微灌石英砂滤层流态特性与分形阻力模型参数确定

石英砂是微灌过滤中常用滤料,具有多孔介质属性。该文将多孔介质模型和分形理论相结合,对3种粒径的微灌石英砂滤层的过滤过程展开研究。将Ergun型方程无量纲化,并结合试验确定了石英砂滤层的流态分区。构建了石英砂滤层清洁压降的分形阻力模型,在模型中,过滤通道曲线分形维数、滤层横截面分形维数为待定参数。为了确定二者的值,将Ergun型方程与分形阻力模型相对比,得出了Ergun型方程经验系数的分形表达式,从而确定待定参数的值。首先,结合试验数据,拟合出湍流区经验系数的值,根据经验系数的分形表达式,确定了过滤通道曲线分形维数、滤层横截面分形维数等参数,得出了湍流区分形模型的表达式。然后,以湍流流区分形参数的值为边界值,确定了Forchheimer流区过滤通道曲线分形维数表达式和滤层横截面分形维数的值,并得出了Forchheimer流区分形模型的表达式。在此基础上,分析了滤层过滤特性:1)根据Forchheimer流区过滤通道曲线分形维数的变化规律,得出了在Forchheimer流区滤层存在成熟期的结论;2)探讨了滤层最佳过滤速度和最佳清洁压降的计算方法,构建了石英砂滤层过滤性能函数,并利用过滤性能函数计算出了滤层的最佳过滤速度和最佳清洁压降。3种滤层最佳过滤速度分别为0.02、0.024和0.027 m/s,最佳清洁压降分别为6 045、9 660、14 500 Pa。研究为微灌砂过滤器运行和设计优化提供了技术依据。     

冻干物料孔隙特性表征的分形模型与分形维数

为了定量表征冷冻干燥物料孔隙结构和形貌特性，采用两种多孔介质分形模型，通过压汞法研究冻干牛肉和冻干腊牛肉孔隙结构的分形特性。研究表明：对于孔隙特征尺度为1～100 μm的冻干牛肉和腊牛肉，采用Menger海绵模型表征孔隙结构时，尽管表观上表现出无标度区分段线性的特性，却无法确定合理的分形维数用于表征物料的孔隙分形结构；而采用热力学关系模型分析物料孔隙结构时，物料孔隙呈现显著的分形特性，并可给出合理的分形维数，该方法可用于定量表征冻干物料的孔隙分形结构特性。     

BEPS模型在华北平原冬小麦估产中的应用

粮食是一切生产和生活的根本,准确地估计冬小麦的产量,对国家制定粮食政策至关重要。该文利用北部生态系统生产力模拟（BEPS,boreal ecosystem productivity simulator）模型能够模拟森林植被净第一性生产力的特点,分析了BEPS模型在冬小麦估产中的适用性和局限性。针对冬小麦和森林植被冠层的不同生长特点,假设冬小麦冠层具有水平均一、垂直分层的结构,利用辐射传输方程,将原BEPS模型中的两片大叶模型改造为多层-两片大叶模型;同时,利用前人提出的收获指数（HI,harvest index）的概念,将冬小麦的净第一性生产力转化为经济产量,从而实现利用遥感机理模型对冬小麦产量的估算。将改进后的模型用于华北平原冬小麦估产中,并利用国家级农业气象站点的实测产量资料对模拟结果进行验证,复相关系数达到0.817,说明改进后的BEPS模型可以用于华北平原冬小麦的估产研究。     

流域地貌形态多尺度三维分形量化及尺度效应——以砒砂岩区二老虎沟为例

流域地貌形态的科学量化是地貌学研究和区域尺度土壤侵蚀模型研究中的热点问题之一。针对目前地貌形态分形量化模型中存在的地形模拟方法和模型结构不合理问题,基于GIS技术和分形理论改进了地貌形态分形量化模型,并使用无人机高分辨率DEM数据对砒砂岩区二老虎沟流域进行了多尺度地貌形态量化,进而研究了该区地貌形态三维分形量化的尺度效应。研究发现:(1)随着尺度的降低,该区三维分形维数呈线性降低趋势,即地形复杂度呈线性降低趋势;(2)砒砂岩区二老虎沟流域在10m尺度地形复杂度已大大降低;(3)根据多指标量化结果分析,地貌形态量化指标分为两类:地形复杂度指标和地形起伏度指标,前者具有明显的尺度效应,后者尺度效应不明显。     

