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...     

夏玉米田水热耦合运移的数值模拟

本文从土壤水热耦合运移的基本方程出发，依据能量平衡原理和质量守恒定律，系统地描述了ＳＰＡＣ中的水分传输和能量转换，模拟了系统中水分和热量的动态变化过程。经夏玉米生育盛期模拟值与实测值的比较分析表明，用本文提出的模型模拟田间土壤水热动态和作物生理特性的变化过程具有较高的精度。     

夏玉米田水热耦合运移的数值模拟

本文从土壤水热耦合运移的基本方程出发，依据能量平均原理和质量守恒定律，系统地描述了ＳＰＡＣ中的水分传输和能量转换，模拟了系统中水分和热量的动态变化过程，经夏玉米生育盛期模拟值与实测值的比较分析表明，用本文提出的模糊模拟田间土壤水热动态和作物生理特性的变化过程具有较高的精度。     

胡萝卜超声波预干燥热湿耦合迁移过程的数值模拟

为了探讨超声波对含湿多孔物料内部水分迁移过程的影响,对超声波作用下胡萝卜片预干燥过程进行了试验观测,建立了食品含湿多孔介质超声波预干燥过程热湿耦合传递的数学模型, 推导了超声波作用下含湿多孔介质中水分的有效扩散系数,对胡萝卜超声波预干燥的热湿耦合迁移过程进行了数值模拟,分析讨论了超声声强对样品干燥速率及温度的影响。研究结果表明, 超声波能有效加速胡萝卜的预干燥过程,且样品内水分扩散系数及干燥速率均随超声强度的增加而逐渐增大。当超声强度为 1.5 W/cm2 时,样品干燥速率与无超声波作用时相比提高了约 3     

内蒙古河套灌区冻融周期内渠道水热耦合数值模拟

为了研究季节性冻土区温度对渠道水分场的影响以及变化规律,在一个冻融周期内对河套灌区南边分渠地温和含水率进行了现场测试,并基于Harlan模型和Darcy定律,建立了二维水热耦合模型,利用有限元软件对渠道的水分场和温度场进行了数值模拟。结果表明,随着渠道边坡表面温度的降低,冻结锋面逐渐向下发展,水分在温度梯度的影响下不断向渠道表面聚集,对渠道衬砌产生冻胀破坏,渠道边坡中下部水分迁移量大,冻胀破坏严重,低温与水分迁移量之间存在时间上的滞后。模拟值与现场测试结果相符,验证了水热耦合数值计算模型的正确性。     

地表滴灌条件下水热耦合迁移数值模拟与验证

土壤水热分布状况是作物优质高产的关键环境条件之一，基于土壤水、热运动基本方程，结合地表滴灌水分运动特点，建立了地表滴灌水、热运移数学模型，利用HYDRUS-2D软件对构建的数学模型进行了数值求解，并对数值模拟得到的土壤水热值与田间实测数值进行了对比验证。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和土壤温度变化及分布的动态变化具有较好的模拟效果；当土壤、气象以及灌水资料等可知时，利用该数学模型可以较准确地预测地表滴灌条件下水热耦合迁移与分布规律，模型可用来适时监测和调控地表滴灌条件下作物生长所需的土壤水、热环境条件。此外，数值模拟值和实测结果都显示，地表滴灌条件下上层土壤的水分和温度值较下层土壤易受到土壤蒸发和大气温度剧烈波动的影响。     

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。     

发动机排气门热-机械耦合应力数值分析

建立了某发动机排气门组有限元耦合模型,模拟了排气门在热-机械负荷共同作用下的耦合应力场分布规律。计算结果表明:气门锥面处周期性变化的应力是导致气门锥面疲劳点蚀的主要原因;气门锁夹槽处的应力变化会导致气门锁夹槽疲劳断裂。这为排气门材料的选择提供了参考,为气门进一步结构设计和优化设计奠定基础;气门的热膨胀量为气门间隙的设置提供依据;同时,三维有限元法能为内燃机零部件的进一步设计改进提供了很好的理论依据。     

