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Ausflüge in die Auswirkungen der Luft Antriebe auf Verdunstung: Experimental Integration der atmosphärischen Grenzschicht und oberflächennahen Untergrundes

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DOI:

10.3791/52704

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8. Juni 2015

 ,  , 
1Civil and Environmental Engineering, Colorado School of Mines

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Ein Protokoll für die Konstruktion und den Bau eines Bodentank angeschlossen, um einen kleinen klimatisierten Windkanal, um die Auswirkungen der atmosphärischen Antriebe beim Verdampfen studieren wird vorgestellt. Sowohl die Bodentanks und Windkanal sind mit Sensor-Technologien für die kontinuierliche in situ-Messung von Umweltbedingungen instrumentiert.

Zusammenfassung

Die Verdunstung wird direkt durch die Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre, der Landoberfläche und dem Bodenuntergrund beeinflusst. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Verdunstung unter verschiedenen Oberflächenrandbedingungen experimentell zu untersuchen, um unser aktuelles Verständnis und unsere Charakterisierung dieses Mehrphasenphänomens zu verbessern und numerische Wärme- und Stofftransfertheorien zu validieren, die die Navier-Stokes-Strömung in der Atmosphäre und die Darcian-Strömung in den porösen Medien koppeln. Die experimentellen Daten wurden mit Hilfe eines einzigartigen Bodentankgeräts gesammelt, das mit einem kleinen klimatisierten Windkanal verbunden ist. Die experimentelle Apparatur wurde mit einer Reihe modernster Sensortechnologien zur kontinuierlichen und autonomen Erfassung von Bodenfeuchtigkeit, thermischen Eigenschaften des Bodens, Boden- und Lufttemperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit ausgestattet. Diese experimentelle Apparatur kann verwendet werden, um Daten unter gut kontrollierten Randbedingungen zu generieren, was eine bessere Kontrolle und Sammlung genauer Daten auf interessanten Skalen ermöglicht, die im Feld nicht möglich sind. Die induzierte Luftströmung mit mehreren unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten über die Bodenoberfläche führte zu einem einzigartigen Verhalten des Wärme- und Stofftransports während der verschiedenen Verdunstungsstufen.

Einleitung

Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Land und Atmosphäre ist von größter Bedeutung für unser Verständnis der vielen aktuellen Weltprobleme wie Austreten von geologisch-sequestrierten Kohlendioxid im Boden, Klimawandel, Wasser und Lebensmittelversorgung, die präzise Erkennung von Landminen und der Sanierung von Grundwasser und des Bodens. Darüber hinaus treten die primären Austausch von Wärme und Wasser, die globalen und regionalen meteorologischen Bedingungen fahren an der Erdoberfläche. Viele Wetter und Klima Phänomene (zB Wirbelstürme, El Ni & # 241; o, Dürren, etc.) werden hauptsächlich durch Prozesse mit Luft-Landoberfläche Wechselwirkungen 1 zugeordnet angetrieben. Da mehr als die Hälfte der Landfläche auf der Erde ist trockenen oder halbtrockenen 2-4, genau zu beschreiben, den Wasserkreislauf in diesen Regionen auf der Grundlage des Wärme- und Wasseraustausch zwischen der Umgebungsluft und der Bodenoberfläche ist entscheidend für ein besseres Verständnis der die oben genannten Probleme,insbesondere in Regionen anfällig für längere Dürre und Wüstenbildung. Trotz jahrzehntelanger Forschung gibt es immer noch viele Wissenslücken in der aktuellen Verständnis davon, wie die oberflächennahen Untergrundes und der Atmosphäre interagieren 5.

