Het verkennen van de gevolgen van atmosferische forcering bij verdamping: Experimentele Integratie van de atmosferische grenslaag en ondiepe ondergrond

Summary

Een protocol voor het ontwerp en de bouw van een bodem tank gekoppeld aan een kleine klimaat gecontroleerde windtunnel om de effecten van atmosferische forcering bij verdamping studie wordt gepresenteerd. Zowel de bodem tank en windtunnel worden geïnstrumenteerd met sensor technologie voor de continue in situ meten van milieu-omstandigheden.

Introduction

Inzicht in de wisselwerking tussen het land en de sfeer is van cruciaal belang voor ons begrip van veel van de huidige problemen in de wereld, zoals het lekken van geologisch-afgezonderd kooldioxide in de bodem, klimaatverandering, water- en voedselvoorziening, de nauwkeurige opsporing van landmijnen, en de sanering van het grondwater en bodem. Bovendien, de primaire uitwisseling van warmte en water dat globale en regionale meteorologische omstandigheden rijden optreden op het aardoppervlak. Veel weer en klimaat verschijnselen (bijv, orkanen, El Ni & # 241; o, droogte, enz.) Worden voornamelijk gedreven door processen die verband houden met de atmosferische-landoppervlak interacties ^1. Aangezien meer dan de helft van het landoppervlak van de aarde is dorre of semi-aride ^2-4, nauwkeurig beschrijven van de watercyclus in deze regio's op basis van warmte en water uitwisseling tussen de atmosferische lucht en het grondoppervlak is van cruciaal belang voor het verbeteren van ons begrip van de bovengenoemde kwesties,met name in gebieden kwetsbaar voor langere droogte en woestijnvorming. Echter, ondanks decennia van onderzoek, is er nog steeds vele kennislacunes in het huidige begrip van hoe de ondiepe ondergrond en de sfeer interactie ^5.

Transportprocessen van vloeibaar water, waterdamp, en warmte in de bodem zijn dynamisch en sterk gekoppeld met betrekking tot interacties met de bodem en afgedwongen randvoorwaarden (dwz temperatuur, relatieve vochtigheid, thermische straling). Numerieke warmte en massa-overdracht modellen vaak te simpel of kijken uit op een aantal van deze complexiteit deels te wijten aan een gebrek aan het testen en verfijning van bestaande theorieën als gevolg van een gebrek aan hoge temporele en ruimtelijke resolutie data. Datasets ontwikkeld voor model validatie zijn vaak ontbreekt kritische atmosferische of ondergrond informatie om goed te testen de theorieën, wat resulteert in numerieke modellen die niet goed zijn goed voor important processen of afhangen van het gebruik van slecht begrepen parameters die veranderd wordt aangebracht in het model. Deze aanpak wordt algemeen gebruikt vanwege zijn eenvoud en gebruiksgemak en in sommige getoonde veel verdienste toepassingen. Echter, deze benadering worden verbeterd door een beter begrip van de fysica achter deze "discrete parameterizaties" door het uitvoeren van goed gecontroleerde experimenten onder wisselende omstandigheden die geschikt voor het testen warmte- en waterafvoer theorie ⁶ zijn.

Zorgvuldig experimenteren in het laboratorium maakt nauwkeurige datasets te genereren die vervolgens kunnen worden gebruikt om numerieke te valideren. Gegevens beschikbaar vanaf onderzoekslocaties vaak onvolledig en kostbaar te verkrijgen, en de mate van controle die nodig is om een ​​fundamenteel inzicht in de processen te verkrijgen en het genereren van gegevens voor modelvalidering kan onvoldoende worden geacht in sommige gevallen. Laboratorium experimenten van natuurverschijnselen zoals bodem verdamping toelaat atmosferische omstandigheden (dat wil zeggen, temperatuur, relatieve luchtvochtigheid, windsnelheid) en de bodemgesteldheid (dwz, bodemtype, porositeit, verpakking configuratie) worden zorgvuldig gecontroleerd. Veel laboratoriumtechnieken gebruikt om de bodem verdamping en bodem thermische en hydraulische eigenschappen te bestuderen gebruiken destructieve bemonstering ^7-10. Destructieve bemonstering methoden vereisen dat een grondmonster worden uitgepakt punt gegevens te verkrijgen, waardoor de meting van voorbijgaande gedrag en het verstoren van de bodem fysische eigenschappen; Deze benadering introduceert fouten en onzekerheid data. Destructieve metingen, zoals de hier gepresenteerde methode, zorgen voor meer nauwkeurige bepaling en studie van de onderlinge afhankelijkheid van de bodemeigenschappen en processen ^11.