初始含水率对斥水黏壤土入渗特性的影响

为了探究初始含水率对斥水土壤入渗过程的影响规律,通过室内二维土箱的滴灌模拟试验,设置6个初始含水率水平(4.78%,7.28%,9.97%,13.64%,16.07%,19.02%),研究了初始含水率对湿润锋运移距离、宽深比、累积入渗量、入渗速率和土壤水分分布的影响,并评价了不同入渗模型的适用性.结果表明:随着初始含水率的提高,湿润锋运移相同深度所需时间呈逐渐减小趋势,两者较好满足幂函数关系,湿润锋宽深比逐渐减小;累积入渗量变化趋势为先减小后增大;入渗速率整体趋势为逐渐减小,其中斥水程度峰值含水率附近的处理出现入渗速率短暂提高的现象;Kostiakov模型能够较好反映斥水黏壤土的入渗规律,且斥水程度越大,模型拟合精度越低;随着斥水程度增加,土壤水分逐渐向湿润体垂向中间区域集中,并出现过度饱和现象.该研究可为斥水土壤的入渗理论奠定一定的基础.     

岩溶塌陷水动力-力学耦合过程数值模拟——以武汉市青菱乡为例

岩溶塌陷是近年来我国频发的主要地质灾害之一,地下水是影响岩溶塌陷的重要因素,基于Terzaghi固结理论和GMS软件建立水动力-力学耦合模型,在GMS软件模拟流场的基础上编制了力学计算程序,实现了水动力-力学耦合模拟,因此本文的研究具有十分重要的理论与实际意义。以武汉市青菱乡烽火村地质条件为背景,通过建立的水动力学-力学耦合模型,对武汉市青菱乡重点塌陷区的岩溶塌陷进行了模拟及预测评价。结果表明与定性分析的影响因素一致,降雨加速了土体破坏变形,加快了土洞破坏;工程建设排水发生流砂现象,使砂层发生破坏;长江水位波动所引起的力学效应对土洞的发育具有明显影响。     

高压大排量径向柱塞泵滑靴副流固热耦合数值模拟

针对高压大排量径向柱塞泵滑靴副油膜的摩擦与润滑失效问题,在充分考虑油液的弱可压缩性以及黏温、黏压特性基础上,对滑靴副流场及固体域结构展开流固热耦合数值模拟,探讨不同工况对滑靴副油膜的支承特性以及滑靴、定子结构强度变化的影响规律.研究结果表明:随着径向柱塞泵工作压力的升高,滑靴副油膜压力有较大幅度的上升,油膜的速度场与温度场基本不变;随着径向柱塞泵转速的增大,滑靴副油膜内油液的速度及温度均有较大幅度的上升,油膜的压力场基本不变;滑靴的最大变形与应力均出现在滑靴副中心油腔底部的阻尼孔出口边缘,该部位几何结构较薄,且承受中心油腔高压油压力载荷与温度载荷,是整个滑靴结构中强度最薄弱的部分;同时,黏性摩擦产热导致的油膜温升对滑靴副的结构强度有较大影响,也是限制柱塞泵转速提升的一个重要因素.研究结果可为高压大排量径向柱塞泵滑靴副优化设计提供一定的参考.     

不同初始含水率条件下的微咸水入渗实验

针对矿化度均为3g/L的微咸水入渗时,土壤初始含水率对土壤入渗过程的影响,采用室内均匀土柱一维垂直入渗实验方法,分别对初始含水率为2.25%、8.18%、13.12%、16.40%的土柱入渗过程进行了研究。分析了不同土壤初始含水率对累积入渗量和湿润锋推进深度以及土柱剖面含水率的影响。采用Kostiakov模型对累积入渗量和时间的关系进行了拟合,结果表明累积入渗量与初始含水率呈负相关关系。采用幂函数将初始阶段的湿润锋推进深度与时间关系进行拟合,结果表明二者呈明显的幂函数关系,且初始含水率越高湿润锋推进速度越慢。采用一维代数模型对土壤剖面含水率进行分析发现,初始含水率越高,模型的理论值越准确。总之微咸水在土壤中的入渗能力与初始含水率有着密切关系,随着入渗过程的进行,初始含水率对入渗能力的影响逐渐减小。     

