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。

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。

双探针型海底热流计的结构优化

本文在现有海底热流探针制作技术条件下,首先建立了脉冲式双探针海底测量单元的有限元数值模型,模拟获得多组参数F的温度-时间数据,作为"实测"数据,再用脉冲加热有限长线热源(PFLS)模型求解待测介质热导率及其相对误差上限(RE_(λ-UL)),并以RE_(λ-UL)最小为原则,对双探针热流计的结构进行优化.结果表明:(1)在不同探针脉冲强度(q)、温度测量误差(ΔT_m)和探针长度(L)组合下,都存在最佳探针间距(Best_r),使得RE_(λ-UL)降到最低;(2)随着q增大或ΔT_m减小,Best_r逐渐增大;(3)当q、ΔT_m及探针半径(a)都给定时,Best_r与探针长度(L)呈线性正相关;(4)当a=1.0 mm,且q、ΔT_m分别取为628.0～1100.0 J·m^(-1)、0.5～1.0 mK,若L在20.0～42.0 mm之间时,则Best_r在18.0～30.0 mm之间,此时介质热导率相对误差上限可控制在5.5%以内,同时测量温度可在6 min内达到最大值,即脉冲加热开始后,温度测量只需约7 min,便可满足介质热导率的求解,这比目前常用的Lister型热流计所需海底测量时间缩短8 min左右.

双探针型海底热流计数据解算模型选取

选取适合于双探针型海底热流计数据解算的简化模型,是双探针型海底热流计结构优化的理论基础,对提高海底热流数据解算精度具有重要意义。本文基于脉冲式双探针海底工作的有限元数值模型,对双探针的脉冲加热时间、体生热率、热物性、长度及半径等因素在双探针脉冲法的3个线热源简化模型中所引起的模型误差作了详细的分析和讨论,并以模型误差最小为原则选取简化模型。结果表明:1)脉冲加热有限长线热源(PFLS:pulsed finite line source)模型是双探针脉冲法中较为实用的简化模型,它可消除加热时间和探针长度对介质热物性参数求解的影响;2)在PFLS模型下,探针热导率对待测介质热物性测量的影响可以忽略;而探针间距越大、半径越小及其体积比热容与待测介质越接近,则所求介质热物性的模型误差就越小;在保证温度传感器能有效记录到温度变化的前提下,探针脉冲功率的大小基本不影响介质热物性求解的模型误差。

海洋沉积物热导率的微型原位探测器

研制一种基于DPHP理论的海洋沉积物热导率微型原位探测器,介绍探测器的工作原理、基本结构和工作流程,海上试验结果证明该探测器具有测量速度快、便于操作、不易损坏等优点,能够方便、高效地完成海洋沉积物热导率的原位测量。

有限元模拟土壤孔隙对双针热脉冲法测量比热的影响

双针热脉冲(DPHP)方法是目前用来测量土壤比热(c)、热导率(λ)和温度(T)的重要方法。然而,很多因素均会导致双针热脉冲法测得的λ和c存在误差,如土壤孔隙。基于三种不同粒径的石英砂,通过有限元法(FEM)模拟DPHP实验,分析土壤孔隙对DPHP法测量比热的影响,结果表明:(1)土壤孔隙导致测得的温度空间分布存在显著的各向异性,加热针周围6 mm处不同方向的比热(c)之间相对误差达到了23%;(2)DPHP方法测得的土壤热特性标准差随粒径增大而增大,这与实际实验观察的结果一致;(3)土壤孔隙的存在使得DPHP法测得的土壤比热被高估,本模拟中加热针周围6 mm处c值被高估了约6%。

基于DPHP技术测量沉积物热导率的数据处理

双针热脉冲(DPHP)技术被用于原位测定海洋沉积物的热导率。数据处理过程直接决定从实测数据中提取热导率的精度与效率。根据实测数据,结合海上测量可能出现的问题,探讨了DPHP技术实测数据的处理方法,提出了一套数据预处理流程,并对2种热导率计算模型和计算方法进行了对比分析。研究表明,原始数据经过数据滤波、数据截取和背景场拟合剔除等预处理过程,得到的热脉冲温度响应曲线可用于热导率计算。计算热导率可采用K-B模型或者简化模型,后者具有降低运算量,减小误差积累的优点。热导率计算方法有极值法和拟合法,如果采样率足够高,极值法是首选方法。

基于DPHP技术测量热导率的简化算法

双针热脉冲(DPHP)技术在海底沉积物热导率的原位测量中有很好的应用前景,但其算法复杂,而且存在累积误差。通过对DPHP技术理论模型的分析,提出了一个简化算法,探讨了算法的理论依据和适用条件。对实测数据进行运算的结果表明,该算法能够有效简化热导率的计算,并且误差在合理范围内。