Transportprozesse mit Wasser, Wasserdampf und Wärme im Boden sind dynamisch und stark in Bezug auf Interaktionen mit dem Boden verbunden und durchgesetzt Randbedingungen (dh die Temperatur, relative Feuchtigkeit, Wärmestrahlung). Numerische Wärme- und Stoffübertragung Modelle häufig vereinfachen oder übersehen, eine Anzahl dieser Komplexitäten zum Teil auf einen Mangel an Prüfung und Verfeinerung der bestehenden Theorien von einem Mangel an hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung Daten entstehen. Datensätze zur Modellvalidierung entwickelt werden oftmals fehlt kritische atmosphärischem oder Untergrundinformationen, die Theorien richtig zu prüfen, was in numerischen Modellen, die nicht richtig weiß entfallen Important Prozesse oder abhängig von der Verwendung schlecht verstanden Parameter, die eingestellt werden, oder in das Modell eingebaut. Dieser Ansatz ist weit verbreitet aufgrund seiner Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit verwendet und hat in einigen gezeigt viel Verdienst Anwendungen. Allerdings kann dieser Ansatz auf die sich ein besseres Verständnis der Physik hinter dieser "in einen Topf geworfen Parametrisierungen", indem gut kontrollierten Experimenten unter Übergangsbedingungen, die in der Lage, Tests Hitze und Wassertransfertheorie 6 verbessert werden.

Sorgfältige Experimente im Labor ermöglicht präzise Datensätzen erzeugt werden, die anschließend verwendet werden, um numerische Modelle zu validieren. Daten aus Feld Seiten sind oft unvollständig und kostspielig zu erhalten, und der Grad der Kontrolle erforderlich, um ein grundlegendes Verständnis der Prozesse zu erhalten und erzeugen Daten zur Modellvalidierung in einigen Fällen als unzureichend angesehen werden könnten. Laborexperimente von natürlichen Phänomenen wie Bodenverdunstung ermöglicht ATMOSsphärischen Bedingungen (dh Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit) und Bodenbedingungen (dh, Bodentyp, Porosität, Verpackungskonfiguration) sorgfältig gesteuert werden. Viele Labortechniken verwendet, um Boden Verdunstung und Boden thermischen und hydraulischen Eigenschaften zu untersuchen verwenden destruktive Probenahme 7-10. Destruktiven Probenahmeverfahren erfordern, dass eine Bodenprobe ausgepackt werden, um Punktdaten zu erhalten, die Verhinderung der Messung der Übergangsverhalten und stören Boden physikalischen Eigenschaften; dieser Ansatz führt Fehler und Unsicherheit auf die Daten. Zerstörungsfreie Messungen, wie das hier vorgestellte Verfahren, ermöglichen eine genaue Bestimmung und Untersuchung der Wechselwirkung von Bodeneigenschaften und verarbeitet 11.

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, ein Bodentankvorrichtung und zugehörige Protokoll für die Erzeugung hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung Daten bezüglich der Auswirkungen von Änderungen der atmosphärischen Bedingungen und unter der Oberfläche zu entwickeln,Bare-Bodenverdunstung. Für diese Arbeit wird eine kleine Windkanal in der Lage, die Aufrechterhaltung einer konstanten Windgeschwindigkeit und Temperatur mit einem Bodentankvorrichtung angeschlossen. Der Windkanal und Bodentanks sind mit einer Reihe modernster Sensortechnologien für autonome und kontinuierliche Datenerfassung instrumentiert. Windgeschwindigkeit wird unter Verwendung einer Edelstahl Pitotrohr mit einem Druckwandler verbunden gemessen. Temperatur und relative Feuchtigkeit in der Atmosphäre unter Verwendung von zwei Arten von Sensoren überwacht. Relative Feuchtigkeit und Temperatur sind ebenfalls an der Bodenoberfläche überwacht. Sensoren im Untergrund messen Bodenfeuchte und Temperatur. Gewichtsmessungen der Tankvorrichtung verwendet werden, um die Verdampfung durch einen Wassermassenbilanz ermitteln. Um die Anwendbarkeit dieser Versuchsapparatur und Protokoll zu demonstrieren, zeigen wir ein Beispiel mit nacktem Boden Verdampfen bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeitsbedingungen. Die Bodentank, homogen mit einem gut charakterisierten Sand gepackt, war zunächst völlig saturated und erlaubt, sich frei unter sorgfältig kontrollierten atmosphärischen Bedingungen verdampfen (zB Temperatur, Windgeschwindigkeit).