Het doel van dit werk is om een ​​bodem tank apparatuur en bijbehorende protocol voor de generatie van hoge ruimtelijke en temporele resolutie van gegevens met betrekking tot de effecten van veranderingen in de atmosfeer en de ondergrond condities op het ontwikkelenkale bodem verdamping. Voor dit werk, is een kleine wind tunnel staat het handhaven van een constante windsnelheid en de temperatuur gekoppeld aan een bodem tank apparaat. De windtunnel en bodem tank worden geïnstrumenteerd met een suite van state of the art-sensor technologie voor autonome en continue dataverzameling. Windsnelheid wordt gemeten met een roestvrijstalen statische Pitot-buis verbonden aan een druktransducer. Temperatuur en relatieve vochtigheid worden bewaakt in de atmosfeer met gebruik van twee sensoren. Relatieve vochtigheid en temperatuur worden ook gecontroleerd op het bodemoppervlak. Sensoren in de ondergrond mate bodemvochtigheid en temperatuur. Gewicht metingen van de tank apparaten worden gebruikt om verdamping te bepalen door middel van een water massabalans. Om de toepasbaarheid van deze experimentele apparatuur en protocol te tonen, geven we een voorbeeld van een kale bodem verdamping onder wisselende wind snelheid. De bodem tank, homogeen verpakt met een goed gekarakteriseerde zand, was aanvankelijk volledig saonverzadigde en vrijelijk onder zorgvuldig gecontroleerde atmosferische omstandigheden verdampen (temperatuur, windsnelheid).

Protocol

Opmerking: Laboratoriumonderzoek wordt uitgevoerd met behulp van een twee-dimensionale bench schaal tank gekoppeld aan een klimaat gecontroleerde windtunnel apparaat. Zowel de bank schaal tank en windtunnel worden geïnstrumenteerd met diverse sensor technologieën. Het volgende protocol zal eerst ingaan op de bouw en de voorbereiding van de bodem tank, gevolgd door een bespreking van de windtunnel en de instrumentatie van beide. De tank afmetingen, windtunnel afmetingen, aantal sensoren en sensor technologie type gepresenteerd kan worden aangepast aan de behoeften van een specifieke experimentele set-up aan te passen. De onderstaande protocol werd gebruikt voor experimenteel onderzoek naar de effecten van de windsnelheid op de blote-bodem verdamping.

1. Bouw en Voorbereiding van de poreuze media Soil Tank

1. Knip een groot stuk van 1,2 cm dik acrylglas in vijf afzonderlijke ruiten. Monteer deze ruiten in een open-bedekte bodem tank met inwendige lengte, breedte en hoogte van 25, 9,1 en 55 cm, respectief. Acrylglas maakt processen in de ondergrond visueel te worden nageleefd.
2. Teken een 5 x 5 raster dat is 25 cm bij 25 cm op elk van de twee grote glasplaten (lengte 25 cm en hoogte 55 cm) zoals getoond in figuur 1. Controleer elk veld in het raster heeft een oppervlakte van 25 cm ² (Figuur 1). Het raster wordt gebruikt om goed ruimte de sensors in de bodem tank.

Figuur 1: Schematische voorzijde en zijkant uitzicht van de bodem tank wordt gebruikt voor de experimentele set-up (afmetingen zijn in centimeters) (a) Het vooraanzicht van de bodem tank weergeven van de grid-systeem dat bestaat uit vijfentwintig 5 cm x 5 cm. pleinen. (B) Het zijaanzicht van de bodem tank, waarin de geïnstalleerde temperatuur, relatieve vochtigheid en bodemvochtsensor netwerk als functie van de diepte. Merk op dat de schema's niet op schaal getekend.

3. Op een van de grote glasvlakken, boor totaal vijfentwintig 1,9 cm (¾ inch) diameter gaten voor bodemvochtsensoren.
   1. Boor elk gat in het centrum van elke vierkante in de in stap 1.2 vastgesteld, zodat de centra van de gaten van twee aangrenzende pleinen zijn 5 cm van elkaar net; de eerste set gaten is 2,5 cm onder de top van de tank. Gebruik de juiste maat kranen om discussies snijden in elk van de nieuw gecreëerde gaten. De 5 cm afstand tussen de sensoren, zodat elke sensor buiten het bemonsteringsvolume van de naaste sensor.
4. Ook boren en tik op een totaal van vijfentwintig 0,635 cm (¼ inch) diameter gaten in het midden van elke raster doos gemaakt tijdens stap 1.2. Zorg ervoor dat het midden van elk gat afstand 5 cm uit elkaar met de eerste rij gaten op 2,5 cm onder de bovenkant van de bodem tank. De 5 cm afstand tussen sensoren zorgt ervoor dat elke sensor is buiten het bemonsteringsvolume van de naaste sensor.
5. Op acryl paneel als de bodem van de tank, boor en tik één ½ inch diameter opening in het midden van het paneel. Lijm een ​​gaas (fijner dan de test gronden te gebruiken) over het gat aan de binnenkant van het glas. Aan de buitenzijde van de bodem vliegtuig, het installeren van een 90 ° elleboog die op flexibele slang verbonden is met een verstelbare klep. Deze klep en slangen wordt gebruikt om water uit het reservoir bij de beëindiging van een experiment of als een manier om constante hoofd apparaten installeren voor het handhaven van een constante water tafel diepte.
6. Gebruik waterbestendige lijm of soortgelijke waterbestendig polymeer hechtmiddel te bevestigen en afdichten van de tank samen als getoond in figuur 1. Laat het uitharden een dag.
7. Om de tank te verhogen van de grond en ruimte te maken voor de 90 ° bocht (figuur 1), bevestigen twee extra stukken van 1,2 cm dik acrylglas met length 12 cm en hoogte van 5 cm op de bodem van de tank.

