大气对流对土壤内热和水分迁移影响的数值模拟农业工程学报.PDFVIP

第 14 卷　第 3 期 农 业 工 程 学 报 V o l. 14　N o. 3 1998 年 9 月 T ransactions of the CSA E Sep t. 1998 大气对流对土壤内热和水分迁移 影响的数值模拟 ① 陈振乾 　施明恒 ( 东南大学) 摘　要　对土壤中热和水分迁移过程进行了数值模拟及实验验证。理论上, 通过对土壤内热和水 分迁移机理分析, 根据质量守恒和能量守恒原理, 建立了土壤非饱和区热和水分迁移的理论模 型。并对大气对流条件下土壤内热和水分迁移进行了数值模拟。实验上, 对大气对流环境条件下 土壤内热、水分迁移过程进行了研究。通过数值计算和实验测量, 获得了不同大气对流速度作用 下土壤中温度、含水率分布。 关键词　大气对流　热　水分　土壤　数值模拟 作为典型多孔介质的土壤, 其非饱和区热和水分迁移特性的研究, 对农业生产、水资源 的调控、地下水污染的预测控制, 以及地下储能等都具有重要的意义。土壤非饱和区热和水 分迁移由于受土壤结构、地下水位、温度梯度及地表情况的影响, 因而其迁移过程变得十分 [ 1 ] 复杂。对土壤非饱和区热湿迁移的研究提出非等温水分迁移理论 , 在非等温水分迁移的基 [ 2 ] 础上的非等温水分迁移的滞后 , 综合考虑温度场、湿度场及压力场的相互间影响, 利用表 [ 3 ] [ 5, 6 ] 征体元建立的非饱和区热湿迁移的理论模型 , 土壤非饱和区两相流动的模型 。以上理 论虽然十分严密, 但对土壤非饱和区在自然环境条件下的影响缺少全面描述。本文将从理论 和实验上探索自然环境条件下土壤非饱和区热和水分迁移过程。 1　土壤非饱和区热和水分迁移的数学模型 由于土壤内热和水分迁移受很多因素的影响, 因而其传热过程除了导热外, 还有对流、 辐射和相变。而与之耦合的湿迁移过程除扩散外, 还有对流传质、吸附与脱附作用, 以及毛细 作用引起的滞后现象等。为简化理论分析, 作以下基本假定: 1) 在含水率与水分迁移势关系 上, 不考虑毛细滞后现象; 2) 土壤中固体结构不发生变形, 且无化学反应和电传导; 3) 土壤 中多孔介质为均匀介质且各向同性; 4) 水在土壤中为纯水, 不考虑沸腾与冻结现象; 5) 土 壤中土层与水分之间存在局部热平衡, 不考虑辐射换热。 土壤非饱和区分为三个不同的传热传质区域, 即土壤干区、土壤非饱和蒸发区和土壤非 饱和湿区。在土壤干区, 水蒸气的对流和扩散是水分迁移的主要机制; 在土壤非饱和蒸发区, 收稿日期:修订 ( ) 　 国家自然科学基金资助项目 　　①陈振乾, 博士, 副教授, 南京市四牌楼 2 号　东南大学动力工程系, 210096 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 118 　 　　　　　　　　　　　　　　　农业工程学报　　　　　　　　　　　　　　　　1998 年 水分迁移经历液相—气相—液相的多次转变, 水分迁移机制主要是液态水和水蒸气的扩散 和对流; 而在土壤非饱和湿区, 水分迁移机制是液态水的扩散及少量水蒸气扩散。尽管在土 壤非饱和区水分迁移机制有所侧重和不同, 但仍可用统一数学模