本文關(guān)鍵詞：土壤—空氣換熱器土壤溫濕度場耦合特性研究

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【摘要】：在日光溫室中,土壤—空氣換熱器以淺層土壤作為蓄熱體,即冷源或熱源,利用土壤和空氣之間的溫度差,將通過淺層土壤的空氣送到溫室內(nèi),晝間或晴天降低溫室內(nèi)空氣溫度,夜間或陰天提高溫室內(nèi)空氣溫度,實現(xiàn)日光溫室內(nèi)能量的“日存夜用、晴存陰用”。在進行土壤—空氣換熱器設(shè)計時,需采用合理的計算模型設(shè)計計算,但是目前國內(nèi)外學(xué)者所采用的土壤傳熱模型大多數(shù)將土壤傳熱視為純粹的熱傳導(dǎo),而忽略了土壤內(nèi)的水分遷移對土壤傳熱的影響,導(dǎo)致土壤—空氣換熱器的設(shè)計與實際運行產(chǎn)生偏差,使得土壤—空氣換熱器投資增加,限制了它的推廣應(yīng)用。本文主要研究了土壤—空氣換熱器埋地換熱管周圍土壤內(nèi)的熱濕遷移規(guī)律,基于原有的埋地換熱管一維線熱源模型的土壤熱濕遷移理論,進行了更進一步的研究,建立了土壤—空氣換熱器埋地換熱管周圍土壤的三維熱濕耦合數(shù)學(xué)模型,使之更加符合工程實際。本文首先介紹了土壤這種多孔介質(zhì)的基本特性參數(shù)和熱物性參數(shù),對土壤的熱物性參數(shù)及含水率進行了理論分析,并對多孔介質(zhì)的熱濕遷移機理和熱濕耦合模型進行了闡述。在能量守恒和質(zhì)量守恒的基礎(chǔ)上,建立了埋地換熱管周圍未飽和土壤內(nèi)的三維熱濕耦合物理、數(shù)學(xué)模型。對于所建數(shù)學(xué)模型,采用控制容積法進行方程離散化,并使用可視化編程軟件visualbasic6.0編寫了土壤熱濕耦合迭代求解軟件。模擬計算了土壤初始溫度為14.10℃、土壤初始體積含水率為0.35m3/m3、單位管長放熱量為40w/m、土壤—空氣換熱器運行8h排熱情況下土壤的溫度場和濕度場。計算結(jié)果表明,在管長方向上,隨著與埋地換熱管入口端距離的增大,土壤溫度逐漸降低,然后趨于穩(wěn)定值;土壤體積含水率沿管長方向先逐漸升高,在管長x=5.5m處達到峰值,然后逐漸降低趨于穩(wěn)定值。在徑向上,土壤溫度隨著半徑的增大先逐漸降低,然后趨于穩(wěn)定值;但土壤體積含水率隨著半徑的增大先逐漸升高,然后趨于穩(wěn)定值。在時間上,隨著土壤—空氣換熱器運行時間的推移,土壤水分不斷向外層擴散,土壤溫度逐漸升高,土壤體積含水率逐漸降低。其次,探究了土壤物性、土壤初始溫度、土壤初始體積含水率、單位管長放熱量等初始計算參數(shù)對土壤—空氣換熱器埋地換熱管周圍土壤溫度場和濕度場的影響。計算結(jié)果表明,砂土的導(dǎo)熱系數(shù)比粘土的大,熱容量較粘土的小,熱量傳播較粘土的快,且砂土保水性比粘土的差。土壤初始溫度越低,土壤溫度梯度越大,熱量傳遞地越快,在較大溫度梯度的驅(qū)動下,土壤水分遷移較劇烈。土壤初始體積含水率增加,土壤溫度傳播地越慢,但驅(qū)動水分遷移的含水率梯度越大,土壤水分遷移越劇烈。單位管長放熱量增加,土壤溫度傳播地越快,驅(qū)動水分遷移的溫度梯度越大,土壤水分遷移越劇烈。最后,對本文的研究內(nèi)容進行了總結(jié),并對課題組接下來更進一步的試驗研究工作提出了一些展望及建議。
【關(guān)鍵詞】：土壤—空氣換熱器 日光溫室 土壤溫度場 土壤濕度場
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TU83
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 符號說明13-15
• 第一章 緒論15-25
• 1.1 課題研究背景與意義15-19
• 1.1.1 日光溫室的發(fā)展15-16
• 1.1.2 土壤—空氣換熱器的發(fā)展16-17
• 1.1.3 土壤—空氣換熱器在日光溫室中的應(yīng)用17
• 1.1.4 土壤內(nèi)熱濕遷移理論的發(fā)展17-19
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-23
• 1.2.1 土壤—空氣換熱器的研究現(xiàn)狀19-22