2. Bouw en voorbereiding van klimaat gecontroleerde Wind Tunnel

1. Construct de 215 cm lange stroomopwaartse gedeelte van de windtunnel van rechthoekige gegalvaniseerde stalen leidingen materiaal dat een breedte van 8,5 cm en een hoogte van 26 cm heeft. Rond de buitenzijde van het kanaal met polystyreen isolatie.
2. Boor een gat in de zijkant van het luchtkanaal nabij de stroomafwaartse uitgang van het stroomopwaartse gedeelte van de windtunnel voor het inbrengen van een relatieve vochtigheid temperatuursensor (figuur 2).

Figuur 2:. Compleet experimentele set-up, met inbegrip van de tank, leidingen, sensoren rooster (afmetingen zijn in centimeters) Voltooi experimentele opzet van de gecombineerde windtunnel en bodem-tank apparaat. De windtunnel isverhoogde en zit gelijk met het oppervlak van de bodem tank. De bodem tank is geïnstrumenteerd met een netwerk van sensoren gebruikt om een ​​verscheidenheid van ondergrondse en atmosferische variabelen te meten. Het raster cirkels stellen de locaties voor het invoegen van deze sensoren. Verwarmingsinrichting controlesysteem en een in-line kanaalventilator worden gebruikt om de temperatuur en windsnelheid regelen, respectievelijk. De pitot-statische buis wordt gebruikt om de windsnelheid te meten. De gehele inrichting zit op een weging schaal om een ​​massabalans tijdens experimenten te verkrijgen. Merk op dat het schema niet op schaal getekend.

3. Installeer vijf keramische infrarood verwarmingselementen geplaatst in parallel binnen een reflector langs de lengte van het stroomopwaartse deel van de windtunnel. Sluit de infrarood verwarmingselementen tot een temperatuur controlesysteem geregeld door een infrarood temperatuursensor.
4. Construct het middelste gedeelte van de windtunnel van de twee 1,2 cm dik acryl panelen met respectievelijk een lengte en hoogte van 25 cm en 26 cm.Boor twee van 0,635 cm (¼ inch) diameter gaten in een van de middensectie panels temperatuur en / of relatieve vochtigheid-temperatuursensoren voegen op de in figuur 2 plaatsen.
   1. Bevestig de acrylplaten naar de top van de bodem tank zijwanden (dwz panelen met afmetingen 25 cm x 55 cm) onder toepassing van een sterk hechtende tape, zodat de windtunnel en bodem tankpanelen zitten vlak tegen elkaar.
5. Construct de eerste 50 cm van de benedenstroomse deel van de windtunnel van dezelfde grootte rechthoekige leidingen materiaal in stap 2.1. Op de afsluitende kant, het verminderen van de rechthoekige leidingen materiaal om een ​​15.3 cm diameter rond kanaal met een lengte van 170 cm. Installeer een gegalvaniseerd stalen demper, gebruikt om windsnelheden aan te passen, aan de andere stroomafwaartse einde van de ronde buis voor de steun in de windsnelheid controle.
6. Zoals in stap 2,2, boor een 0,635 cm diameter opening in de zijkant van de stroomafwaartse rechthoekig kanaal bij de ingang van deinbrengen van een relatieve vochtigheid temperatuursensor. Boor een tweede 0,635 cm diameter opening van de bovenkant van het rechthoekige kanaal langs de hartlijn van de windtunnel.
7. Installeer een in-line duct ventilator in het midden van de ronde buis (dat wil zeggen 85 cm stroomafwaarts van vermindering van stap 2.4 beschreven) georiënteerd lucht uit het benedendeel van de windtunnel. Interface van de ventilator met een variabele snelheid controller voor meer nauwkeurige controle van de rotatie frequentie en als gevolg windsnelheid.
8. Gebruik weldment materiaal en verstelbare rekken te verheffen en zet de windtunnel apparaat. Zorg ervoor dat de onderkant van de stroomopwaartse en stroomafwaartse kanalen gelijk met de bovenzijde van de bodem tank (figuur 2).