基于机器学习算法模拟不同土壤深度含水率

准确模拟土壤水分(SM)对农田精准灌溉、优化区域水资源配置和提高农业水资源利用效率具有重要意义。采用逐日气象和土壤含水量数据,探究随机森林(RF)和支持向量机(SVM)模拟不同深度(4 cm、10cm和20 cm)土壤含水量的适用性,采用太阳辐射(R_s)、空气温度(T)、降水量(P)、风速(U₂)、空气湿度(RH)和土壤温度(ST)数据的4种输入组合,探讨不同输入变量对SM模拟的影响。结果表明：RF模型在4种输入组合下模拟不同深度土壤含水量精度最高,SVM模型模拟精度较低,R²范围分别为0.871～0.914和0.710～0.814,RMSE范围分别为0.050～0.069 cm³/cm³和0.080～0.098 cm³/cm³,MAE范围分别为0.030～0.051 cm³/cm³和0.060～0.077cm³/cm³。考虑模型精度和数据易获取性...     

水-能源-粮食纽带关系耦合模拟模型及案例研究

水-能源-粮食纽带关系(Water-Energy-Food Nexus,WEF-Nexus)是可持续发展领域的新课题。为定量分析WEF-Nexus对区域水、能源、粮食的供应、需求、自给率产生的影响,在考虑资源纽带关系的基础上,基于生命周期理论和灰色预测方法构建了水-能源-粮食纽带关系耦合模拟模型。以江苏省为例,模拟其在不同情境下2017-2020年的资源供需、自给率及不同消费部门的满足度变化。结果表明:在保持当前趋势下,水资源自给率和粮食自给率暂时高于100%,但有下降趋势,能源自给率未达到90%;在调整能源生产结构和消费水平后,能源自给率和水资源自给率均有所提高;在调整粮食种植结构后,粮食自给率提高但用水量可能也会相应增加,不利于水资源自给率的提高。     

受淹农田土壤-上覆水氮磷迁移特征模拟研究

【目的】研究受涝农田土壤中氮磷流失规律及上覆排水中氮磷释放特征,探求合理的排水时间。【方法】基于原状土试验测坑开展大豆淹水试验,分析了淹水前后土壤中氮磷变化量、淹水过程中土壤pH值、Eh值以及上覆水中氮磷质量浓度的变化。【结果】随着淹水历时延长,土壤氮磷损失率增加,2次试验淹水结束较淹水前土壤全氮、全磷损失率均值约为7.63%和3.17%,碱解氮降低17.84%,有效磷增加8.65%;上覆水中TN、NH4+-N和NO3--N质量浓度在淹水第1天增速较快,分别达到0.405、0.192和0.209 mg/L,2～4 d时间内TN质量浓度缓慢增加,NH4+-N和NO3--N质量浓度之和减少为0.226 mg/L,第4天至淹水结束,TN和NH4+-N质量浓度增加,NO3--N质量浓度继续降低,整个淹水过程无机氮质量浓度占总氮比例由98.5%降至54.4%;淹水过程中上覆水含磷量不断增加,呈现二次多项式变化特征,淹水结束TP质量浓度为0.615 mg/L,其中可溶性磷酸盐占TP质量浓度的80.5%～91.6%;淹水后,受试土壤的pH值和Eh值降低,进一步增强了土壤中氮磷向上覆水迁移的能力。【结论】综合考虑受淹农田氮磷迁移特征和作物产量等因素,农作物在受淹后应采取控制排水措施,以减少氮磷随地面排水的流失。大豆花荚期受淹后第3天为最佳排水时机。     