• 1.2.2 土壤內(nèi)熱濕遷移的研究現(xiàn)狀22-23
• 1.3 課題來源23-24
• 1.4 研究內(nèi)容與方法24-25
• 第二章 土壤的熱物性及熱濕特性分析25-41
• 2.1 土壤的物性25-32
• 2.1.1 土壤的含水率26-27
• 2.1.2 土壤的密度27
• 2.1.3 土壤的孔隙度27-28
• 2.1.4 土壤的比熱容28-30
• 2.1.5 土壤的導(dǎo)熱系數(shù)30-31
• 2.1.6 土壤的熱擴散系數(shù)31-32
• 2.2 淺層土壤的熱濕特性32-37
• 2.2.1 淺層土壤的濕特性32-36
• 2.2.2 淺層土壤的熱特性36-37
• 2.3 非飽和土壤內(nèi)的熱濕遷移機理37-39
• 2.3.1 非飽和土壤內(nèi)的濕遷移機理37-38
• 2.3.2 非飽和土壤內(nèi)的熱遷移機理38-39
• 2.4 本章小結(jié)39-41
• 第三章 土壤—空氣換熱器土壤三維熱濕耦合模型41-63
• 3.1 土壤—空氣換熱器土壤熱濕耦合模型建立41-49
• 3.1.1 模型假定41
• 3.1.2 物理模型41-42
• 3.1.3 網(wǎng)格劃分42-43
• 3.1.4 數(shù)學(xué)模型43-49
• 3.2 土壤—空氣換熱器土壤熱濕耦合模型求解49-57
• 3.2.1 熱濕遷移方程離散化49-53
• 3.2.2 邊界條件53-54
• 3.2.3 初始條件54-55
• 3.2.4 求解算法55
• 3.2.5 計算流程圖與程序編制55-57
• 3.3 模型驗證57-62
• 3.3.1 供試日光溫室57-59
• 3.3.2 測點布置59-60
• 3.3.3 試驗儀器60
• 3.3.4 數(shù)據(jù)采集整理60-61
• 3.3.5 模型驗證61-62
• 3.4 本章小結(jié)62-63
• 第四章 模擬結(jié)果分析63-73
• 4.1 沿管長方向的熱濕遷移規(guī)律63-66
• 4.1.1 沿管長方向的熱遷移規(guī)律63-64
• 4.1.2 沿管長方向的濕遷移規(guī)律64-66
• 4.2 沿徑向的熱濕遷移規(guī)律66-69
• 4.2.1 沿徑向的熱遷移規(guī)律66-67
• 4.2.2 沿徑向的濕遷移規(guī)律67-69
• 4.3 隨時間推移的熱濕遷移規(guī)律69-71
• 4.3.1 溫差驅(qū)動段隨時間推移的熱濕遷移規(guī)律69
• 4.3.2 共同驅(qū)動段隨時間推移的熱濕遷移規(guī)律69-70
• 4.3.3 未擾動段隨時間推移的熱濕遷移規(guī)律70-71
• 4.4 本章小結(jié)71-73
• 第五章 影響土壤熱濕遷移的因素分析73-101
• 5.1 土壤物性對土壤溫度場、濕度場的影響73-79
• 5.1.1 土壤物性對土壤溫度場的影響73-76
• 5.1.2 土壤物性對土壤濕度場的影響76-79
• 5.2 土壤初始溫度對土壤溫度場、濕度場的影響79-85
• 5.2.1 土壤初始溫度對土壤溫度場的影響79-82
• 5.2.2 土壤初始溫度對土壤濕度場的影響82-85
• 5.3 土壤初始體積含水率對土壤溫度場、濕度場的影響85-92
• 5.3.1 土壤初始體積含水率對土壤溫度場的影響85-89
• 5.3.2 土壤初始體積含水率對土壤濕度場的影響89-92
• 5.4 單位管長放熱量對土壤溫度場、濕度場的影響92-99
• 5.4.1 單位管長放熱量對土壤溫度場的影響92-96
• 5.4.2 單位管長放熱量對土壤濕度場的影響96-99
• 5.5 本章小結(jié)99-101
• 第六章 結(jié)論與展望101-105
• 6.1 結(jié)論101-103
• 6.1.1 沿管長方向和徑向的熱濕遷移規(guī)律101-102
• 6.1.2 影響土壤熱濕遷移的因素分析102-103
• 6.2 展望103-105
• 參考文獻105-113
• 致謝113-115
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄115

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