渠内水对寒旱区渠基土冻结过程影响的试验研究

为研究渠内水对渠基土冻结过程的影响,采用由箱体、制冷系统、补水系统和量测系统构成的冻胀装置,进行了开放系统下的停水渠道和过水渠道的室内模型试验,研究渠基土的温度场、冻后含水率和冻结过程中马氏瓶补水量的变化规律.试验结果表明:渠道断面形状和渠内水体影响渠基土温度场的分布,停水渠道和过水渠道在靠近渠槽线附近的等温线形状和疏...     

基于AKIMA插值法的整体式U形渠道温度场数值模拟

【目的】揭示整体式U形混凝土渠道渠基土温度场的分布和变化特征,为整体式U形混凝土渠道的抗冻胀工程提供理论依据。【方法】依据宁夏青铜峡市邵岗镇沙湖村进行的整体式U形混凝土衬砌渠道的原型观测试验结果,采用AKIMA插值法对各部位渠基土的温度梯度进行了计算,再利用有限元软件ANSYS对渠基土的温度场及温度梯度进行了数值模拟。【结果】渠道阴坡温度低于阳坡温度,其产生冻胀时间更早、冻结深度更大。在2月初气温回暖时,地温开始逐步升高。不同位置衬砌板下土体的温度梯度变化规律基本相同,均随土体深度的增加而减小。阴坡的平均温度梯度高于阳坡,距离土表越远温度梯度越小。衬砌板以下20cm范围内的温度梯度波动较大,50～100 cm范围内的温度梯度相对来说较为平缓。采用AKIMA插值法计算出的渠基土温度梯度与通过有限元软件ANSYS进行的温度梯度模拟结果基本一致,ANSYS对温度场的模拟所得结果与实测渠基土地温结果一致。【结论】整体式U形混凝土渠道在不同位置衬砌板下的渠基土温度变化趋势一致,均随深度的增加而升高;不同深度土体温度梯度变化规律基本相同,均随深度增大而减小。     

日光温室下沉深度对地温的影响分析——基于地下传热模型

从多孔介质传热传质学基本原理出发,充分考虑了有蔬菜覆盖条件下的地下土壤固体颗粒、液相流体及气相流体的传热传质过程,建立了日光温室内蔬菜生长情况下土壤二维非稳态传热模型。该模型根据土壤中热、水、气的耦合迁移建立二维非稳态微分方程组,运用高斯迭代法对方程组进行数值求解,利用MATLAB编写模型求解程序,对地下土壤的温度进行模拟,并对模拟结果进行分析。用试验温室实测值对模拟结果进行了验证,对地温的模拟结果平均绝对误差为0.4℃,平均相对误差为2.8%,表明所建模型模拟结果较好。同时,利用该模型模拟分析下沉深度为0、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5m节能日光温室(不同下挖深度温室的结构参数完全一致)地下不同土壤深度温度变化特点,为在保定地区建造适宜的下沉深度温室提供理论依据。     

渠道的冻胀破坏与防治

在渠道防渗工程中,混凝土衬砌渠道被广泛采用。但据调查,有50％以上的混凝土防渗渠道都遭到不同程度的冻胀破坏,其主要原因是:(1)基土中各种形态水(即渠道渗漏水,地下水和地面水的补给水)的存在,在冻结过程中,形成水分由暖土区向冻结区迁移积聚,使基土中的含水量超过起始冻胀含水量。(2)基土属于冻胀类土。(3)在负温作用下,土体孔隙中水分冻结,土体体积膨胀即冻胀力产生。随着土体中水分的增加而冻胀力不断增大。     

