杨凌包气带深层黄土颗粒分形特性的实验研究

通过对包气带深层黄土土壤样品颗粒组成的分析,研究了土壤颗粒体积分形维数与土壤各粒级含量的关系.同时利用实测的土壤水分特征曲线,拟合得到其分形模型中的孔隙大小分形维数,最后对颗粒体积分形维数与拟合的孔隙大小分形维数的关系进行了对比研究.结果表明:体积分形维数介于2.577～2.748之间,且随包气带层深度的增加分形维数呈减小趋势;体积分形维数与0.5～0.25 mIn、0.02～0.002 mm颗粒含量呈显著负相关,与0.25～0.05 mm、＜0.002 mm颗粒含量呈显著正相关,所建立的多元回归方程拟合的体积分形维数相对误差限为0～0.42%,具有较高的精度;同一质地的颗粒体积分形维数与土壤水分特征曲线分形模型中的孔隙大小分形维数呈良好的线性关系.     

基于格子Boltzmann方法的饱和土体细观渗流场

根据土体的孔隙率,采用随机配置的方法建立了二维土体孔隙结构.基于格子Boltzmann方法(LBE方法),通过设置入口、出口边界为非平衡态外推格式、左右边界及土颗粒边界为标准反弹格式的边界条件,建立了模拟饱和土体渗流的二维模型.编制了相应Matlab计算程序,模拟了在一定孔隙率的土体中,当恒定流速入渗时,土体渗流场的分布情况并探讨了渗流流速的变化规律.研究结果表明:在渗流过程中,土体流速的分布情况在整个渗流区域内较为均匀,且在孔隙连通性好、孔隙较大的区域流速较快.土体孔隙率越大,土体的渗流速度越大,且在渗流场内绝大部分孔隙格点的流速小于入口处的流速.当孔隙率恒定时,入口流速越大,渗流场内孔隙格点上流速分布的离散性越大.因此,LBE方法可以有效地模拟土体的渗流情况,为进一步研究土体渗流机理提供了一种新的研究手段.     

基于分形理论的马铃薯干燥过程水分输运特征分析

基于马铃薯内部结构的异质性和分布随机性,利用分形特性模拟了在干燥过程中的水分输运过程。结果发现结合收缩和分形现象的模型呈无收缩现象连续介质模型更接近实验值,且分形模型的内部压力分布没有出现像连续模型呈比例逐层下降的现象。包括收缩的分形模型与孔的连通性、孔隙率、面积分形维数和孔最小最大直径比值成正比,与迂曲分形维数和迂曲度成反比。     

不同干密度下黄土孔隙分形特征及其对基质吸力的影响

基于分形几何学方法建立了土体孔径分布的描述,并结合Young-Laplace理论提出了考虑孔隙分形特征的非饱和土基质吸力模型。针对陕西地区的黄土收集了不同干密度的土水特征曲线并分析了干密度对孔隙分布特征及基质吸力的影响。结果表明：黄土孔隙具有明显分形特性,可采用Menger海绵体分形模型良好描述。模型孔隙特征参数分析发现随着干密度增大,分形维数D近似线性增大,而最大孔径L呈幂函数减小;通过函数拟合,进一步建立黄土孔径分布与干密度的特征关系,进而实现了对不同干密度下的黄土基质吸力快速预测。     

基于CT扫描技术的黏土导热系数试验研究

针对土体细观的孔隙结构分布特征对导热系数的影响,基于分形理论,利用CT扫描和图像处理技术,对5种干密度重塑黏土试样的孔隙参数进行定量分析。结果表明:干密度从1.4g/cm3增大到1.6g/cm~3的过程中,孔径d1mm的试样,其孔隙的数量及孔隙度呈减小趋势,而孔径在0.22mm～1mm内的孔隙数量增多;利用分形理论对扫描图像进行分析,发现二维横截面内土体的分布分维数D呈逐渐增大趋势,由此推断:一部分较大孔径的孔隙随着土体干密度增大转换成较小孔径的孔隙,且土颗粒间的距离逐渐减小;将实际测定的导热系数λ与颗粒分布分维数D进行非线性拟合,拟合方程显示λ随颗粒分布分维数D增大而增大,相关系数达0.97,因此颗粒分布分维数D可作为描述黏土导热系数的新指标。     

