得出作物不同生育阶段土壤水分状况对应的干旱程度和缺水权重,从而将土壤墒情模拟与农业干旱评估结合起来,达到农业干旱动态模拟与评估的目的,为从土壤墒情状况实时动态评估农业干旱程度提供了一种便捷可行的方法。最后将提出的模型方法结合某灌区进行了应用,效果较好。     

基于PSO-ELM的温室梨枣树液流量模拟

【目的】精准模拟温室梨枣树液流量。【方法】基于粒子群算法(PSO)优化的极限学习机(ELM)模型,选取了西北旱区的温室梨枣树逐日气象资料和梨枣树生理指标作为输入参数,构建了16种不同参数组合的PSO-ELM模型对梨枣树各生育期的液流量进行模拟,并与实测液流值进行对比。【结果】PSO-ELM模型能通过较少的输入参数实现梨枣树液流量的高精度模拟:全生育期液流量模拟中M_2模型(输入参数为叶面积指数、平均气温、实际水汽压、平均相对湿度、净辐射和风速)、M_4模型(输入参数为叶面积指数、平均气温、实际水汽压、平均相对湿度、风速和土壤含水率)及M_(12)模型(输入参数为叶面积指数、实际水汽压和平均相对湿度)的MAE、MBE、R~2、MRE及RRMSE范围分别为1.467 6～1.598 6 mm/d、-0.000 9～0 mm/d、0.370 6～0.435 4、0.177 2～0.185 5及0.202 6～0.214 0,GPI排名分别1、2和5,其中M_(12)的输入参数较少且模拟精度较高,其MAE、MBE、R~2、MRE、RRMSE分别为1.598 6 mm/d、0、0.370 6、0.185 5、0.214 0;萌芽展叶期、开花坐果期、果实膨大期和果实成熟期液流量模拟结果分别以M_(Ⅰ-11)模型(输入参数为净辐射、叶面积指数和实际水汽压)、M_(Ⅱ-15)模型(输入参数为实际水汽压和平均气温)、M_(Ⅲ-11)模型(输入参数为平均相对湿度、叶面积指数和土壤含水率)和M_(Ⅳ-12)模型(输入参数为叶面积指数、净辐射和平均气温)模拟精度较高,GPI排名分别为8、2、4和5。【结论】PSO-ELM模型模拟温室梨枣树不同生育期液流量均具有较高的精度,可作为温室梨枣树液流量估算的新方法。     

免耕覆盖条件下田间土壤水分入渗的二维数值模拟研究

根据土壤水动力学基本原理,建立了秸秆覆盖条件下夏玉米SPAC系统中二维土壤水分入渗模型,应用该模型采用ADI法对辽宁地区秸秆覆盖条件下玉米田间土壤水分入渗过程进行模拟计算。模拟结果再现田间土壤水分入渗过程,同时显示产流与未产流情况试验数据与模拟值均有较好的一致性,平均相对误差均在5%以内,所构建模型可用于覆盖条件下土壤水分运动规律的研究。     

降雨灌溉蒸发条件下苹果园土壤水分运动数值模拟

根据土壤水动力学原理和果树根区土壤水分运动特点,建立了降雨灌溉蒸发条件下含根系吸水项的二维土壤水分运动数学模型,采用有限元法求解,对降雨灌溉蒸发条件下的地表边界条件进行处理.在田间进行了灌溉蒸发条件下果园土壤水分运动验证试验,采用田间实测土壤含水率分布资料对模型进行验证,结果表明模拟值与实测值吻合较好,所建的根区土壤水分运动模型是正确的,采用有限元法求解是可行的,该模型可用于预测果园田间土壤水分运动.     

饱和-非饱和土壤中溶质的溶解-结晶二相模型初探

目前溶质运移的模型主要采用水动力弥散方程来实现,但水动力弥散方程不能考虑到溶解在地下水中的溶质因为溶解-沉淀作用形成结晶而积聚在土壤中的事实,这部分结晶相溶质不能直接通过水动力弥散作用而随地下水迁移。将土壤中的溶质分解成溶解相溶质和结晶相溶质,试图对溶质在随地下水-土壤水分运动而迁移,并同步沉积、释放的动态变化过程进行定量化的描述,建立起更为合理的地下水中溶质迁移和积聚的动态数学模型。     