3. Installatie van de sensoren

1. Voorafgaand aan de installatie binnen de bodem tank, veilig elke bodemvocht en temperatuursensor binnen een schroefdraad NPT behuizing (1,9 cm en 0,635 cm behuizingen, respectievelijk) en SEal met knipperende kit vocht inbraak te voorkomen. Gebruik geen siliconen gebaseerde kit producten als ze kunnen interfereren met de elektronica in een aantal sensoren. Hard de sensoren voor ongeveer een week.
2. Voor de montage in de bodem tank Kalibreer de bodemvochtsensoren overeenkomstig de twee point-α mixing methode van Sakaki et al. ^12.
3. Wikkel de draden van elke NPT behuizing met loodgieters tape voor de installatie in de tank om te helpen een betere afdichting tussen de NPV-threading en acryl glas.
4. Installeer totaal 25 bodemvochtigheid en temperatuursensoren elk horizontaal door de wanden van de tank op de locaties beschreven in stap 1.2. Draai de sensor kabels in sync met de NPT fitting / behuizing zo niet de interne bedrading binnen de kabels beschadigen. Niet op torsie de NPTs om te voorkomen dat het glas scheuren. Sluit de bodemvochtsensoren en temperatuursensoren aan hun aangewezen dataloggers.
5. Installeer 3 relatieve vochtigheid-temperatuursensoren op het bodemoppervlak op afstanden van 2,5, 12,5 en 21,5 cm van het voorste uiteinde van de tank. Plaats de sensoren in goed contact met het grondoppervlak, zodat de relatieve vochtigheid tijdens de voorwaarden op het bodemoppervlak dan de omringende lucht. Sluit de sensoren aan dataloggers.
6. Om de vereiste temperatuur en relatieve vochtigheid gemeten in de atmosfeer te verkrijgen, installeer relatieve vochtigheid temperatuursensoren in de vrije stroom deel van de windtunnel in de openingen geboord door de stroomopwaartse en stroomafwaartse delen van de windtunnel en de panelen.
7. Installeer een pitot-static tube direct stroomafwaarts van de tank door de bodem 0,635 cm gat boven het benedenstroomse windtunnel sectie. Houd de pitot-statische buis bij een hoogte van 13 cm vanaf de vloer van de sectie. Sluit de pitot-statische buis naar een drukverschiltransductor.
8. Calibrate de drukverschiltransductor. De statische Pitot-buis maatregelen dynamische druk die wordt gedefinieerd als het verschil van de stagnatie en statische druk. Het drukverschil wordt geïnterpreteerd door de druksensor een spanningsverschil.
   1. Meet de spanning onder geen stroomomstandigheden (spanning moet ongeveer gelijk zijn aan 0 zijn) en voor stroming van een bekende dynamische druk; Dit kan een lineaire relatie worden gelegd tussen dynamische druk en spanning. Bepaal windsnelheid door het toepassen van Bernoulli's vergelijking:
      (1)
      waarbij V (m / sec) is windsnelheid, _dynamisch P (Pa) is dynamische druk en ρ (kg / ^m3) is de dichtheid van de lucht.
   2. Vergelijk de snelheid berekend met behulp van vergelijking (1) met een ander meetapparaat. Hier, vergelijken de pitot-statische buis drukverschil transducer met Laser Doppler Velocimetry (LDV) metingen, die een nauwkeurigheid van ± 0.01 m / sec heeft.
      Opmerking: Een samenvatting van sensoren in dienst en de bijbehorende bemonsteringsfrequenties kan worden gevonden in tabel 1 Voor sensor specificaties en andere informatie, zie de bijgevoegde materialen / apparatuur lijst..

Sensor	Sensor Metingen	Aantal sensoren Werkzaam in experimentele apparatuur	Sensor Sampling Frequency (min)
EC-5	Bodemvocht	25	10
ECT	Bodem / luchttemperatuur	25	10
SH-1	Thermische eigenschappen	1	10
EHT	Relatieve vochtigheid / temperatuur	10
Infraroodcamera	Oppervlaktetemperatuur / verdamping	1	1
Digitale camera	Visualisatie van het drogen van de voorzijde	1	60
Pitot statische buis	Windsnelheid	1	10
Weging schaal	Cumulatief verdamping / verdamping	1	10

Tabel 1: Samenvatting van de sensoren die worden gebruikt in de experimentele deel van dit onderzoek.

4. Verpak de Soil Tank en Bereid je voor op de start van het experiment

1. Voorafgaand aan het verpakken van de tank met bodem, testen zijn integriteit door het uitvoeren van een lektest. Vul de tank met water en wacht 4-6 uur zodat er geen lekken in de structuur of sensoren ontwikkeld.
   1. Als er lekkage ontwikkelen, afvoer van de tank, laat het 's nachts droog en bevestig de lekken met hetzelfde mArine lijm gebruikt tijdens de originele constructie. Als er geen lekken ontwikkelen, afvoer van de bodem tank en voor te bereiden op de volgende stappen.
2. Bepaal het totale volume van de tank met sensoren voortdurend. Vul voorzichtig de tank met water met behulp van een maatcilinder, en zorg ervoor dat de hoeveelheid water toegevoegd te nemen. Zet de opgenomen totale volume kubieke centimeters voor toepassing in trap 4.5.
3. Verkrijgen droge bodem op de bodem tank te pakken. Karakteriseren de hydraulische en thermische eigenschappen van de geselecteerde bodem onderverdeeld volgens de werkwijzen beschreven in Smits et al. ¹¹
4. Zorgvuldig nat pak de bodem tank met behulp van bodem en gedemineraliseerd water.
   1. Nat-pack de bodem tank, eerst giet ongeveer 5 cm water in de tank. Voeg langzaam droge grond om het water in de tank met behulp van een lepel, in stappen van 2,5 cm diep. Noteer het gewicht van het zand toegevoegd tijdens elke lift zodat de porositeit van de grond verpakking kan worden berekend.
   2. Na voltooiingvan elke laag, tik herhaaldelijk op de wanden van de tank met een rubberen hamer, 100-200 keer, om een ​​uniforme dichtheid heel verkrijgen. Terwijl tikken, vermijd contact met de sensoren en sensor draden. Het gebruik van vibrerende inrichtingen moet worden vermeden om te voorkomen dat het netwerk van gevoelige sensoren beschadigen.
5. Na voltooiing van het verpakken van de tank, Som samen de gewichten van elke grondlaag (zie stap 4.4) aan de totale grondmassa krijgen. Verdeel de totale massa van het stortgewicht van grond (het stortgewicht kwartszand is 2,65 g / cm ³⁾ om het volume van het zand te bepalen _(Vs, cm ^3). Bereken de porositeit (η, m ³ / m ³⁾ van de bodem in de tank op:
   (2)
   waarbij (V _T, m ³⁾ is het totale volume van de tank bepaald in stap 4.2.
<li> Wanneer de tank volledig is verpakt, een plastic afdekking zoals Saran Wrap via tank totdat het experiment klaar is om te beginnen met het ontstaan ​​van verdamping te voorkomen.
6. Plaats de tank op een weging schaal om cumulatief verlies van water die op hun beurt kunnen worden gebruikt om de verdamping te berekenen bewaken.
7. Bereken de hourly verdampingssnelheid van het uur- gewichtsverlies te delen door het product van de dichtheid van water en het dwarsdoorsnedeoppervlak van het verdampende oppervlak.

