基于Fluent的风洞典型风蚀地表风速廓线的模拟

利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent对OFDY-1.2型可移动式风蚀风洞中模拟典型农田风蚀地表风速廓线进行数值模拟,通过改变棒栅、尖塔和粗糙元的尺寸、形状和位置,分别用软件和室内风洞实验模拟出了与野外实地测试廓线相吻合的风速廓线。同时,对野外实测、室内风洞模拟和软件数值模拟的风速廓线进行了离散程度分析。     

便携式近地表风速廓线仪的研制

土壤风蚀是我国北方干旱、半干旱以及部分半湿润地区土地退化的主要原因之一,风是引起土壤风蚀的最直接动力,对土壤风蚀的研究需要测量大气边界层近地表的风速廓线。为此,针对现有的风速廓线仪在野外测试中存在的缺陷和不足,研制出了针对土壤风蚀测试的便携式近地表风速廓线仪。该廓线仪采用了抗风沙的楔形热膜风速传感器,采用低功耗的无线网络数据传输方案。经过风洞校准和野外的测试试验,证明研制的风速廓线仪携带方便、抗风沙能力强,能够精确地测量近地表的风速廓线。     

植被盖度和灌木带状配置对近地表风速廓线的影响

采用便携式风速廓线仪分别对不同植被覆盖度和灌木带状配置的退化草原进行实验研究,结果表明:地表植被盖度越大,其降风速和防风蚀效果越明显,地表盖度分别为85%、35%、20%和小于5%时,距离地表2 cm处的风速相较6 4 cm处的风速降低幅度分别为7 2.4%、6 7.1%、6 1.7%和4 4.9%;灌木带越高,对牧草带有效保护距离越宽,植株高度大于0.7m的灌草带状配置有效保护距离均大于6m。因此,提高地表植被盖度和增大灌木带高度对近地表的风速廓线有较大影响,具有显著的抗风蚀效果。     

热敏式近地表无线风速廓线仪研究

针对常用风速廓线仪线路连接复杂、体积和功耗大、测量精度与自动化程度低且无法实现数据的实时记录与处理,致使研究退化草地近地表风速变化规律、地表粗糙度及其抗风蚀能力等诸多困难等问题,基于热敏电阻和无线传感网络技术,设计了具有体积小、功耗低、测量精度高的热敏式风速传感器和具有自动风向识别与无线数据传输功能的近地表风速廓线仪,实现了环境温度、湿度、大气压力、近地表风速等数据的自动采集、无线传输和实时处理等功能。试验表明:该风速廓线仪的旋转启动风速为3.7 m/s,风速测量范围为0~16 m/s,精度不低于0.3 m/s,最大响应时间为3 s,一次充电可连续工作7 h以上,能够准确反映近地表风速随高度的变化规律,风速廓线的指数拟合度在0.9以上;软件系统可实现对最多6个风速廓线测点的循环自动采集与处理,在射频功率最大、空中传输速率为2.4 kb/s时,35字节的数据包有效传输距离不低于500 m,6个节点完成一次数据传输所需时间不超过10 s。该系统具有功耗低、使用方便、操作简单、自动数据采集等优点,能够满足近地表风速变化规律的研究需要。     

热膜式无线风速廓线仪

针对目前常用的压差式风速廓线仪测量误差大、移动不便等问题,设计了一种热膜式无线风速廓线仪,并在风蚀风洞中进行了标定。该测试系统可实现多点数据采集和无线传输,具有结构简单、性能可靠、便于携带安装、抗污染和测速范围宽等优点。结果表明,经过标定后的热膜式无线风速廓线仪标定误差在0.379 8 m/s以内,所测试的风速廓线呈指数分布,符合近地表风速垂直分布规律。     

旱作农田近地表风沙运动与防风蚀效果

针对农田沙害,用移动式风蚀风洞及相关配套设备对莜麦留茬、砾石覆盖和传统旱作农田地表进行原位测试,研究它们的近地表风沙运动规律,探索莜麦留茬和砾石覆盖对旱作农田土壤风蚀的作用机理和防护效果,从而为农田风蚀防治提供技术依据。研究表明,莜麦留茬、砾石覆盖近地表风沙运动与对照秋翻地明显不同;受莜麦残茬和砾石覆盖的阻挡、疏散作用,风沙活动层提升,近地表风速不同程度削弱;输沙量小于对照秋翻地并且在近地表一定高度处出现极大值。抗风蚀效率分析证明,莜麦留茬和砾石覆盖对旱作农田防治风蚀都有重要的作用,但砾石覆盖不如莜麦留茬的防风蚀效果好。     

