双针热脉冲测定冻土热特性的数值模拟方法

使用双针热脉冲(dual probe heat pulse, DPHP)测定冻土热特性时施加热脉冲后会导致加热探针周围的冰融化,使用目前常用的仅考虑热传导(忽略融化相变、冰水两相分界面)的解析解处理DPHP温度数据,会导致在-5℃至0℃温度范围内无法准确测量热导率(λ)和比热(C_(v))。为了能够准确测定冻土的λ和C_v,有必要考虑DPHP加热过程中引起的冰融化的相变潜热。该研究基于COMSOL仿真软件模拟了考虑相变潜热、相变区间以及移动冰水界面的DPHP测量过程,采用随温度非线性变化的真实冻土热特性进行模拟,并与真实冻土的DPHP测量数据对比。结果表明:1)COMSOL仿真在不考虑相变条件下与无限线性热源模型结果完全吻合(R^(2)=0.998 9);2)当土壤初始温度低于-5℃时,考虑相变发生的COMSOL仿真能够准确模拟试验结果,表现出较高的相关性(R^(2)> 0.93),在-1~0℃的土壤初始温度范围内,无限线性热源模型的结果与试验测量显著偏离(R^(2) <0.001 3);3)在不同土壤初始温度下,相变温度为-1.5~-0.5℃的仿真结果与试验数据具有较高的相关性(R^(2)> 0.7)。该研究结果检验了有限元仿真用于真实冻土DPHP研究的可行性,可为准确预测冻土热特性的研究提供方法。

单探针热脉冲法对红壤土失水过程的监测

实现土壤失水过程的原位监测,对红壤区水土资源管理、自然灾害预警及防灾减灾具有重要意义。热脉冲法是目前土壤水热特性原位测量的常用方法,但红壤土失水时极易产生裂缝,单探针热脉冲法能否准确测定失水过程目前尚不清楚。通过室内模拟土壤从饱和到干燥的连续失水过程,用时域反射法(TDR)作为标准对照,验证热脉冲方法测定土壤失水过程的准确性,并评估土壤裂缝产生后对单探针热脉冲法的影响。结果表明:随着土壤失水,土壤热导率K值由1.8 W/(m·K)减小到1.1 W/(m·K),热扩散率α值由1.0×10^(-8)m^(2)/s增加到3.0×10-8 m 2/s,比热容C值由1.8×108 J/(kg·K)减小到0.4×10^(8)J/(kg·K);接触热导率H值随着土壤失水具有台阶状变化特征,与土壤含水率变化速率的转折相吻合;与TDR测定结果相比,MAE和RMSE值分别为1.66和1.94 cm 3/cm^(3),R^(2)值为0.96;单探针热脉冲法能提供可靠的红壤土失水过程测定结果,且H值的变化能指征土壤裂隙的产生,可为土壤干湿循环过程、边坡和堤坝稳定性的动态监测提供技术和理论支撑。

单探针热脉冲法测定饱和土壤固体百分比方法研究

以两组不同含水率下的典型淤泥饱和态土壤—油砂尾矿土壤为例,使用两个独立的探针,基于单探针热脉冲法以及Blackwell方程,提出3种接触热导率的获取方法(H T、H K和H av方法),通过对比热脉冲法测定值与烘干法得到的真实值检验不同方法的适用性。结果表明:不同探针对各组土样的热导率、热扩散率和比热容测定结果基本一致,说明探针导致的接触热导率差异并不影响土壤热特性的测定;但在H T方法、H K方法和H av方法下,扩散率和比热容有显著差异。与烘干法相比,基于H T方法的单探针热脉冲法在不同情景下测定的油砂尾矿固体百分比具有更好的一致性和稳定性,能提供可靠的淤泥饱和态土壤干湿状况测定结果。H K方法和H av方法虽然在第1组样品中表现尚可,对第2组样品测定的准确性不高,表明对同一探针的接触热导率值进行预先标定的方法存在局限性,根据温升曲线拟合获取接触热导率值仍有必要。

单针热脉冲法在树干液流监测中的应用

设计了一种单针热脉冲树干液流监测仪,实现了树干液流的实时监测及相关数据的本地存储和远程传输。通过对单棵银杏树和无患子树的监测,与基于热比率方法的仪器相比,监测结果的决定系数R^(2)分别为0.984和0.947,均方根误差(RMSE)分别为2.85和6.29。同时,简要分析了树干液流的影响因子。在测量时,所设计的仪器仅需使用单针,相比现有的监测设备,具有操作简单,性能稳定,功耗低,携带方便等优点,在树干液流的监测上有很好的应用前景。