5. Start het Experiment en Begin Data Collection

1. Zodra de set-up is voltooid, bepalen de gewenste atmosferische condities (temperatuur, windsnelheid). Zorg ervoor dat de dataloggers en andere data acquisitie systemen zijn ingeschakeld en op de juiste sampling intervallen (bijvoorbeeld elke 10 minuten).
2. Start de ventilator en temperatuurregelsysteem. Laat de klimaatomstandigheden in evenwicht alvorens de plastic afdekking op het oppervlak van de solietank. Voer het experiment voor de gewenste lengte van de tijd (bijvoorbeeld 15 dagen).

Representative Results

Het doel van het experiment hier gepresenteerde was om het effect van de windsnelheid bij verdamping van kale grond bestuderen. Belangrijke eigenschappen van de test grond gebruikt in de onderhavige studie zijn samengevat in Tabel 2. Een reeks experimenten uitgevoerd waarbij verschillende randvoorwaarden aan het bodemoppervlak (bijvoorbeeld, windsnelheid en temperatuur) werden toegepast (tabel 3). Hoewel vier experimenten bij verschillende windsnelheden en temperaturen uitgevoerd, de meeste experimentele resultaten hier gepresenteerde een windsnelheid van 1,22 m / sec. Cumulatieve verdamping gegevens getoond voor vier experimenten.

Verpakking Voorwaarden	Dry Bulk Density (G cm -3)	Air Pressure Entry (Cm H2O)	restwatergehalte (M 3 m -3)	Van Genuchten
			Model Parameters *
			α (cm -1)	n (-)
Strak	1.79	16.1 / 22.5	0,028	0.04	20.53

Tabel 2: Belangrijke eigenschappen van de experimentele test gebruikte bodem.

Experiment Run #	Gemiddeld Maximum windsnelheid	Initial Temperatuur op de bodem oppervlak	Eindtemperatuur op bodemoppervlak
	(M / sec)		(° C)
1	0.55	27	31
2	1.22	26	33
3	3	29	37
4	3.65	33	44.5

Tabel 3: Experimentele windsnelheden toegepast.

Tijdsafhankelijke relatieve vochtigheid en temperatuur gemeten op het bodemoppervlak worden weergegeven in Figuur 3. De relatieve vochtigheidsgraad blijft relatief constant op ongeveer 0,80 gedurende ongeveer twee dagen vóór steil afneemt in de komende vier dagen, waarna een stabiele relatieve luchtvochtigheid waarde van 0,35 is verkregen. De temperatuur van het bodemoppervlak toont een stijgende trend over een periode van vier dagen te stabiliseren. Dezelfde tendens werd waargenomen bij alle vier de experimenten en kan worden verklaardtermen van de bodem te drogen. Relatieve vochtigheid daalt in samenhang met een afname in verdampingssnelheid omdat er minder waterdamp in de tijd. De temperatuur neemt toe naarmate het beschikbare water afneemt (dat wil zeggen, verdamping afneemt) omdat het proces van verdamping niet meer koelt het bodemoppervlak. Gedurende de eerste drie dagen, de relatieve vochtigheid van downstream lucht was lager dan de stroomopwaartse lucht door de aanwezigheid van meer waterdamp gevolge van upstream verdamping. Deze trend werd later omgebogen, waarschijnlijk door de stroomopwaartse sensor verliest contact met het grondoppervlak; Sensorkabels flexibel en soms trek de sensor vanaf de oppervlakte, het wijzigen van de vochtigheidswaarde. De relatieve vochtigheid die stroomafwaarts groter is dan stroomopwaarts gemeten omdat het proces van verdamping langs de eerste 21,5 cm van de tank vergroot de hoeveelheid vocht in de lucht aanwezig.