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Protokoll

Hinweis: Labortests unter Verwendung einer zweidimensionalen Labormaßstab Tank mit einem klimatisierten Windkanalgerät Schnittstelle durchgeführt. Sowohl die Tischwaage Tank-und Windkanal sind mit verschiedenen Sensortechnologien instrumentiert. Das folgende Protokoll wird zuerst diskutiert die Konstruktion und Herstellung des Bodentanks, gefolgt von einer Diskussion der Windkanal und die Instrumentierung von beiden. Die Behälterabmessungen, Windkanal Abmessungen, Anzahl der Sensoren und Sensortechnik Typ vorgestellt kann geändert werden, um die Bedürfnisse einer bestimmten Versuchsanordnung entsprechen. Die unten dargestellten Protokoll wurde verwendet, um die Auswirkungen der Windgeschwindigkeit auf nacktem Boden Verdunstung experimentell zu untersuchen.

1. Konstruktion und Herstellung von porösen Medien Soil-Behälter

  1. Schneiden Sie ein großes Stück von 1,2 cm starkem Acrylglas in fünf Einzelscheiben. Montieren Sie diese Scheiben in eine oben offene Bodentank mit Innenlänge, Breite und Höhe von 25, 9,1 und 55 cm, respektiv. Acrylglas erlaubt Prozessen im Untergrund, die visuell beobachtet.
  2. Ziehung einer 5 x 5 Raster, das 25 cm · 25 cm auf jeder der zwei großen Glasscheiben (Länge 25 cm und Höhe 55 cm), wie in Abbildung 1 dargestellt. Sicherstellen, dass jedes Quadrat in dem Gitter hat eine Fläche von 25 cm 2 (Abbildung 1). Das Raster wird verwendet, um richtig Platz der Sensoren innerhalb des Bodentanks werden.

figure-protocol-1
Abbildung 1: Schematische Vorder- und Seitenansicht des Bodentank für den Versuchsaufbau (Größe ist in cm) (a) Die Vorderansicht des Bodentank Anzeigen der Grid-System, bestehend aus fünfundzwanzig 5 cm x 5 cm. Quadrate. (B) die Seitenansicht des Bodenbehälters und zeigt die installierte Temperatur, relative Feuchtigkeit und Bodenfeuchte Sensornetzwerk nach einem function der Tiefe. Beachten, dass die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu gezeichnet.

  1. Auf einer der großen Glasflächen, bohren insgesamt fünfundzwanzig 1,9 cm (¾ Zoll) Durchmesser Bohrungen für die Bodenfeuchtesensoren.
    1. Bohren Sie jedes Loch in der Mitte eines jeden Platz in der in Schritt 1.2 festgelegt, so dass die Mittelpunkte der Löcher von zwei angrenzenden Quadrate sind 5 cm Raster auseinander; der erste Satz von Löchern von 2,5 cm unterhalb der Oberseite des Tanks. Verwenden geeigneter Größe Hähne zu Themen in jede der neu geschaffenen Löcher geschnitten. Die 5 cm Abstand zwischen den Sensoren gewährleistet, daß jeder Sensor außerhalb des Entnahmevolumens des nächstliegenden Sensor.
  2. In ähnlicher Weise zu bohren und tippen insgesamt fünfundzwanzig 0,635 cm (¼ inch) Löcher mit einem Durchmesser in der Mitte von jedem Gitterfeld bei Schritt 1.2 erstellt. Stellen Sie sicher, dass die Mitte jedes Lochs ist 5 cm heraus mit der ersten Reihe von Löchern befindet sich 2,5 cm unter dem oberen Ende der Bodentank angeordnet. Die 5 cm Abstand zwischen den Sensoren gewährleistet, daß jedes sensor außerhalb des Entnahmevolumens des nächstliegenden Sensor.
  3. Auf der Acrylscheibe als Boden des Tanks, Bohrer verwendet und tippen Sie auf eine einzelne ½ Zoll Durchmesser Loch in der Mitte der Scheibe. Kleben Sie ein Sieb (feiner als die Test Böden eingesetzt werden) über das Loch auf der Innenseite des Glases. Auf der Außenseite der Bodenebene, muss ein 90 ° -Bogen, die flexible Rohrleitung mit einem einstellbaren Ventil angebracht ist. Diese Ventile und Rohre verwendet wird, um Wasser aus dem Behälter bei der Beendigung eines Experiments oder als eine Möglichkeit, konstante Kopfvorrichtungen zur Aufrechterhaltung einer konstanten Wasserspiegel Tiefe installieren entleeren.
  4. Verwenden Klasse Kleber oder ähnliche wasserdicht Polymer-Klebstoff zur Befestigung und Abdichtung des Tanks zusammen, wie in Abbildung 1 dargestellt marine. Lassen Sie den Kleber für einen Tag zu heilen.
  5. Um den Tank aus dem Boden zu erhöhen und machen Platz für die Winkel 90 ° (Abbildung 1), legen zwei weitere Stücke von 1,2 cm starkem Acrylglas mit length 12 cm und einer Höhe von 5 cm auf den Boden des Tanks.