孔喉结构薄膜热质传递的分形模型

运用分形理论,建立了气体在膜介质中的流速模型,基于流速模型推导出气体通过膜介质的扩散系数模型和换热系数模型。分析了膜介质的孔喉比、迂曲分形维数、面积分形维数、孔隙率和固体颗粒直径等微观结构参数对膜介质传热传质的影响。结果表明,孔喉微观结构参数对膜介质的传热传质过程具有重要影响。扩散系数和换热系数与孔隙率、固体颗粒直径和面积分形维数呈正比。喉道直径一定时,固体颗粒直径增大,膜介质内部孔隙直径增加,流动阻力变小,膜介质的传热传质能力增强;扩散系数和换热系数与孔喉比、迂曲分形维数呈反比;固体颗粒直径一定时,孔喉比增大,喉道直径变小,迂曲分形维数增大,面积分形维数减小,流动阻力变大,膜介质的传热传质能力减弱。     

多孔介质粗糙表面分形-蒙特卡罗传热研究

为了探究多孔介质在微观粗糙表面结构下的传热,建立了关于粗糙表面的二维、三维模型。基于分形理论,通过与蒙特卡罗法和傅里叶定律的结合,推导出了有效传热系数的表达式。该理论模型通过相关数据的代入计算,讨论分析了粗糙表面面积分形维数和孔隙率对有效传热系数的影响。研究发现孔隙率与有效传热系数呈负相关关系,面积分形维数与有效传热系数也呈负相关关系。该理论研究多孔介质粗糙表面的细微结构的传热,对于具有微观结构的粗糙表面物质传热具有一定的研究参考价值。     

不完全分形多孔介质热导率模型

将多孔介质的物理构成分为具有分形结构的团聚体集合和不具有分形特性的固相和孔隙相,建立了简化单元体模型解释其微观结构。结合多孔介质在干燥过程中热量守恒定律和傅里叶导热定律导出了材料总有效热导率模型。此模型无经验常数,每一个参数都有物理意义。研究结果表明,有效热导率与迂曲分形维数、面积分形维数、孔隙率和热风温度呈反比,与热风速率和时间呈正比。     

黄土中渗流水潜蚀特征研究

通过室内渗流槽模拟黄土渗流入渗试验,结合现代黄土自然堆积状态下非饱和均质特征,以黄土结构性参数和几何分形维数D为指标,研究了黄土中渗流水的潜蚀作用。结果表明,地表水渗流改造后,黄土结构性参数和几何分形维数随着渗流锋推移深度的增加而逐渐增大;渗流湿润锋几何分形维数变化越快,土体结构受到的破坏、瓦解、重塑作用就越强烈;渗流曲线与地下水浸润曲线靠近时,存在明显的尖点接触现象,进而产生潜蚀破坏,形成黄土暗穴。     

盐渍土壤孔隙结构及分形特征研究

为了探明盐分对土壤孔隙特征及分形特征的影响,采用CT(computed tomography)扫描技术获取了6个盐分处理(ECe:S1=8.52 d S/m,S2=21.89 d S/m,S3=24.78 d S/m,S4=25.71 d S/m,S5=26.36 d S/m,S6=33.26 d S/m)的土壤分层剖面图像,并结合Image J软件提取分析了土壤孔隙数目、孔隙面积等参数在土壤剖面上的分布特征,同时,采用杨培岭模型计算了土壤分形维数。结果表明:盐分影响土壤孔隙结构的形成和分布,具体而言,从S1到S6,随着盐分的增加,土壤孔隙度先减小后增加,S1盐分处理(ECe=8.52 d S/m)的孔隙度明显大于其他盐分处理,并且,S1盐分处理的孔隙度波动也大于其余5个盐分处理,S4(ECe=25.71 d S/m)盐分处理的孔隙度最小;此外,土壤孔隙数也表现为先减少后增加的趋势,S4(ECe=25.71 d S/m)总孔隙数最少(481)。在本次土样深度分析范围(6.3~44.1 mm)内,土壤孔隙结构随深度并无明显的关系。土壤分形维数计算结果表明,盐分影响土壤的分形维数,随着盐分的增加,分形维数先减小后增大,S4最小(2.58),同盐分对土壤孔隙的影响规律一致,进一步说明盐分影响土壤的物理性质,同时壤土(S1和S6)的分形维数大于粉质壤土(S2~S5),说明土壤质地变细,分形维数有增大的趋势。同时,和其他获取土壤孔隙结构特征的方法相比,CT结合Image J的方法可以快速准确地获取土壤孔隙的大小、数目等几何参数,处理过程方便快捷,操作简单,更能批量处理。     