植被保护对土壤抗风蚀性能的影响

本文给出了沙地和植被保护沙地两种地表风速廓线和粗糙度的测试结果,并对两种地表的测试结果进行了分析,由此,得出植被保护对提高土壤抗风蚀能力的作用效果。     

阴山北麓农牧交错区草地土壤风蚀测试

利用移动式风蚀风洞及相关配套设备对3种不同植被盖度的草地选择3种风速进行野外原位测试,获得了不同植被盖度草地的风速廓线和输沙量.结果表明,草地风速廓线总体上呈指数规律,且随地表高度的增加迅速增大;不同植被盖度草地在0～70 cm范围内输沙量与高度的关系以指数函数拟合效果好,输沙量主要集中在近地表30 cm以下;植被盖度55％的草地对在地表10 cm及以下的近地表风速阻挡效果与植被盖度80％的草地类似,其输沙量曲线与植被盖度80％的草地输沙量曲线很近,但距盖度30％的退化草地输沙量曲线较远.因此,植被盖度约50％是阴山北麓草地有效防风蚀的最低盖度.     

四子王旗草地修复试验区不同修复模式的抗风蚀试验

针对内蒙古四子王旗农牧交错区的荒漠化草地,用移动式风蚀风洞及相关配套设备对20%盖度退化草地、40%盖度带状柠条修复草地和60%盖度冰草修复草地进行原位测试,研究它们的近地表风沙运动规律,探索柠条带状配置修复和冰草喷播修复草地土壤抗风蚀的作用机理和防护效果,从而为农牧交错区荒漠化草地的风蚀防治提供技术依据。研究结果表明,在同一风速下,草地的粗糙度由大到小依次为柠条修复草地、冰草修复草地和退化草地,其中,柠条修复草地的粗糙度平均值为2.46 cm,分别是冰草修复草地和退化草地平均粗糙度的1.95和2.76倍;随着距地表高度的降低,3种草地风速均呈现减小趋势,当风洞中心风速为9 m/s时,柠条修复草地、冰草修复草地和退化草地地表在8 cm处的风速较之64 cm处的风速分别降低82.23%、66.67%和61.11%。冰草修复草地与退化草地的输沙率曲线都是随高度增加呈指数函数形式单调递减,冰草修复草地的曲线衰减更快,而柠条修复草地的输沙率最小,其输沙率在距地表约柠条带顶部的30 cm处出现极大值,在柠条带顶部以上的输沙率才会按指数规律递减。因此,带状配置柠条修复草地对风沙流的阻碍和改变作用差异显著,在低覆盖度下仍达到较好的抗风蚀效果。     

风速对温室内气流分布影响的CFD模拟及预测

基于CFD数值模拟技术,采用标准湍流模型和DO辐射模型对室外风速为0.9m·s-1时Venlo型玻璃温室内气流分布模式进行了3-D稳态求解,并对模拟结果进行了试验验证,结果表明:模拟值与实测值吻合良好,平均相对误差为13.4%,CFD数值模型有效.采用该模型对室外风速为1.5m·s-1和2m·s-1时室内气流场进行了预测,并得出了3种风速下温室的通风率与室外风速之间呈线性关系,R2=0.9846.风速是影响温室通风率的关键因素.风速低时,室内气流分布模式受室外环境影响较轻微,作物区气流分布比较均匀一致;随着风速的增高,室内气流流速增大并伴有涡流出现,温室高度方向梯度明显.     

基于Matlab地表滴灌土壤水分运动的数值模拟

滴灌条件下土壤水分运动规律是当前农业工程中重要研究领域。基于土壤水运动基本方程,结合作物根系吸水特点,建立了地表滴灌条件下土壤水分运动二维数学模型。应用Matlab软件,通过数值模拟方法,得出了Van Genuchten模型的参数值,推导了渗透参数拟合公式,进一步对地表滴灌土壤水分运动过程进行模拟。同时,利用Matlab强大的绘图功能对拟合曲线与实测数据进行了直观的比较。结果表明,所构建的数学模型对地表滴灌条件下的土壤水分运动变化具有较好的模拟效果。     

植被覆盖地表的空气动力学粗糙度及对土壤风蚀的影响

空气动力学粗糙度是影响植被覆盖土壤抗风蚀能力的重要因素.利用移动式风蚀风洞对试验区田地表进行原位测试,由风速廓线得到的空气动力学粗糙度,可有效地反映地表的空气动力学性质.测试结果表明:植被盖度愈大,空气动力学粗糙度愈大;土壤风蚀量随空气动力学粗糙度增大呈指数规律下降.     