<img alt = "Afbeelding 3" src = "/ files / ftp_upload / 52.704 / 52704fig3highres.jpg" width = "700" />
Figuur 3: Relatieve vochtigheid en de temperatuur gemeten op het grondoppervlak (Dit cijfer is aangepast van Davarzani et al. ^5).

The free flow luchttemperatuur in dit experiment werd ingesteld op een constante waarde van 40 ° C met de hiervoor beschreven temperatuurregelsysteem. De tijdsafhankelijke temperatuur en relatieve vochtigheid van de lucht in de vrije stroming, bij een hoogte van 8,5 cm boven het grondoppervlak, zijn weergegeven in figuur 4. De waargenomen dagelijkse temperatuurschommelingen zijn vanwege de variabiliteit van heater output naar aanleiding gemeten met de infrarood temperatuursensor die de temperatuur regelt de temperatuur (zie Stap 2.3). Dagelijkse fluctuaties kunnen worden vermeden, indien gewenst, door de infrarood temperatuursensor een ingestelde temperatuur. Het verschil in atmosferischetemperatuur over de lengte van de tank is het gevolg van koeling door verdamping (figuur 4).

Figuur 4: Relatieve vochtigheid en temperatuur gemeten 7,5 cm boven het bodemoppervlak stroomopwaarts en stroomafwaarts van de tank (Dit cijfer is aangepast van Davarzani et al. ^5).

In figuur 5a wordt de tijdsafhankelijke bodemtemperatuur getoond de diepte van 2,5 cm, 7,5 cm en 12,5 cm onder het grondoppervlak en de omgevingstemperatuur; Zie Figuur 1 voor identificatie sensor. Zoals blijkt uit figuur 5a, temperatuur en windsnelheid minder invloed op de lokale temperatuur op grotere diepten -. Geeft geen effect diepte onder 12,5 cm Figuur 5b temperatuur afunction tijd voor drie sensoren op een diepte van 2,5 cm. Er is een klein verschil in de temperatuur sensoren op deze diepte van de bovenstroomse sensor 5 met een hogere temperatuur dan de stroomafwaartse sensor 1. Dit komt doordat de vrije aanvoertemperatuur is altijd hoger dan upstream downstream (figuur 4). De temperatuurverschillen resulteert ook in een asymmetrisch profiel verzadiging in de bodem tank zoals later zal worden aangetoond.

EEN

B

Figuur 5: Evolutie van bodemtemperatuur gemeten als functie van tijd (a) loodrecht op het midden van de tank en (b) horizontaal op een diepte van 2,5 cm (Dit cijfer is wijzied van Davarzani et al. ^5).

Figuur 6a toont de tijdsafhankelijke verzadiging versus tijd op de bodem diepten van 2,5, 7,5, 12,5 en 17,5 cm. Voor dieper dan 12,5 cm, de verzadiging bleef op 100% gedurende de duur van het experiment; dichter bij het bodemoppervlak echter verzadiging verminderden in de tijd. De in figuur 6a verzadiging zijn gerelateerd aan de verschillende stadia van verdamping (ie fase I en fase II), gedefinieerd door verschillen in verdamping, plaats van drogen voor- en dominant transportmechanismen ^14. Tijdens fase I verdampen, het drogen voorste snel terugtrekt van het bodemoppervlak zoals zwaartekracht en visceuze krachten gaan capillaire krachten overheersen. Dit wordt waargenomen in de eerste dagen van de gemeten afname in de bodem verzadiging van de eerste rij bodemvochtsensoren overeenkomt met een diepte van 2,5 cm. Na dag 1, de snelheid waarmee het droogproces voorste continues naar vertraagt ​​trekken zoals in de vorm van de geleidelijke verzadigingskrommen sensoren 6-10 op een diepte van 7,5 cm (figuur 6a). Dit markeert de overgang van verdamping dampdiffusie beperkte fase II verdamping. Het eerste deel van de fase II wordt vaak genoemd de dalende koers periode ^15-17. Uiteindelijk, de verzadiging bochten nivelleren en verandering zeer weinig als het drogen voor een diepte van 12,5 cm heeft bereikt (bijv Sensor 13) op dag 3.

EEN

B

Figuur 6: Tijdsevolutie gemeten ondergrond verzadiging van de bodem (a) loodrecht op het midden van de tank en (b) horizontaal op een diepte van 2,5 cm (deze figure is aangepast Davarzani et al. ^5).

Figuur 6b toont verzadiging versus tijd voor drie sensoren zich op constante diepte van 2,5 cm. De verzadigingskrommen zijn vrijwel identiek en homogeen over de gehele lengte van het reservoir op deze diepte. De lichte asymmetrische verdeling wordt veroorzaakt door het temperatuurverschil tussen de stroomopwaartse en stroomafwaartse delen van de windtunnel. Aangezien upstream temperaturen constant waren enkele graden warmer atmosferische vraag, die verdamping aandrijft, zou hoger zijn en daarom is er een iets snellere droogsnelheid zijn.