2. Konstruktion und Herstellung von klimatisierten Windkanal

  1. Konstruieren die 215 cm lang stromaufwärtigen Abschnitt des Windkanals von rechteckigen verzinktem Stahlkanalmaterial, die eine Breite von 8,5 cm und einer Höhe von 26 cm hat. Umgeben die außerhalb des Kanals mit Polystyrol-Dämmung.
  2. Ein kleines Loch in der Seite der Arbeitsleitung nahe dem stromabwärtigen Ausgang der stromaufwärts liegenden Abschnitt des Windkanals für das Einführen einer relativen Feuchte-Temperatursensor (Abbildung 2).

figure-protocol-2
Abb. 2: Kompletter Versuchsaufbau, einschließlich Tank, Luftleitungen, Sensoren Gitter (Maße in cm) Vervollständigen Versuchsaufbau des kombinierten Windkanal und Bodentankvorrichtung. Der Windkanal isterhöht und liegt bündig auf der Oberfläche des Bodentanks. Die Bodentank mit einem Netzwerk von Sensoren verwendet, um eine Vielzahl von Untergrund und atmosphärischen Variablen messen instrumentiert. Die Gitter Kreise die Positionen zum Einsetzen dieser Sensoren. Steuerung einer Heizung und einer Inline-Rohrventilator verwendet werden, um Temperatur und Windgeschwindigkeit zu steuern sind. Das Pitotrohr wird verwendet, um die Windgeschwindigkeit zu messen. Die gesamte Vorrichtung sitzt auf einem Gewichtungsskala, um eine Massenbilanz während der Experimente erhalten. Man beachte, dass die schematische nicht maßstabsgetreu gezeichnet.