基于分数阶导热的热脉冲涂层边裂研究

热震边裂是涂层的常见失效模式之一,严重影响涂层的防护性能,因此准确预测涂层边缘裂纹的热致扩展行为至关重要.文章基于Caputo分数阶导热模型,研究热脉冲作用下涂层边缘裂纹扩展驱动力.首先,采用拉普拉斯变换和有限余弦积分变换得到瞬态温度场及热应力场的封闭解;其次,运用叠加原理及权函数法计算边缘裂纹尖端的热应力强度因子.探讨了分数阶阶次、无量纲裂纹长度、无量纲时间等参数对热应力强度因子的影响规律.结果表明:热应力强度因子的峰值随着分数阶阶次的增大而提高;与分数阶超扩散情形相比较,经典傅里叶导热将低估热流脉冲对边缘裂纹的扩展驱动力;与分数阶亚扩散情形相比较,经典傅里叶导热则会高估热流脉冲对边缘裂纹的扩展驱动力;热流脉冲作用下,短裂纹的热应力强度因子峰值更高,因而更易扩展.

基于热脉冲精密土壤水分测试仪的研究与设计

针对土壤水分很难连续准确测量以及测试装置很难在深埋处进行测量的问题,开发一款热脉冲精密土壤水分测试装置。该装置以STM32为硬件开发平台,辅助HS3001温湿度传感器和PTC加热模块组成热脉冲测含水量模块,通过施加短时低热量热脉冲,使得被测土壤先升温再降温,由测试装置定时测量土壤温度的变化值,最后基于理想半无限空间热脉冲传导理论,计算出土壤体积含水量。该装置利用热脉冲可以间接测量土壤体积含水量,热脉冲时间控制在1~2 min,测量周期约300 s,具有短时连续监测的优势;同时在非加热模式下,可以直接获取土壤温湿度,在降雨入渗和水位变化时可以直接监测湿度变化;此外加热模块还可以为温湿度传感器升温除湿,以增强深埋土壤高湿度环境下长期工作性能。

应用热脉冲技术对胡杨和柽柳树干液流的研究

应用热脉冲技术对干旱区胡杨(Populuseuphrtaicr)和柽柳(Tamarisspp.)树干液流速度进行了研究.结果表明:在正常生长状态下,胡杨树干单位面积液流通量为0 34L·cm-2·d-1,柽柳为0 15L·cm-2·d-1.树液流速的日变化表现出多峰形特征,在午后有短暂液流急速减小的现象,而晚上植物为了补充体内水分亏缺,保持一定的树液流量.随着胸径的增大,茎流速率和茎流量也随之增大.在生长季节胸径21cm和15cm的胡杨日平均耗水量23 3L和19 25L;基径5cm和4cm的柽柳日平均耗水量0 62L和0 37L.在生长季节(5～10月)胡杨总蒸腾量为3419 4L,柽柳仅为63 9L.

应用热脉冲系统对桉树人工林树液流通量的研究

应用热脉冲式树液流测定系统和自动气象站 1 999年 9月～ 2 0 0 0年 9月的观测资料 ,探讨了广东省湛江市雷州半岛两个桉树人工林树液流通量 (Sap flux density,SFD)的时空动态及其与环境因子的相关关系。河头和纪家两地桉树林的树液流变化具有明显的昼夜节律性 ,大约从清晨 7:0 0开始萌动 ,1 2 :0 0以后达到峰值 ,夏季连续 4 d中 (2 0 0 0年 6月 1 5日～ 6月 1 8日 )河头 SFD最大值 44.2 1± 4.5 ml/ (cm2 · h) ,纪家 2 9.2± 7.2 ml/ (cm2· h)。此后 ,SFD逐渐减小 ,一直到日落前后降至最低值。树液流在不同的季节具有不同的昼夜节律性变化规律。两地 SF D值的季节波动节律相似 ,湿季时相对较大。但是河头日平均 SFD值 (2 4 36± 1 1 92 .5 ml/ (cm2 · d) )要比纪家 (1 70 3± 82 4 .5 ml/ (cm2 · d) )高 ,这主要是由于两地土壤质地的差异所导致的。在所选时段内 ,SFD的最大值出现在河头的冬季和纪家的夏季 ,这是由于这两天的大气饱和水气压差 ,太阳辐射和土壤有效持水量都比较高的缘故。在空间上 ,从形成层到心材 ,SF D最初有所增加 ,随后持续减小。整个观测期间两地 SFD的极大值均出现在 6月中旬 ,河头为 51 .53ml/ (cm2· h) ,而纪家为 39.85ml/ (cm2 · h) ,显然 ,由于环境条件的限制 。