基于DPHP测量数据提取热导率参数的方法研究

基于DPHP实测数据研究了提取热导率参数的两种方法:极值法和拟合法.极值法利用温度曲线的峰值及对应时间计算热导率,测量过程中的采样间隔是影响计算结果的关键因素,热导率相对误差同采样间隔与峰值时间的比值有关,当比值小于0.02时,相对误差不超过±1%.采用抛物线拟合采样最大温度值相邻的数据计算峰值温度能够在一定程度上弥补采样率过大的问题.但对于过大的采样间隔获得的数据应使用非线性拟合法.非线性拟合法要求拟合模型对实测数据有良好反映,但理论模型与实际探针模型的差异导致实测数据只是在最大温度前后吻合较好,因此需要对拟合数据窗口进行选择.基本原则是数据区间内应当包含温升最大值,而且上升段的数据量应少于衰减段的数据量.

两种测定树干液流方法的比较研究

使用澳大利亚GREENSPAN公司SF-300热脉冲树干液流仪与德国UP公司生产的SFS2-M热耗散树干液流仪,对二白杨和临泽小枣树树干液流速率进行了连续1个月观测,对比了这两种树干液流法在测定干液流速率的差异,以及讨论了其产生的原因.结果表明:两种方法对二白杨与枣树树干液流速率的测定结果存在差异,用热脉冲法对二白杨树干液流测定结果高于热耗散法的测定结果,前者测定的日耗水量平均高后者(20.1±18.0)%;而对枣树,则用热脉冲法测定的结果低于用热耗散法测定结果,平均值相差近3倍.这些差异可能与林木树干液流速率存在径向变化及两种方法的测定原理不同导致的.

亚热带樟树树干液流通量变化规律

采用热脉冲技术于2013―2015年连续测定了樟树的树干液流,并同步监测了环境因子,分析了樟树树干液流日变化和季节变化特征以及对不同环境条件的响应。结果表明：樟树树干液流速率晴天日变化为典型的单峰型曲线,季节变化明显,液流速率峰值夏季〉春季〉秋季〉冬季,峰宽随季节变化存在＂窄→宽→窄＂的逐步变化过程。樟树存在微弱的夜间液流,且生长季较其他月份活跃。液流启动时间夏季最早,冬季最晚,液流结束（进入夜间低值）时间夏季晚于冬季约1~2 h。上下午液流量比值均〈1,平均值为0.74。同月不同天气条件下,液流速率和液流量均为晴天〉阴天〉雨天。干旱环境下,樟树树干液流峰值下降了约95%,与2014年相比,同期内液流总量减少了约47.8%,在干旱中液流量与气温、水汽压亏缺呈显著负相关,改变了常年中（没有干旱）液流量与气温和水汽压亏缺呈显著正相关的关系。干旱显著降低了樟树的树干液流量,也反映了樟树对干旱的适应过程。

非饱和土水分迁移感测的主动加热光纤光栅法试验研究

非饱和土水分迁移是诱发多种地质灾害和环境岩土问题的重要因素,对其机理的认识因测试技术的不足尚不明确。为探究主动加热光纤光栅(AH-FBG)法监测非饱和土水分迁移的效果,分析单探针和双探针AH-FBG法的误差来源及分布特征,开展了一组室内土柱试验。在试验中同时采用AH-FBG法和传统的频域反射(FDR)法监测毛细水上升和水分蒸发的全过程,对比单探针法和双探针法的监测精度,分析不同方法的适用工况。结果表明:基于单探针AH-FBG的3种数据分析方法中,热导率法的监测精度最高,但是单探针法在监测毛细水上升过程中,当湿润锋刚没过探针感测位置时,受纵向传热的影响会使得测量的含水率值偏低;相比于单探针法,双探针法受纵向传热的影响更大,监测土体水分迁移有较大误差,误差大小与测点位置处的土体含水率值及土柱纵剖面的含水率分布情况有关;为减小纵向传热影响,从传感器结构和数据处理两方面提出了AH-FBG法的改进措施。