Figuur 7 toont windsnelheid, gemiddelde van 1,22 m / sec, als functie van de tijd. De waargenomen sinusoïdale dagelijkse trend in de windsnelheid is het gevolg van veranderingen in atmosferische omstandigheden, zoals luchtdruk en luchtdichtheid. De gemiddelde windsnelheid werd gebruikt in het modelleren inspanningen, omdat de effecten van Diurnal schommelingen van atmosferische variabelen waren niet de kern van deze studie. Dit betekent echter niet, zou dat tijdsafhankelijke gegevens niet worden gebruikt. Als deel van de reeks van verdamping experimenten werden vier verschillende gemiddelde windsnelheid toegepast; zie tabel 3 voor een overzicht. De berekende Reynolds nummers voor alle experimenten in deze studie waren binnen de laminaire en overgangsbepalingen stroming regimes. Het is echter wel dat oppervlakteturbulentie de opstelling kan de verdamping ¹⁶ en in de toekomst studies worden aangepakt.

Figuur 7: Tijd-afhankelijke windsnelheid over de grond oppervlak met een gemiddelde waarde van 1,22 m / sec ^{- 1} (Dit cijfer is aangepast van Davarzani et al. ^5).

Het effect van de luchtstroom inhet vrije medium regio (bijv atmosfeer) op cumulatief verdamping wordt getoond in figuur 8. Cumulatieve verdamping wordt uitgezet voor vier verschillende vrije stromingsgemiddelde windsnelheden (Vw) van 0,50, 1,20, 3,00 en 3,60 m / sec. De resultaten tonen dat de windsnelheid een zeer prominent effect op cumulatief verdamping en het vochtverlies tijdens de verschillende fasen verdampende. Zoals getoond in figuur 8, waardoor de windsnelheid verhoogt de totale verdampingsoppervlak. Door het vergelijken van de hellingen van de krommen, de grootste invloed was op de oorspronkelijke verdampingssnelheid, hier aangeduid als fase 1. Fase 1 verdamping wordt vaak door hoge en relatief constante verdamping ¹⁷ en wordt voornamelijk beïnvloed door atmosferische vraag en niet bodemcondities . Zoals windsnelheid verder wordt verhoogd 3-3,6 m / sec, verdamping toont veel minder afhankelijkheid op tussentijdse veranderingen in windsnelheid dan werd waargenomen voor veranderingen bij lage windsnelheden. Toenemendewindsnelheid leidt tot een toename in fase I verdampingssnelheid tegelijkertijd verminderen van de overgangstijd van fase I naar fase II ^5. De invloed van de windsnelheid bij verdamping minder belangrijk voor fase II verdamping die hoofdzakelijk wordt bepaald door het poreuze medium. Tijdens deze fase wordt verdamping bestuurd door de snelheid waarmee water van het bodemoppervlak kan worden overgedragen via diffusie plaats atmosferische vraag.

Figuur 8: Het effect van verschillende gemiddelde windsnelheden op cumulatief verdamping (Dit cijfer is aangepast van Davarzani et al. ^5).

Discussion

Het doel van dit protocol werd een experimentele inrichting en bijbehorende procedures voor het genereren van hoge ruimtelijke en temporele resolutie gegevens voor het bestuderen land-atmosfeer interacties met betrekking tot warmte en massaoverdracht processen. De experimentele apparatuur beschreven bestond uit een bodem tank en een windtunnel, die beide uitgerust met een reeks sensoren voor het meten van relevante bodem en atmosferische variabelen (bijvoorbeeld windsnelheid, relatieve vochtigheid, bodem en luchttemperatuur en bodemvochtigheid ). De volgende zijn enkele van de meest kritische onderdelen van het protocol die in deze studie.

De tank afmetingen en de sensor bij zijn specifiek gekozen om het aantal sensoren te vergroten, terwijl goed voor respectievelijke sample volumes van de sensor te maximaliseren. De eerste rij van sensoren 2,5 cm onder het grondoppervlak als gevolg van monstervolume elke sensor (gedefinieerd als de volume van grond rond de sensor, waarbinnen een verandering in omgevingsomstandigheden van invloed op de sensormetingen). De sensoren, geplaatst in NPT fittingen, horizontaal geplaatst door de wanden van de tank bodem zodat de sensordraden niet in de grond zelf; alle sensordraden het zich buiten de tank, het voorkomen van water channeling. De installatie van een groot netwerk van temperatuur- en bodemvochtsensoren maakt horizontale en verticale verdeling van deze variabelen te bepalen onder een fijne ruimtelijke resolutie.

Het plaatsen van de bodem tank op een weging schaal laat cumulatief verlies van water en de bijbehorende verdampingssnelheid te worden bepaald met behulp van het water massabalansmethode hierboven beschreven. Deze waarden kunnen dan worden vergeleken met verdamping verkregen met andere methoden zoals de warmte-impuls en voelbare warmte balansmethode toegepast in Trautz et al. ¹⁸

De wind tunnel deel van de ApparAtus is samengesteld uit drie delen - een upstream, downstream en middelste gedeelte. De stroomopwaartse sectie wordt gebruikt om de lucht te verwarmen voordat het wordt getrokken over de grond tank in het middengedeelte met behulp van een temperatuurregelsysteem. Het middengedeelte van de windtunnel is uitgerust met sensor technologieën voor het meten van temperatuur en vochtigheid. Het benedendeel van de windtunnel bevat een in-line duct ventilator en regelklep voor het regelen windsnelheid die wordt geanalyseerd met een statische Pitot-buis.