麦秸预处理方式对黄绵土结构及低吸力段持水性的影响

通过土柱模拟培养试验,对比研究秸秆经过粉碎、氨化预处理及与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合配施对黄绵土结构及低吸力段持水特性的影响。结果表明,秸秆经粉碎、氨化预处理及与土壤改良剂配施后能显著提高土壤结构稳定性,降低土壤结构分形维数。其中粉碎氨化秸秆对提高土壤稳定性具有一定的迟效性。秸秆经过不同预处理后施入土壤使土壤孔隙连通性降低,并随着秸秆的分解得到改善。其中长秸秆对土壤孔隙连通性改善作用较粉碎秸秆差。试验表明,土壤团聚体分形维数与土壤结构评价指标均呈极显著负相关关系(P<0.01),土壤团聚体分形维数FD与低吸力段土壤孔隙分形维数Dp之间呈极显著直线相关关系,相关系数为-0.80。FD与Dp两者结合分析可定量描述不同预处理秸秆对土壤结构、低吸力段持水特性的动态影响过程。     

深圳不同植被类型城市土壤团聚体组成与分形特征

采用干筛法和湿筛法测定了深圳市乔木、灌木、草地植被绿地土壤团聚体粒径质量分布,并基于分形理论研究了土壤团聚体分形特征。结果表明,①乔木、灌木、草地之间土壤>0.25mm粒级团聚体、平均质量直径及土壤分形维数均差异显著;土壤团聚体稳定性总体表现为草坪绿地>乔木绿地>灌木绿地。②土壤非稳性团聚体分形维数、>0.25mm粒级团聚体以及平均质量直径之间均极显著相关;水稳性团聚体分形维数、>0.25mm粒级团聚体、破坏率以及平均质量直径之间均极显著相关。植被类型显著影响城市绿地土壤团聚体分布及其分形特征。     

基于分形理论的设施土壤水分特征曲线研究

采用现场调查取样与室内分析相结合的方法,研究了设施栽培条件下原状土壤和扰动土壤分形维数及其与水分特征曲线的关系,结果表明:在相同质地的情况下,分形维数随土壤容重的增大而增大;设施土壤水分特性曲线原状土分形维数与扰动土分形维数具有良好的线性关系;通过原状土与扰动土分形维数的关系来预测的原状土水分特征曲线在整个含水率范围内预测结果与实测值一致性较好,表明根据土壤扰动土分形维数来预测原状土水分特征曲线是可行的。     

利用CT扫描技术确定土壤大孔隙分形维数

土壤大孔隙的大小、形状和分布对水及溶质在土壤中的运移有着深刻影响,由于土壤大孔隙的分布呈现分形规律,根据采用CT扫描法得到的原状土柱各断面图像,采用计盒维数法计算出各断面土壤大孔隙的分形维数。     

射流混药装置二维和三维流场对比分析

为了探索射流混药装置的设计方法和试验方法,从数值模拟和试验研究两方面对射流混药内部流场进行了对比分析.建立了射流混药装置的三维模型,且将射流混药装置侧向农药入口等效为环向入口建立了其二维轴对称模型,分别确定了二维轴对称流场和三维流场的数值模拟方案,采用CFD软件Fluent对其流场进行了数值计算,并比较了二维轴对称模型与三维模型完成计算的CPU时间,结果表明二维轴对称模型比三维模型的计算效率高64%.搭建了混药试验台,测量了射流混药装置流动性能参数.试验研究的测量结果与数值模拟方案的计算结果对比确证表明：二维轴对称模型数值计算结果与实测值的最大偏差和平均偏差分别为7.41%和4.14%;三维模型数值计算结果与实测值的最大偏差和平均偏差分别为5.13%和3.41%,这表明确定的射流混药装置二维轴对称模型和三维模型的数值模拟方案均可用于工程计算.     