温室环境因子驱动甜瓜水分传输机理分析与模拟

利用人工气候室控制空气温度、相对湿度和光合有效辐射量,根据水量平衡法控制土壤含水率,按照四因素五水平的二次回归正交旋转组合设计,对甜瓜蒸腾量进行模拟,并探讨各因子调控水分传输的机制。基于Jarvis模型建立环境因素驱动的多元非线性气孔导度模型,结合水汽扩散原理建立蒸腾量模型,模型预测精度良好。探究因素交互作用及其耦合调控效应,结果表明:除相对湿度对蒸腾表现为抑制作用,土壤含水率、空气温度和光合有效辐射均对蒸腾具有促进作用;土壤含水率与空气温度的单因素效应相似,随因素水平增加,蒸腾量线性升高;光合有效辐射量驱动蒸腾的单因素效应为开口向下的二次函数,当因素水平超过阈值后,蒸腾量逐渐下降。环境因素在驱动和调控蒸腾过程中均存在密切耦合和反馈效应,土壤含水率与温度对蒸腾调控的耦合效应趋近于平滑曲面,蒸腾量随两因素水平的升高而升高,在试验水平内两因素对蒸腾表现为协同促进效应;空气相对湿度减弱了水汽扩散驱动力,进而抑制温度和土壤含水率对蒸腾的驱动作用,且这种抑制作用随相对湿度的升高而更明显。     

基于HYDRUS对稻田不同阶段土壤水分的模拟与分析

在稻田淹水到排水干田的过程中,稻田的土壤水分由饱和态转为非饱和态,这一过程中稻田土壤水分运移规律的变化以及水量各平衡要素的转化对稻田水分管理以及减缓农业面源污染等方面具有实际意义.为探寻稻田不同阶段土壤水分状况下的差异性,基于重庆丘陵区紫色土常规轮作水稻土壤水分的连续监测数据,利用HYDRUS-1D模型对稻田淹水、排水落干和收获后3个不同干湿阶段(阶段Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)的土壤水力参数和土壤含水量开展验证模拟分析.研究表明:(1) 根据R²与RMSE的误差分析结果,HYDRUS可以实现对不同阶段稻田土壤水分变化的有效模拟.(2) 根据土壤水量平衡分析,阶段Ⅰ的稻田土壤水分以水分补充的形式为主;阶段Ⅱ和Ⅲ的土壤水分以水分损失为主,底层渗漏量分别占总水分损失量的52%和95%.(3)根据HYDRUS的模拟结果,降雨直接影响土壤上下边界流的变化;阶段Ⅱ的实际作物蒸腾量和实际地表蒸发量低于阶段Ⅰ的,阶段Ⅲ稻田土壤的地表实际蒸发量与日照时数的关系更密切.     

考虑空气影响的干旱区土壤水分运移模式研究

在前人研究的基础上,根据石河子垦区的实际情况,确定模型特定的边界条件及参数,建立适合该区的包气带-饱和带水、气二相流的质热传输模型,模拟土壤水分、温度的动态变化,并利用实测土壤温度、土壤含水率数据进行模型检验。结果表明:模拟的土壤温度和含水率能够较好地反映实测值的变化规律,各土层模拟精度评价指标表明考虑空气影响的模拟结果更接近实测结果。对于9.7 mm日降水量的入渗深度,耦合模型可影响20 cm深土壤含水率,单相模型可影响到30 cm深左右。降水当日考虑空气模拟的蒸发速率比不考虑空气模拟的蒸发速率大7.7%;降水后1 d,不考虑空气影响导致蒸发速率比考虑空气的小3.19%。计算模拟期2种模型土壤总蒸发量,相差不大。根据2种模型水量平衡分析结果对比蒸发量的计算值与模拟值,发现考虑空气影响的模型模拟结果更可靠。     

冬小麦不同深度灌水条件下土壤水分运动数值模拟

冬小麦深度灌水可以促进根系深扎,提高水分利用率。为了定量计算深度灌水条件下土壤水分动态,根据冬小麦不同深度灌水试验,用土壤水分运动方程的源项模拟不同深度灌水,建立了冬小麦不同深度灌水条件下土壤水分运动模型,采用有限差分法求解。利用不同深度灌水冬小麦试验数据对模型进行验证,结果表明模型计算的土壤含水率与实测土壤含水率的动态变化趋势一致,二者显著相关,相关系数在0.90以上,模型平均绝对误差最大值为0.023 cm3/cm3,平均相对误差最大值为8.22%,均方根误差最大值为0.03 cm3/cm3。所建模型具有较高的模拟精度,可用于模拟不同深度灌水条件下冬小麦土壤水分分布与动态变化。