基于分形理论模拟花岗岩崩岗剖面土壤水分特征曲线

崩岗是我国南方花岗岩地区特殊的土壤侵蚀现象,给山区经济造成了严重的影响.为了探索南方花岗岩地区崩岗侵蚀剖面的水分特性,明确水分与崩岗发育的关系,本研究采用野外调查采样与室内分析的方法,运用土壤粒径分形理论,并结合Brooks and Corey模型,模拟花岗岩崩岗剖面土壤水分特征曲线.选择通城县花岗岩崩岗剖面5个层次(表土层、红土层、过渡层、砂土层和碎屑层)采集土样,通过对土壤粒径分布和土壤含水量的测定,分析分形维数与土壤粒径之间的关系.同时,应用土壤粒径分形理论,模拟土壤水分特征曲线,基于估算结果与实测结果的比较,探讨分形方法估算土壤水分特征曲线的可行性.结果表明:崩岗剖面土壤黏粒质量分数越大,土壤粒径分维值越大;土壤粒径分维值越大,土壤水分特征曲线的分维值则越大,两者之间线性关系较好;运用分形理论,模拟土壤水分特征曲线的预测值与实测值具有良好的一致性,模拟结果的精度随土层的深度增加而增加,模拟效果以土壤黏粒和粉粒质量分数较少、砂粒质量分数较多的土壤效果较好.研究结果为花岗岩崩岗机理的探索奠定了基础,对崩岗水分的研究具有指导意义.     

基于分形理论的土壤优先流运动控制方程

为表征土壤优先流的快速非平衡运动、更准确地预测非饱和带土壤中的水流运动和溶质运移过程,该文在活动流场模型基本理论和土壤优先流表现出的分形特征的基础上,将分形理论引入到连续性模型,根据质量守恒原理建立了描述土壤优先流形式下水流运动和溶质运移过程的控制方程,发展和完善了活动流场模型理论;对比分析了活动流场模型理论与二域模型理论和活动裂隙模型理论之间的联系和区别。研究成果为运用活动流场模型解决优先流条件下土壤水流运动和溶质运移等相关问题提供了参考。     

基于格子Boltzmann方法分析果蔬真空冷冻干燥冻干速率

为实现果蔬真空冷冻干燥水分在线检测,研究果蔬冻干过程水分扩散运移规律及过程参数优化,该文基于格子Boltzmann方法以果蔬冻干过程孔隙度变化表达其冻干速率。由于果蔬在冻干过程中孔隙度会随着冰晶的升华而发生相应变化,水分扩散路径及孔隙度由外向内逐渐变化,运用格子Boltzmann方法和动力学能量守恒定律,模拟分析了果蔬冻干水分扩散速率变化分布情况,建立了孔隙度线性变化的多孔介质模型,结果表明多孔介质类果蔬孔隙度变化越大冻干速率就越大。试验验证以苹果为试材,在冻干1、3、5、7 h测取苹果样品含水率和对应的水分运移边界位置,并在苹果冻干样本水分运移边界处进行电镜微观拍片与孔隙度图像信息采集处理,获得相应的孔隙度试验值,通过对水分扩散边界位置与孔隙度相关性分析可知,苹果冻干过程孔隙度由内向外呈线性增加。进而导出含水率与孔隙度、孔隙度变化与干燥速率的相关关系,得知孔隙度的变化与冻干速率呈正比,试验验证与模拟结论相一致。表明多孔介质的孔隙度可作为物料内部流体传输的表征参数,可应用孔隙度的变化来表达冻干速率。该研究为冻干过程参数优化与机理分析提供了参考,在冻干水分在线监测等方面提供了应用基础。     