多针热脉冲技术测定土壤热导率误差分析

土壤热导率是研究土壤热传输、水热耦合运移的基本物理参数。为了探知多针热脉冲技术的误差,该研究以能够准确测定热导率的单针法作为参比,在4种质地土壤上,对多针热脉冲技术在不同体积质量、含水率和气压条件下测定的热导率进行了分析。结果表明,多针热脉冲技术的热导率结果与单针法总体符合较好,其热导率测定值的平均误差为0.074W/(m·K)。干土热导率随气压增大呈现对数增长,这是由于气体分子平均自由程下降的原因。多针热脉冲技术的测定误差主要出现在中等含水率区域,关键问题是加热针的温度升高偏大,促进了水汽潜热传输。另外,土壤与探针之间的热接触阻力、探针导致的土壤体积质量改变、温度梯度引起的液水流也影响测定结果的准确性。该研究可为农业水土工程中的土壤热导率模拟提供依据。

热脉冲技术测定树干液流研究进展

热脉冲技术是生态生理学和森林水文学研究树木耗水最为常用的技术之一,该技术具有在树木自然生长状态基本不变的情况下实时测量树干木质部上升液流速度及流量,可以简捷准确地确定树冠蒸腾耗水量,同时具有经济可行,测定准确的优点.综述了热脉冲技术的发展历程,对热脉冲方法测定树干液流理论研究、树干液流时空变异性与环境因子的关系研究以及单株耗水向林分水平的尺度转换研究等方面作了较为详细的总结,据此,对热脉冲技术的发展做了展望.

热脉冲技术在确定胡杨幼树干液流中的应用

探讨了热脉冲技术在确定胡杨(Populuseuphratica)幼树干液流中的应用.结果表明:在树木正常生长状态下,胡杨在4月下旬至5月中旬开花期树干单位面积液流通量为0.13～0.15L·cm-2·d-1;树干液流速度的动态变化呈多峰状曲线,6月份枝叶速生期树干单位面积液流通量为0.294L·cm-2·d-1;树干径向断面形成层以下不同深度的树液流速具有相同的日变化趋势;夜间,胡杨存在明显的树干液流上升现象,补充白天植物蒸腾丢失的大量水分,恢复植物体内的水分平衡;树干液流速度在不同的方位有所差异.并对胡杨单位面积液流通量与杨树、辽东栎、大叶白蜡、棘皮桦、五角槐、小美旱杨、油松进行了对比研究.

应用热脉冲技术对小美旱杨树干液流的研究

应用热脉冲技术对河套灌区农田防护林小美旱杨 ( Populus popular s)树干液流速度进行了研究。结果表明 ,在正常生长状态下 ,小美旱杨树干单位面积液流通量为 0 .0 88L·cm- 2· d- 1;形成层以下不同深度的树液流速具有相同的日变化趋势 ,在中午前后各深度流速值均达到最大 ,各深度流速差值亦达到最大。最大液流速度相对位点距形成层相对距离 1 0mm处 ;在不同水分条件下 ,灌水时液流速度小于未灌水时液流速度 ;萌生苗液流速度大于扦插苗液流速度。

应用热脉冲方法对红富士苹果树干茎流速率的研究

采用热脉冲探针和数据采集器,测定了黄土高原地区苹果园红富士树干的液流速率。结果表明,单棵树的边材径向液流速度的总趋势是从形成层向内逐渐减少,边材12 mm处的液流速率占5 mm处液流速率的0.6～0.7,而32 mm处的速率仅为5 mm处的0.2左右。苹果园红富士树干的液流速率变化在晴天表现为单峰曲线,在生长季4～8月期间晴天,树干茎流在早晨6：30～7：00时开始启动,形成层下5 mm处树干液流速率在4～5 cm/h以上,在12：30～14：30时达到最大值,期间树干液流速率基本保持在45～57 cm/h以上,最大值可达到64.6 cm/h。在22：00时树干液流速率降低到最低水平,并维持到第二天液流启动时,这段时间树干内几乎没有树液流动。在阴天表现为较低水平的多峰曲线。

应用热脉冲技术对棘皮桦和五角枫树干液流的研究

应用热脉冲方法，对暖温带落叶阔叶森林主要树种棘皮桦Ｂｅｔｕｌａｄａｈｕｒｉｃａ和五角枫Ａｃｅｒｍｏｎｏ树干的流液量变化及其与环境因子相关性进行研究，结果表明：①在正常生长状态下，棘皮桦树干单位面积液流通量为０．１５８Ｌ·ｃｍ－２·ｄ－１，五角枫为０．２１３Ｌ·ｃｍ－２·ｄ－１．如果忽略树冠部位的水分贮存，可认为五角枫的蒸腾耗水强度较大．②两树种形成层以下不同深度的树液流速具有相同的日变化趋势．在正午前后各深度流速值均达到最大，各深度流速差值亦达到最大．最大液流速度相对位点棘皮桦在位于距形成层相对距离０．３处，五角枫在位于距形成层相对距离０．５处，表明在上述边材区域具有最高的水分传导率．③棘皮桦、五角枫均存在夜间明显的树干液流上升现象，以补充树冠部的水分贮存．作者认为阔叶树种夜间树液上升的动力是根压．④棘皮桦、五角枫的白昼树液流量变化呈现多峰状曲线．树干液流量变化与环境中气象因子变化密切相关．逐步回归的结果表明，在不同树种中，影响树干液流量的主要因子是不同的．