射流混药装置二维和三维流场对比分析

为了探索射流混药装置的设计方法和试验方法,从数值模拟和试验研究两方面对射流混药内部流场进行了对比分析.建立了射流混药装置的三维模型,且将射流混药装置侧向农药入口等效为环向入口建立了其二维轴对称模型,分别确定了二维轴对称流场和三维流场的数值模拟方案,采用CFD软件Fluent对其流场进行了数值计算,并比较了二维轴对称模型与三维模型完成计算的CPU时间,结果表明二维轴对称模型比三维模型的计算效率高64％.搭建了混药试验台,测量了射流混药装置流动性能参数.试验研究的测量结果与数值模拟方案的计算结果对比确证表明:二维轴对称模型数值计算结果与实测值的最大偏差和平均偏差分别为7.41％和4.14％;三维模型数值计算结果与实测值的最大偏差和平均偏差分别为5.13％和3.41％,这表明确定的射流混药装置二维轴对称模型和三维模型的数值模拟方案均可用于工程计算.     

分形多孔介质孔道网络模型的构

采用压汞试验获得实际多孔介质的微观结构参数.以冻干马铃薯为例计算了孔隙分形维数,结果表明冻干马铃薯结构具有显著的分形特性.运用位似变换理论、分形理论、Voronoi图以及马铃薯的特征参数等,构建出与马铃薯结构参数相对应的二维分形孔道网络模型.构建的网络模型考虑了影响多孔介质干燥的孔道微细结构特征,模型参数能够很好地反映多孔物料的微观结构.且获得了合理的分形维数.     

双掺矿渣和硅灰透水混凝土性能试验研究

研究双掺矿渣和硅灰透水混凝土的性能。采用正交试验分析方法,研究了透水混凝土在20%目标孔隙率、双掺矿渣和硅灰情况下,水胶比、骨料粒级、矿渣掺量和硅灰掺量4个因素对透水混凝土有效孔隙率、平面孔隙率、平均等效孔径、透水系数和抗压强度的影响。试验结果表明,水胶比是影响透水混凝土透水性能和强度的主要显著因素,骨料粒级是影响内部孔径大小的显著因素;水胶比和骨料粒级通过影响孔径分布和孔径大小来影响透水混凝土的物理力学性能;图像法能够较好地表征透水混凝土的平面孔隙结构。     

漓江水陆交错带土壤粒径分形维数与水力性质

分析漓江水陆交错带土壤粒径分形维数与水力性质,为漓江流域水陆交错带土壤迁移、沉积和土壤水文循环模拟提供参考依据。以漓江5个典型水陆交错带样地为研究对象,测定土壤基本物理性质和水力参数,计算土壤粒径分形维数,基于相关分析、冗余分析和逐步回归分析探讨分形维数与水力性质的关系。结果表明,漓江水陆交错带土壤粒径主要集中在0～400μm,土壤质地偏细,黏粒含量较高;土壤粒径分布范围中体积分数占比大的颗粒占主导地位,土壤粒径主要分布在密集区域,但粒径分布稀疏区的土壤颗粒对环境因子更敏感;单重分形维数（D）、信息维（D(1)）、关联维（D(2)）、信息维/容量维（D(1)/D(0)）、谱宽（Δα）与饱和含水量、田间持水量、总孔隙度、VG模型和BC模型拟合的饱和含水量参数（VG-θs、BC-θs）呈显著负相关,与土壤容重呈显著正相关;D、D(1)、D(2)、D(1)/D(0)与土壤砂粒含量呈极显著负相关,与土壤颗粒比表面积、黏粒含量、粉粒含量呈极显著正相关;土壤基本物理性质可解释分形维数95.84%的变异,砂粒含量和总孔隙度是影响D值变化的主要因素,砂粒含量是影响D(1)、D(2)、D(1)/D(0)...     

信鸽表面形貌的分形特性

分析了信鸽表面形貌的非光滑特性,并利用激光三维扫描控制系统获取了信鸽背部、胸部及翅膀表面的三维信息,基于分形理论对其表面进行了研究,采用计盒维数方法计算出了信鸽的背部、胸部及翅膀表面面维数和线维数,并分析了其分布。结果表明,信鸽的背部、胸部及翅膀表面均呈现分形特征,面维数范围为:2.8988～2.9788,线维数的范围为:1.0002～1.0247,信鸽表面形貌的分形特性研究为定量分析信鸽表面在空气介质中的减阻机理提供了基础信息。