退火对冷冻干燥固态果蔬食品模拟体系冰晶结构和质构的影响

为探究冷冻过程中退火条件对真空冷冻干燥固体果蔬食品模拟体系冰晶结构、干燥特性、微观结构和质构的影响,该试验通过建立真空冷冻干燥果胶-蔗糖凝胶体系模拟果蔬天然网络结构,考察了不同退火条件对冷冻模拟体系的冰晶结构、冷冻干燥模拟体系的微观结构和质构等品质的影响。结果表明,退火温度范围和退火次数是影响冰晶结构、干燥过程和产品质构的重要因素。研究发现,冷冻模拟体系冰晶的直径均值、冰晶比例随退火温度范围增加和退火次数增加而降低;模拟体系的冷冻干燥速率随退火温度范围和退火次数增加而加快;冻干模拟体系的硬度和脆度随退火温度范围和退火次数增加而降低。采用0 ℃退火3次条件下,干燥时间最短约为14.0 h,此时模拟体系冰晶分形维数为1.616,冰晶直径极差为0.98 mm,直径切尾均值为0.16 mm,冰晶比例为75.00%,在脆度阈值为0.784 N时脆度保留效果最好,峰个数为4.33。相关性分析结果表明,模拟体系的干燥时间与冰晶直径分布的离散程度、直径均值呈正相关,与分形维数呈负相关,与冰晶的直径均值和退火到达温度呈正相关。该研究明确了退火条件对模拟体系冰晶形态和冻干后多孔结构的影响,可为真空冷冻干燥食品预冻过程中控制冰晶形成提供理论依据。     

玉米应力裂纹的生成和扩展过程模拟

对玉米应力裂纹进行了分形分析,结果表明,玉米应力裂纹具有近似的自相似性,即分形特征,因此,可以用分形的理论进行研究。根据显微图像分析,认为分形形纹的扩展有4种机制,即沿晶扩展、穿晶扩展、沿晶和穿晶偶合扩展及分叉扩展。建立了各种应力裂纹扩展机制的分形模型,给出了生成元维数,模拟了整个剖面和局部显微状态下应力裂纹的扩展过程。     

分布式流域产流数学模型的研究

基于流域下垫面各个因子空间分布不均匀的特点 ,开发出一个参数分布式流域产流模型 ,将流域划分为一系列网格单元 ,采用连续方程计算每一网格单元的反映。模型可与地理信息系统连结 ,以获取网格单元的地理信息 ,可视化地显示和分析各单元格的基本情况以及对降雨径流的关系。采用此模型对陕西镇巴县的黑草河小流域进行了模拟 ,模拟结果与实际的洪水过程符合良好。     

真空冷冻预干燥对压差膨化干燥果蔬脆片质地特性的影响

为探索预干燥处理对不同果蔬脆片结构及质地特性的影响,该研究采用真空冷冻干燥作为预干燥,并选取了3个水分转换点（60%、45%、30%）,对预干燥过程中6种典型果蔬(苹果,梨,桃,山药,马铃薯,青萝卜)水分状态、细胞结构、收缩率、孔隙度、应力-松弛特性与质地特性进行测定与分析。结果表明,随着预干燥的进行,水分含量逐渐降低,自由水逐渐散失,以不易流动水为主,收缩率逐渐减小,孔隙度逐渐增大,硬度、咀嚼性、弹性模量逐渐增加;水分转换点为60% 时不同果蔬脆片具有较高的硬脆度,其中马铃薯与山药脆片硬度较高,桃与梨的脆片脆度较高;水分转换点为30%时,6种果蔬的孔隙度最高,且青萝卜的孔隙度显著高于其他果蔬（P < 0.05）;在干燥后期,果蔬样品骨架基本形成,且收缩率较低,致使内部孔隙度变大;由相关性分析可知真空冷冻预干燥过程中水分转换点、孔隙度与果蔬脆片质地特性极显著相关（P < 0.05）,研究结果可为预干燥对果蔬脆片质地影响提供参考。     

基于低场核磁共振技术研究不同干燥方式对海鲜菇复水及品质特性的影响

为探索不同干燥方式对海鲜菇复水及品质特性的影响,分别采用真空冷冻干燥(不加热冻干、加热冻干、热泵干燥、热风干燥4种干燥方式对海鲜菇进行干制,结合海鲜菇干品的质构特性和复水率,通过低场核磁共振技术动态分析海鲜菇干品复水过程中水分的迁移和分布规律,并通过线性回归分析不同干燥方式与海鲜菇干品核磁参数、质构特性与复水率的相关性...     