热脉冲法监测集中渗漏的模型试验

基于光纤布拉格光栅(FBG)传感系统,提出了适用于土石坝心墙集中渗漏监测的热脉冲法。采用由传感加热单元、稳压电源、调压器、光纤光栅解调仪组成的监测系统进行了集中渗漏监测的模型试验。首先进行了骨料干燥和湿润条件下的试验,试验结果表明,采用温升作为判别指标难于对渗漏状态作出准确判断,为此定义了2个无量纲的判别指标γ和ξ。采用两种渗漏流量进行了试验,并分别采用γ和ξ进行了渗漏状态的识别,结果表明2个判别指标均能进行渗漏的准确定位,且能定性反映渗漏强度的大小,采用ξ作为判别指标的识别效果优于γ。

利用热脉冲-时域反射技术测定土壤水热动态和物理参数 Ⅰ.原理

由于土壤特性的时空变异性 ,对土壤含水量、温度、热特性以及其它物理参数的动态监测是土壤学研究的重要课题。本文以热脉冲技术和时域反射技术的理论为基础 ,介绍了利用热脉冲技术 时域反射技术 (Thermo TDR)连续定位测定土壤含水量、电导率、温度和热特性的原理 ,并利用土壤热特性与容重和含水量的关系 ,导出了土壤容重、饱和度和通气孔度的计算公式。

应用热脉冲技术对胡杨树干液流变化规律的研究

利用热脉冲技术对胡杨树干液流日变化、不同胸径树干液流流量、区域间耗水量的差异进行了分析。结果表明:在正常生长状态下,胡杨树干单位面积液流通量为0.450L·cm-2·d-1,在4～8月生长期内,日平均耗水量为78.335L/d。胡杨树干断面单位时间内液流量变化呈明显的昼夜节律,白天的流速变化曲线呈双峰型,夜间树干液流速度处于平稳的低值,白天10:00与午后18:00左右达到两个峰值。随着胸径的增大,树干液流速度和液流量也随之增大,不同研究区域、立地条件、个体、林种的胡杨耗水量差异十分显著。

热脉冲探针-时域反射技术测量含水合物沉积物的热导率及水合物饱和度

我国在海洋和冻土区都已发现天然气水合物资源区并成功获取实物样品。含水合物沉积物的热导率是估算水合物资源量、设计合理开采方案的关键性数据之一。受水合物稳定条件和测量技术的限制,水合物热导率测定尚不完善。本文通过自主研制的天然气水合物热物理参数测量系统,开展了海洋沉积物中天然气水合物热导率与饱和度测量研究。实验使用取自南海神狐海域的沉积物作为反应介质,在压力7.8 MPa、温度2℃的条件下合成甲烷水合物,并利用热脉冲探针与时域反射技术联合测量的方式获得沉积物中水合物形成过程的热导率和饱和度等实验数据。结果表明,当水合物饱和度从0增加至49%时,体系热导率出现了先升高后降低的变化趋势。分析发现体系热导率随水合物饱和度的变化特征与水合物在沉积物中的填充方式有关,在实验选用的南海沉积物中,水合物优先选择在颗粒孔隙间成核生长,并最终与沉积物颗粒胶结共存。

用热脉冲速度记录仪(HPVR)测定树干液流

树木蒸腾耗水是环境生态平衡(水分)的重要因素。由于树体高大,环境、时间、空间变异因素复杂,测定工作十分困难。在林木生态系统中,水分运动的途径是,树木根部吸收土壤水分,通过树干(木质部上升液流)输送到树冠部,从叶表面蒸腾散失到大气中,即所谓“土壤-植物-大气连续系统”。在此过程中,树干是水流通道的咽喉部位,树干液流量的大小制约着冠部蒸腾量的变化。因此。

利用热脉冲时域反射技术测定土壤水热动态和物理参数Ⅱ.应用

土壤含水量、温度、热特性以及其它物理参数的动态监测是描述土壤中各种物理、化学和生物过程的基础。本文利用热脉冲 -时域反射技术 (Thermo -TDR)对不同质地土壤的含水量、电导率、温度、容积热容量、导热率和热扩散系数进行了测定 ,并利用土壤容积热容量与容重和含水量的关系 ,计算了土壤容重、通气孔度和饱和度。结果表明 ,Thermo -TDR技术能够提供可靠的土壤含水量、温度、容重、通气孔度和饱和度的信息。本文也分析了Thermo