秸秆覆盖对不同初始含水率土壤产沙过程的影响

秸秆覆盖是防治水土流失最有效的措施之一。该文通过模拟降雨（降雨强度为60 mm/h,降雨历时1 h）研究坡耕地在不同土壤初始含水率状态下秸秆覆盖变化对产沙过程的影响。试验地位于中国科学院红壤生态实验站,土壤类型为耕作铝质湿润淋溶土,试验小区为12 m×3 m,坡度为9%。处理分为5个水平的覆盖度（0、15%、30%、60%和90%）和2种土壤初始含水率（干态和湿态）。结果表明,在0、15%、30%、60%和90%覆盖度下,干态土壤平均产沙速率依次为24.5、15.8、10.4、11.2和1.0 g/(m2·h),同一覆盖度下产沙速率在模拟降雨时段内略微增大。湿态土壤条件下平均产沙速率依次为115.6、70.0、49.6、34.8和31.9 g/(m2·h),同一覆盖度下产沙速率在模拟降雨时段内下降明显。0、15%、30%、60%和90%覆盖度下平衡时产沙速率依次为52.5、30.5、22.8、19.8和15.4 g/(m2·h)。另外,5个水平的覆盖度中,30%的花生秸秆覆盖降低不同前期含水率下土壤产沙速率50%以上。因此,不同前期含水率情况下土壤产沙速率对秸秆覆盖度变化的响应非常明显,30%秸秆覆盖具有较为经济的水土保持效果。     

离心泵流场流固耦合数值模拟

离心泵叶轮在流场中受到的应力及产生的变形对速度场和压力场有一定的影响。采用双向同步求解方法对离心泵流场和叶轮结构响应进行联合求解,分析叶轮流固耦合作用对其内部流场的影响。对不同工况进行的计算结果表明,叶轮和叶片中应力分布明显不均,局部出现应力集中;叶轮出口后盖板在偏离设计工况时变形较大,影响叶轮出口速度,使蜗壳出现分流的部位向出口移动;导致叶轮出口压力不对称状态、不稳定性更严重;各监测点上压力变化较明显。     

蓄水坑灌下果园土壤水-热-氧三维分布数值模拟

【目的】构建蓄水坑灌条件下的土壤水-热-氧三维分布耦合模型,探究蓄水坑灌对土壤水、热、氧分布的影响,揭示蓄水坑灌下的土壤水、热、氧空间分布特征。【方法】基于土壤水分运动方程,土壤热量传输方程和土壤氧传输方程,建立蓄水坑灌下的土壤水-热-氧三维耦合模型,利用COMSOL Multiphysics软件进行数值求解,采用田间实测数据对模型进行验证,基于验证后的模型模拟增设蓄水坑和灌水对果园土壤水、热、氧分布状况的影响。【结果】三维耦合模型具有较高的精度,模型模拟土壤含水率、土壤温度和土壤氧浓度的RMSE分别为0.0367、1.6099和0.0138。增设蓄水坑后,坑壁土壤水、热、氧状况发生较大改变;随着时间的推移,蓄水坑周围的土壤含水率降低,土壤含氧量升高,坑壁与地表土壤温度呈相同的变化规律,均随着气温的降低而降低。蓄水坑灌水后,水分通过坑壁渗入土壤,形成以坑底为中心的椭球状含水率高值区和土壤温度、含氧量低值区,三者分布随着时间推移趋于均匀,但灌水对土壤温度的影响时间远低于对土壤含水率和含氧量的影响时间。灌水对土壤氧浓度影响较小,氧浓度在地表和坑壁处较高;距地表和坑壁处越远,土壤氧浓度越低。...     

汽后地板多步拉延工艺数值模拟

运用仿真和实冲实验相结合的方法,通过对两步拉延成形方式的FLD曲线、材料厚度分布图和变形路径图的分析,研究了汽车后地板多步冲压成形特点和成形质量控制方法,以探索通过改变变形路径的方法设计成形工序。