季节性冻土的水热作用机制研究——以古尔班通古特沙漠南缘为例

【目的】阐明新疆干旱区冻融土壤的水热耦合关系,建立在冻结融化过程中土壤水热耦合模型。【方法】以土壤水动力学、冻土物理学和统计学为理论基础,利用土壤水分与温度测量系统对不同土层深度土壤的温度和湿度进行测量,比较土壤含水率和温度随时间与深度的变化情况,研究了新疆典型干旱区细土平原区与沙漠交错带的冻融土壤水热迁移规律,分析不同土层深度土壤在冻结期、融化期的水热变化特征。【结果】土壤冻结融化过程中,各层土壤的液态含水率、温度均与环境温度的变化趋势基本一致,但随着土层深度增加,土壤温度和含水率的变化趋势均在逐渐减弱;深层土壤的液态含水率在冻结融化过程中基本不随环境温度升降发生变化,浅层5、20 cm土层的温度和含水率之间具有耦合效应。【结论】季节性冻土的水分和温度之间具有耦合效应。     

蓄水多坑入渗条件下土壤水分运动建模与试

针对蓄水坑灌坑内水头高且非恒定和土壤入渗边界复杂的特点,建立了蓄水多坑三维入渗及土壤水分运动数学模型,采用ADI交替方向隐式差分格式结合Gauess-Seidel迭代法对模型进行求解,并进行了试验验证,结果表明计算值与实测值吻合较好,说明所建立的数学模型正确,采用的数值求解方法是可行的.     

冬季田间水热状况的数值模拟

根据土壤冻结过程中水热迁移的基本方程，推导了土壤水热耦合方程，改进了冻结条件下土壤水热迁移问题的求解方法。用该模型模拟了室内土柱冻结试验，模拟结果与试验结果吻合较好，同时计算速度较快。根据地表能量平衡原理、微气象学理论，建立了冻结条件下土壤蒸发模型，将其作为土壤水热迁移的上边界条件，模拟了北京永乐店试验站冬小麦试区１９９５～１９９６年越冬期（１９９５．１２．０１～１９９６．０２．２９共３个月）土壤的冻融过程，模拟结果与实测值基本符合。在模拟过程中，采用有限差分法求解土壤水热运动方程，水、热方程的上边界分别为第二、三类边界。根据模拟结果，分析了越冬期土壤水热状况的变化规律     

基于动网格技术的汽车气动阻力系数数值模拟

以CFD软件为平台,以客车为研究对象,采用Ahm ed车体模型、RNGk-ε方程和动网格方法求解气动阻力系数,求解时控制方程使用有限体积法离散,对流项采用二阶迎风差分格式,扩散项采用中心差分格式,采用全隐式时间积分方案进行时间域离散,PISO算法进行瞬态数值模拟。模拟结果与试验结果取得了较好的一致,表明采用CFD软件中动网格进行气动阻力系数的数值模拟是可行的,为客车车型的气动减阻和开发汽车产品提供参考。     

多孔介质常压冷冻干燥质热耦合传递数值模拟

以苹果片为研究对象,研究了基于涡流管制冷效应的常压冷冻干燥技术处理含湿冷冻多孔物料的干燥机制。利用ANSYS ICEM CFD软件对常压冷冻干燥工况建立二维几何模型并对其进行网格划分,采用多孔介质模型,通过有限体积法对控制方程进行离散,迭代求解不同风速和温度下冷冻物料内部水分比及中心温度随时间的变化。通过分析不同干燥工况下物料质热传递变化得出最佳组合参数,研究该干燥条件下不同干燥时刻的速度场、温度场、压力场以及多孔介质干区迁移界面变化规律,并采用入口风速2.5 m/s、辐射温度283.15 K,对模型进行验证。借助SPSS-21软件对物料内部含水率与中心温度的试验值和模拟值进行相关性分析,其R2分别为0.564和0.982,表明试验值与模拟值有较好的一致性,所建模型适用于多孔介质的冷冻干燥。     

考虑衬砌板跨度影响的U型渠道热-力耦合研究

为了研究混凝土衬砌板纵向跨度对冻胀效应的影响,基于整体式小型U型渠道的结构特点和冻胀特征,视衬砌板和受冻基土为平面应变和三维实体结构,采用热-力耦合分析方法,分析研究了整体式小型U型渠道在冻胀作用下的效应。结果表明:1按三维实体分析的位移略小于按平面问题分析;2板与板刚性接缝处产生较大的不均匀纵向位移,是渠道受冻胀作用的薄弱位置;3板跨度越大,其纵、横向水平位移及竖向位移均略有增大。     