De toepasselijkheid van de bodem tank-windtunnel apparaat hierboven beschreven werd aangetoond in een experimenteel case studie van de effecten van de windsnelheid op de verdamping. De resultaten tonen aan dat het verhogen windsnelheid leidt tot een verhoogde verdamping en verkorte fase I verdamping duur. Toenemende windsnelheid meer dan 3 m / sec toont echter weinig extra effect op de Fase I verdamping. Fase II verdamping, vooral beheerst door eigenschappen of het poreuze medium, lijkt onafhankelijk van of slechts weinig beïnvloed door wind snelheid.

Deze experimentele protocol is toepasbaar op een verscheidenheid aan milieuomstandigheden op veranderingen in bodemcondities (verschillende grondsoorten, verpakken configuraties vegetatie en stedelijke gebieden), klimaat randvoorwaarden (temperatuur, windsnelheid, neerslag) of ondergrondse omstandigheden omvatten (bijvoorbeeld variërend water tabel niveaus). De afmetingen en de sensor inrichting van de beschreven inrichting kan worden aangepast aan de behoeften van verschillende experimenten pakken. De verpakking hierboven beschreven procedure kan op dezelfde manier worden aangepast om rekening te houden voor verschillende verpakking configuraties, zoals verschillende porositeit voorwaarden en bodem heterogeniteit.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
ECH2O EC-5 Soil Moisture Sensor (25)	Decagon Devices Inc. Decagon.com	40593	For specifics visit: http://www.decagon.com/products/soils/volumetric-water-content-sensors/ec-5-soil-moisture-small-area-of-influence/. Sampling frequency on 10 minute intervals, accuracy is ±3%, and collect data using the Em50 dataloggers
ECT Soil/Air Temperature Sensor (19)	Decagon Devices Inc. Decagon.com	40651	For specifications visit http://www.decagon.com/products/canopy-atmosphere/temperature/ect-air-temperature/. Sampling frequency on 10 min intervals, accuracy is ±0.5 °C, Measure within a temperature of 5 and 40 °C, and collect data using the Em50 dataloggers
EHT Relative Humidity and Temperature Sensor (5)	Decagon Devices Inc. Decagon.com	N/A	Sampling Frequency on 10 min intervals, accuracy is ±3% between 5% and 100% relative humidity, and collect data using Em50 data loggers. For more information visit decagon.com
Em50 Data Logger (10)	Decagon Devices Inc. Decagon.com	40800	For specifics visit http://www.decagon.com/products/data-management/data-loggers/em50-digital-analog-data-logger/. ECH2O decagon devices, pulls data from the ECT, EC-5, and EHT sensors, and each data logger has 5 sensor connections and a com port that connects from the logger to USB to computer
Sartorius Weighing Scale (1)	Sartorius Corporation	11209-95	Sartorius Model 11209-95, Range = 65 kg, Resolution = ±1 g
Infrared SalamandernCeramic Radiative Heater (1)	Mor Electric Heating Assoc., Inc. http://www.morelectricheating.com/	FTE 500-240	5 heaters needed, adjust to get the right ambient/free-flow temperature
2104 Temperature Control System (1)	Chromalox	2104	Controls the heaters
Infrared Temperature Sensor Regulator (1)	Exergen Corporation	N/A	Monitors the heaters temperatures

Name	Company	Catalog Number	Comments
Stainless Steel Pitot-Static Tube (1)	Dwyer Instruments, Inc. http://www.dwyer-inst.com/	Series 160	For specifics visit http://www.dwyer-inst.com/Product/%20TestEquipment/PitotTubes/Series160. Sensor sampling frequency is every 10 minutes, must be connected to differential pressure transducer and anemometer, and convert the pressure data collected into win velocities using Bernoulli's equation.
1/2 inch Acrylic (1)	Colorado Plastics http://www.coloradoplastics.com/	N/A	Specific heat of 1,464 J kg-1 K-1, thermal conductivity of 0.2 W m-1 K-1, and a density of 1,150 kg m-3
Galvanized Steel Ducting Material (1)	Home Depot	N/A	Material used to build wind- tunnel, and both round and rectangular ducting were used in construction and connected using square-to-round reducer duct
Variable Speed Controller Connected to an In-Line Duct Fan (1)	Suncourt, Inc. http://www.suncourt.com/	VS200	15.3 cm in Diameter Placed in-line with round duct
Galvanized Steel Damper (1)	Home Depot	N/A	Used to control/reduce speeds in the wind tunnel for low velocity data
Accusand #30/40 (1)	Unimin Corporation http://www.unimin.com/	N/A	This sand is silica sand and is 99.8% quartz, its grain shape is classified as rounded, the uniformity coefficient is approximately 1.2, and the grain density is 2.66 g/cm3.