利用LF-NMR探讨冻融处理影响甘薯膨化产品品质的机理

为探究冻融处理对甘薯变温压差膨化干燥产品品质影响的机理,应用低场核磁共振技术（low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR）研究了冻融后甘薯中水分存在形式和各组分含量,比较了冻融次数对甘薯膨化干燥产品硬度、色泽和多孔性等品质指标的影响。结果表明：冻融后甘薯LF-NMR自旋-自旋弛豫时间T2谱中出现4个水分峰,其横向弛豫时间分别为T21（0.25～0.55 ms）、T22（1～2.5 ms）、T23（5～12 ms）、T24（40～200 ms）。随着冻融次数增加,自由水含量（mT24）先增加后减少,结合最紧密的水含量（mT21）先减少后增加;干燥产品多孔性和复水性逐渐增大,ΔE逐渐变小,L*和硬度先减小后有稍许增大。相关性分析表明,多孔性与T24、mT23呈现显著正相关（P＜0.05）,相关系数分别为0.995、0.989;mT22与ΔE的相关系数为0.984。该研究为阐明冻融处理对果蔬变温压差膨化干燥品质变化机理分析提供了理论依据。     

适宜涂膜预处理提高扇贝柱渗透脱水效率

溶质在渗透脱水过程中过多渗入组织不利于渗透脱水进程,同时对营养、感官特性与外观形态等均会产生不利影响。为了抑制渗透脱水过程中溶质过多渗入扇贝柱,提高渗透脱水效率,研究了壳聚糖、低甲氧基果胶与海藻酸钠等3种不同成膜预处理对扇贝柱渗透脱水过程中传质特性影响。采用Peleg模型拟合扇贝柱渗透脱水过程中传质和动力学参数;采用Fick’s第二扩散定律评估水分扩散系数（Dew）和溶质扩散系数（Des）以及渗透脱水效率（Dew/Des）。扇贝柱渗透脱水过程受到成膜材料种类、渗透溶液温度和氯化钠质量分数影响显著（P<0.05）。成膜预处理扇贝柱的水分损失和氯化钠渗入的初始速率与平衡速率均低于（P<0.05）未经涂膜的对照组。有效扩散系数随着渗透脱水温度的升高而增加,水分和氯化钠有效扩散系数范围分别为1.224×10-9～2.466×10-9 m2/s和1.152×10-9～1.894×10-9 m2/s。成膜预处理可在维持较高失水率的同时有效地控制高温渗透脱水过程中氯化钠的渗入。海藻酸钠与低甲氧基果胶成膜预处理后扇贝柱的脱水效率（Dew/Des）高于（P<0.05）对照组。然而,对于壳聚糖成膜预处理,当氯化钠液质量分数高于30%或者质量分数为20%且温度为25℃时,扇贝柱脱水效率高于（P<0.05）对照组。扇贝柱渗透脱水过程中,为了调控固形物增加和提高渗透脱水效率,成膜预处理是一种行之有效的方法,具有广阔的应用前景。     

基于能耗分析的真空冷冻干燥食用菌汤块制备中试

为了降低冷冻干燥过程中能耗、推动冻干技术在食品中的应用,该研究应用在线调控预冻-冷冻干燥一体化设备进行食用菌汤块制备中试研究。对实际生产中冻结阶段（预冻温度、装盘物料厚度）、升华阶段（干燥仓压强、加热板温度）、解析阶段（水分转换点、升温工艺）等工艺进行了试验分析及优化,得出了适宜食用菌汤块冻干的节能工艺条件。提出了解析阶段的分步阶段升温法,并对解析阶段冻干曲线进行了拟合分析。结果表明,预冻温度设定为-35 ℃,装盘物料厚度为15 mm,干燥仓压强为25 Pa,汤块含水率为83.1%;升华阶段加热板温度为-10 ℃,解析阶段起始点为1 148 min,汤块含水率为9.2%,解析阶段采用分步阶段升温工艺（-10 ℃→2.5 ℃（70 min）→15 ℃（70 min）→27.5 ℃（70 min）→40 ℃（144 min））为较优选择,在此条件下,制备的汤块成品率为99.2%,感官品质指标综合分值为8.37,能耗为1.75 kW·h/kg,汤块含水率为4.3%。Boltzmann模型能较好表征解析阶段的冻干过程。该研究为冻干过程参数优化和能耗分析提供参考,为冻干技术应用于方便食品开发提供了技术依据。     