微孔渗灌条件下土壤水分运动数值模拟

为提高微孔渗灌条件下土壤水分运动数值模拟精度,建立了含有第3类边界条件的二维微孔渗灌土壤水分运动数学模型,着重论述了微孔管3类边界条件处理的流速分解法,并采用ADI交替方向隐式差分法求解数学模型。室内试验结果表明,在渗灌管边界,模拟计算结果的相对误差在6.7%以内,远离渗灌管的地方误差更小,实测值与模拟值二者吻合较好。说明建立的数学模型、边界条件和求解方法具有较高的精度,提出的微孔管边界处理的流速分解法具有可行性,可用来模拟各种因素(微孔管特性、供水特性与土壤特性)影响下微孔渗灌条件下的土壤水分运动。     

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。     

内蒙古临河地区渠道衬砌工程保温防冻胀试验研究

在我国北方的季节性冻土地区,防渗衬砌渠道的冻胀破坏对输水工程的危害最大.针对内蒙古临河地区南边分干渠冻胀破坏问题,提出了在渠道混凝土衬砌下铺设聚氨酯保温板新材料的措施.通过进行现场保温防冻胀试验,分析了各种保温措施下渠道基土的地温、冻深、含水率和冻胀量等影响冻胀变化因素的规律及其特征,总结了不同方案下的保温防冻胀效果,得出了适合该地区混凝土衬砌渠道中聚氨酯保温材料的防冻胀破坏方案:渠道阳坡上部使用3 cm厚的聚氨酯保温板,阳坡下部使用4 cm厚的聚氨酯保温板,阴坡上部使用4 cm厚的聚氨酯保温板,阴坡下部使用5 cm厚的聚氨酯保温板就可以保证混凝土衬砌体不发生冻胀破坏,同时为后续刚性衬砌渠道中采用聚氨酯保温材料防冻胀提供了技术支持.     

Moisture Evaporation from Bare Soils

This study offers a method of calculationof soil moisture evaporation from baresoils, which is based on the theory ofexchange processes in porous media. Thismethod has taken into account basiccharacteristics of porous media, as wellthe states of soils and the weatherconditions under which soil moistureevaporation occurred. Calibration of modelparameters has been carried out. The modelwas verified with natural measurement dataof different regions of the former SovietUnion.     

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。     

地下滴灌条件下土壤水分运动模型

本文分析了线水源条件下地下滴灌土壤水运动的物理过程，认为其土壤水运动是一垂直毛管的平面二维流动；在此基础上，建立了饱和──非饱和土壤水二维流动的数学模型。采用ＡＤＩ法，结合Ｐ－Ｃ法对模型进行求解。计算结果与室内试验基本相吻合。     

Numerical simulations of water movement in a subsurface drip irrigation system under field and laboratory conditions using HYDRUS-2D

Due to the decreasing availability of water resources and the increasing competition for water between residential, industrial, and agricultural users, increasing irrigation efficiency, by methods like subsurface drip irrigation (SDI) systems, is a pressing concern for agricultural authorities. To properly manage SDI systems, and increase the efficiency of the water/fertilizer use while reducing water losses due to evaporation, the precise distribution of water around the emitters must be known. In this paper, the Windows-based computer software package HYDRUS-2D, which numerically simulates water, heat, and/or solute movement in two-dimensional, variably-saturated porous media, was used to evaluate the distribution of water around the emitter in a clay loam soil. The simulation results were compared with two sets of laboratory and field experiments involving SDI with emitters installed at different depths, and were evaluated using the root-mean-square-error (RMSE). The RMSE at different locations varied between 0.011 and 0.045 for volumetric water contents, and between 0.98 and 4.36 cm for wetting dimensions. Based on these values, it can be concluded that the correspondence between simulations and observations was very good.