风蚀风洞风速监控系统的研究-基于PLC和Labwindows/CVI

主要利用Labwindows/CVI程序设计语言,来实现风蚀风洞风速监控系统中PLC与PC机的串行通信,并实现变频器的启动、复位和报警等开关量的自动控制,从而大大提高了利用风洞进行土壤风蚀和土地荒漠化研究等的自动化水平。     

沙障地表形态衍化数值模拟方法研究

提出了一个风沙相互作用数值模型,该模型以概率统计理论为基础,通过计算不同地表风速下沙粒的风蚀与沉积概率来实现风-沙相互作用过程,最后通过动网格技术,改变下边界节点坐标,实现沙床表面的起伏变化。数值计算与野外沙障凹坑的测量结果对比表明,沙障内地表形态的数值计算结果与实测地表形态较为接近,凹坑最低点位置向下风向一侧移动,误差最大位置为凹坑的最低点处,t=4 d时,平均绝对误差为17.86%,随着积沙增加,误差逐渐减小,t=8 d时,平均绝对误差为8.52%。所提模型无论从定性还是从定量上,都与野外测量结果较为一致,可以正确模拟沙障地表的发展过程。     

基于Fluent的作物留茬防风蚀效应研究

作物留茬是一项防止农田土壤风蚀的简单而有效的保护措施。本文利用计算流体力学软件Fluent对OFDY-1.2型可移动式风蚀风洞在作物留茬影响下的内部流场进行了仿真模拟研究,可以直观的得到流场压力和速度分布图,直观的了解作物留茬对风洞内流场的影响。     

大直径近间距多线平行顶管施工相互影响研究

目前对大直径、长距离、复杂地层、浅覆盖条件下的近间距多线顶管施工尚无实践经验，也缺乏系统的理论研究成果。本文通过建立顶管试验模型，模拟现场单顶管和多线平行顶管的施工过程，研究并分析顶管顶进过程中土体的应力和应变的变化情况，模拟周围环境的变化对于施工的影响，以及注浆减摩技术对施工过程的影响，为现场施工提供必要技术资料。     

农牧交错区地表土壤风蚀物垂直分布规律研究

利用移动式风蚀风洞对阴山北麓农牧交错区无退化草地、退化草地、传统耕作农田和保护性耕作农田等4种典型地表土壤的抗风蚀能力进行了原位测试研究,探讨了4种典型地表土壤风蚀物的垂直分布规律.研究表明,4种典型地表土壤风蚀量在高度上的分布具有一定规律.其中,无退化草地、退化草地和传统耕作农田地表土壤风蚀量随高度的变化遵循指数规律;而保护性耕作农田土壤风蚀量随高度的变化呈明显的随机性特征.由于直立残茬和植被覆盖的共同作用结果,风洞集沙仪收集的保护性耕作农田最大土壤风蚀量集中在距地表18～40 cm的高度范围内.     

基于SHAW模型的冬小麦近地面层气温模拟

利用一维多层水热耦合SHAW（The simultaneous heat and water）模型,在田间实验的基础上,模拟河南省商丘地区2015年冬小麦拔节后近地面层0~40 cm垂直方向上的每小时气温变化特征。结果表明,冬小麦近地面层气温模拟整体效果较好,其中48%模拟的绝对误差低于1℃,75%模拟的绝对误差低于2℃,不同高度上模型效率ME均大于0.94;夜晚气温的模拟效果优于白天的模拟效果,白天11:00—14:00气温被过低估计,并随着近地面层高度的增加,模拟值误差越大;近地面层内3种气温特征值模拟效果的优劣依次为：日平均气温、日最低气温、日最高气温,其中,日平均气温模拟值与实测值基本吻合,日最低气温被略微高估,日最高气温被过低估计。此外,SHAW模型在冬小麦拔节后6个生育期的模拟效果均存在差异,拔节期、灌浆期和乳熟期模拟效果较好,孕穗期和开花期次之,抽穗期模拟效果相对较差。     

基于正交试验和Fluent仿真的作物残茬防风蚀效应研究

利用可移动式风蚀风洞进行了作物留茬地表抗风蚀试验,对不同作物种类、留茬高度、覆盖度的留茬地表防治农田土壤风蚀的保护能力进行研究,应用正交设计来安排试验。利用计算流体力学(CFD)软件Fluent对0FDY-1.2型可移动式风蚀风洞中气流流场进行模拟,直观地了解作物留茬对风洞内流场的影响。