陕西省延川县孙家塬经济林土壤水分和水分平衡

对陕西省延川县孙家塬枣树林和苹果林4m深度土层水分的变化进行了研究,并对土壤水分有效性、土壤干层及其水循环等方面进行了分析。结果表明,枣树林地含水量平均为10.6%,还有4.5%的土壤水资源可以利用。苹果林地4m深度范围内平均含水量为7.4%,2.0—4.0m深度范围内土壤水资源基本耗尽。苹果林地土壤含水量自上向下呈现高—低—高分层变化特点,枣树林地土壤水分剖面垂向分层不明显。枣树林地和苹果林地土壤水分基本都呈难效水状态,但枣树林土壤水分接近中效水,土壤水分对苹果林生长具有严重的抑制作用,对枣树林的生长基本没有抑制作用。枣树林地2.0—4.0m深度范围仅有轻度干层发育,苹果林地土层2.0—4.0m深度范围有轻度干层、中度干层和重度干层发育。苹果林地和枣树林地土壤干层切断了深层水分与上层的联系。水循环主要表现为地表水循环,基本不存在地下水循环,形成了土壤—植物—大气的水分循环模式,属于异常水分循环类型。干层长期发展会导致该区地下水位的持续下降和地下水资源减少。该区土壤水分条件更适于发展枣树经济林。     

重庆缙云山不同土地利用类型土壤结构对土壤抗剪性能的影响

该文以土壤颗粒组成分维和孔隙分布分维来表征土壤结构,研究土壤结构分形特征对重庆缙云山不同土地利用下土壤抗剪性能的影响,以期为三峡库区水土保持型植被建设提供一定的依据。研究结果表明：机械组成分维和微团聚体组成分维对内摩擦角影响最大,比其它影响因子大一个数量级;影响黏聚力值的因素众多,影响最大的是机械组成分维。在同一土壤含水率下,混交林地易受剪切破坏面在A2层和B层,阔叶林地最易受剪切破坏面在A2层,楠竹林最易受剪切破坏面在C层,灌木林地最易受剪切破坏面在A2层,农地最易受剪切破坏面在B层。     

面条干燥过程的湿热传递机理研究进展

干燥是挂面生产过程中较难控制的加工工序。干燥工艺不合理易造成产品质量问题,而水分和热量传递是影响挂面质量特性的重要因素。该文主要介绍了挂面干燥过程水分和热量的传递规律、机理和数学模型等研究结果,分析了水分传递研究的方法和水分分布的测定方法。综合分析认为,挂面干燥过程研究应进一步关注水分和热量传递机理以及湿热传递数学模型的研究。     

Temperature variations in unfrozen soils with variable hydrothermal properties

A comprehensive understanding of the hydrothermal properties of soil is required to model heat distribution in unsaturated soils. In this study, we aim to model heat distribution throughout the profile of unfrozen soil while its thermal diffusivity varies with time and depth. The proposed model is based on the fundamental solution of the one‐dimensional transient heat conduction equation using the decomposition method. We calibrate our model using experimental data from soils of different textures in the literature. The new model can estimate soil thermal diffusivity at different depths and times and uses easily accessible characteristics such as the degree of saturation and the texture of the soil. In this study, the performance of the new model is compared to the performance of the simplified model in which constant thermal diffusivity is considered throughout the profile. Moreover, the model is validated by comparing it with in‐situ temperature measurements within depth of soil profiles with different textures. The results show a very good agreement between the predicted and the measured temperature throughout the soil profiles. Such a validation shows that with increasing degree of soil saturation, depletions in temperature for fine‐textured soils are more significant than those for coarse‐textured soils. Finally, the new model is applied to a double‐layer soil in the Alsace region to define temperature variation in the profile of soil with different characteristics in each layer. For a double‐layer profile, the continuity of the temperature as well as the heat flux is verified at the interface between the two layers.     

太行山山前坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征

以济源试区坡耕地、苹果园、果农复合系统、退耕还林地、刺槐林地5个邻接农林模式为研究对象,用时域反射仪(TDR)测定坡面不同农林模式雨季前、雨季中和雨季后表层土壤(0-30 cm)含水量,分析表层土壤水分分布特征及其时空变异特征。结果表明:由于受不同坡位、不同植被类型的影响,土壤表层含水量从坡顶到坡底逐渐增加;雨季前后土壤表层含水量的半方差理论函数均呈球状模型,块金值变化并不明显,其值分别为0.25和0.30,独立间距分别为99.7 m和87.6 m,土壤水分具有强烈的空间自相关性,存在很好的分形特征,分形维数分别为1.71和1.74,变异均主要是由空间自相关部分引起。雨季中土壤表层含水量的半方差函数呈直线模型,土壤水分空间变异表现出随距离增加而增加,分形维数为1.40。