探针有限特性对热脉冲技术测定土壤热特性的影响

在利用热脉冲方法测定热特性时，通常对探针形状做理想化处理，即假设探针为线性热源，热导率无限大而热容量为零。在实际应用中，探针本身的有限特性（有限半径以及有限热容量）会导致热特性测定误差。为了研究探针有限特性对热脉冲技术测定土壤热特性的影响，该研究采用改进的热脉冲探针（直径2mm、长度40mm、间距8mm）测定土壤热特性，并分别使用PILS（pulsed infinite line source，无限长线性脉冲热源）和ICPC（identical cylindrical perfect conductors，近似圆柱形完美导体）2种理论估计土壤热特性，比较分析了探针有限特性对热脉冲技术测定热特性结果的影响。结果表明：1）与PILS理论相比，利用ICPC理论拟合得到的温度升高曲线，可以有效减少探针有限半径和热容量对土壤热特性测定结果的影响。与ICPC理论相比，在0.03～0.25m3/m3的含水率范围内，用PILS理论得到的砂土热扩散率和热导率分别偏低11.8%和5.2%；与模拟热容量相比，PILS和ICPC理论分别将热容量高估16.1%和7.9%；2）探针有限特性对土壤热特性的影响与含水率有关：在干土上最大；随着土壤含水率的增加，其影响逐渐降低。该研究对提高热脉冲技术测定土壤热特性的准确性具有指导意义。

野外试验中热脉冲探针间距校正方法的应用

土壤热特性是土壤的重要参数之一,热脉冲探针是目前土壤热特性最为常用的测量方法。在用热脉冲探针测量土壤热特性时,探针间距对测量结果的准确性影响非常大。而在野外试验中,由于土壤受到植物根系、土壤冻融、土壤动物活动等的影响,会造成探针间距的变化。因此,探针间距的校正在野外实地测量时十分重要。本研究团队在2013年提出热脉冲探针间距的校正方法,即在温度探针中使用两个热敏电阻,并通过理论公式校正探针初始间距后,得到间距变化后的探针真实间距。将此校正方法应用于野外试验中,分别于夏季和冬季监测土壤中三个深度处(3 cm、8 cm和13 cm)探针间距的变化。结果显示探针间距校正后得到的土壤热特性参数与未校正探针间距时的土壤热特性相比,探针间距校正后得到的土壤热特性参数更加准确可靠;但由于冬季表层土壤存在结冰现象,造成热脉冲探针无法准确测量热特性参数。

水合物热导率测试技术研究进展

精确测量水合物热导率是开发应用水合物蓄冷空调技术的关键之一。限于水合物热物性及其亚稳态特征,相比常规材料,其热导率测量难度大、误差大,导致传统热导率测量方法不能直接用于水合物的热导率测试。综述了瞬态热线法、瞬态平面热源法、稳态平板法、热脉冲探针技术等水合物热导率测试方法的基本原理、应用现状及局限性。着重介绍了热脉冲探针-时域反射技术测试方法,该方法将热脉冲探针法与瞬态板热源法相结合,可有效克服和互补现有单一测量方法的不足,使测量结果更精确,对于今后水合物蓄冷技术和热导率测量方法的发展具有一定的现实意义。(图5,参47)

热脉冲技术3种方法组合在测量树干液流中的应用

利用树干液流方法获取树木蒸腾特征对理解树木水分生理、森林生态和森林系统水分交换具有重要意义.利用广泛应用于土壤热参数和土壤蒸发测量的三针热脉冲探头,基于热比率法（HRM）、最大温度法（T-Max）和单针热脉冲法（SHPP）同时实现了旱柳液流密度的测定,并与热扩散探针（TDP）测量结果进行对比分析.结果表明：三针热脉冲探头安装约5周后进入稳定测量阶段,3种方法初期测量结果比稳定测量阶段高135%-220%,HRM、T-Max和SHPP法与TDP测量结果具有显著的线性相关性,R2分别为0.93、0.73和0.91,SHPP与HRM法测定结果的R2达到0.94.HRM在低速和逆向液流时测量具有较高的精度;SHPP探头配置简单、测量精度高,但无法甄别液流方向,是测定液流非常有前途的方法;T-Max测量液流误差较大,无法测量〈5 cm^3·cm^-2·h^-1的液流,不建议单独用于液流测量,但其能够准确测定树干热扩散系数,并可用于其他方法液流计算.建议根据试验目的,选取不同方法或者几种方法组合进行树干液流测量.

基于单针热脉冲法多孔材料含水量的测量

建筑墙体内的保温隔音材料因孔隙率高的特点在潮湿环境中容易积聚液态水,导致其性能下降,产生发霉腐蚀、墙体脱落等严重影响。为更加准确地反应多孔材料含水量的真实值,本文提出了1种基于单针热脉冲法的水分含量测量新方法,测试时给置于多孔材料内部的发热管通电产生恒定的热流密度,固定在其表面的热电偶记录温升响应,通过测定多孔材料吸水前后导热系数与热扩散系数的比值体积热容量来反映材料的水分含量。将该方法用于测量常温环境中海绵与聚酯纤维棉中的水分含量,实验结果显示热管法单次测量测得的水分含量值与天平称得的实际值偏差在7%以内,多次测量取平均值与实际值偏差不超过0.3 kg/m^(3)。