  1. Installieren fünf keramischen Infrarot-Heizelemente, die parallel innerhalb eines Reflektors entlang der Länge des stromaufwärtigen Abschnitts des Windkanals positioniert. Verbinden die Infrarot-Heizelemente auf eine Temperatur-Steuersystem durch einen Infrarottemperatursensor geregelt.
  2. Konstruieren Sie den mittleren Teil des Windkanals von zwei 1,2 cm dicken Acrylplatten mit einer Länge und einer Höhe von 25 cm und 26 cm.Bohren zwei 0,635 cm (¼ Zoll) Durchmesser von Löchern in einer der Mitte der Bedienbereich auf die Temperatur und / oder relativer Feuchte Temperatursensoren an den in 2 gezeigten Positionen einzufügen.
    1. Sichern Sie sich die Acrylplatten auf der Oberseite der Bodentankseitenwänden (dh Platten mit den Maßen 25 cm x 55 cm) mit einem starken Klebeband, so dass der Windkanal und Bodentankplatten bündig miteinander.
  3. Konstrukt die ersten 50 cm des stromabwärtigen Abschnitts des Windkanals von der in der Stufe 2.1 beschrieben, gleiche Größe rechteckigen Kanalmaterial. Auf der Abschlussseite, reduzieren Sie die rechteckige Kanalmaterial in einen Rundgang 15,3 cm Durchmesser mit einer Länge von 170 cm. Installieren Sie eine verzinkte Stahlklappe, verwendet werden, um Windgeschwindigkeiten einzustellen, am anderen stromabwärts gelegenen Ende der Runde Kanal für Hilfe in Windmessung.
  4. Wie in Schritt 2.2, bohren ein 0,635 cm Durchmesser Loch in der Seite des stromabwärts gelegenen rechteckigen Kanal nahe dem Eingang zum dieEinführen einer relativen Feuchte-Temperatursensors. Bohren Sie ein zweites 0,635 cm Lochdurchmesser von der Oberseite des rechteckigen Kanal entlang der Mittellinie des Windkanals.
  5. Installieren Sie eine in-line-Rohrventilator in der Mitte des runden Kanals (dh 85 cm stromabwärts vom in Schritt 2.4 beschrieben Reduktion) ausgerichtet, um Luft aus dem stromabwärts gelegenen Teil des Windkanals zu vertreiben. Schnittstelle Der Lüfter mit variabler Drehzahlregler für eine genauere Steuerung der Drehfrequenz und als Folge der Windgeschwindigkeit.
  6. Verwenden Schweißmaterial und verstellbare Regale zu erhöhen und sichern Sie den Windkanalgerät. Sicherzustellen, dass der Boden der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Rohrleitungen bündig mit der Oberseite des Bodens Tank (Abbildung 2).

3. Installation von Sensoren

  1. Vor der Installation in der Bodentank, sichern jeden Bodenfeuchte und Temperatursensor in einem Gewinde NPT Gehäuse (1,9 cm und 0,635 cm Gehäuse, respectively) und seal mit blinkenden Dichtmittel auf das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Verwenden Sie kein Dichtmittel auf Silikonbasis Produkte, wie sie mit der Elektronik innerhalb einiger Sensoren stören können. Heilen die Sensoren für etwa eine Woche.
  2. Vor der Installation im Boden Tank kalibrieren Bodenfeuchtigkeitssensoren in Übereinstimmung mit der durch Sakaki et al. 12 entwickelten Zweipunkt α-Mischverfahren.
  3. Wickeln Sie die Fäden der einzelnen NPT Gehäuse mit Klempner Band vor dem Einbau in den Tank zu helfen, eine bessere Abdichtung zwischen dem NPT Gewinde und Acrylglas.
  4. Installieren insgesamt 25 Bodenfeuchte und Temperatursensoren jeweils horizontal durch die Wände des Behälters auf die in Schritt 1.2 genannten Adressen. Drehen Sie die Sensorleitungen synchron mit dem NPT Fitting / Gehäuse, um die interne Verdrahtung innerhalb der Leitungen beschädigt. Nicht zu Drehmoment die NPTS, um das Glas von Rissbildung zu verhindern. Schließen Sie die Bodenfeuchtesensoren und Temperatursensoren, ihre bezeichneten DatenLogger.
  5. Installieren 3 relative Luftfeuchtigkeit Temperatursensoren auf der Bodenoberfläche in einer Entfernung von 2,5, 12,5 und 21,5 cm von der Vorderkante des Behälters. Legen Sie die Sensoren in gutem Kontakt mit der Bodenoberfläche, so dass die relative Luftfeuchtigkeit Lesungen spiegeln die Bedingungen an der Bodenoberfläche und nicht die umgebende Luft. Schließen Sie die Sensoren an Datenlogger.
  6. Um die erforderliche Lufttemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit Messungen in der Atmosphäre zu erhalten, installieren relativen Feuchtigkeit-Temperatursensoren in dem freien Strömungsquerschnitt des Windkanals, wobei die Löcher durch den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Abschnitten des Windkanals, sowie die Platten gebohrt.
  7. Installieren eines Pitotrohr unmittelbar hinter dem Bodentank durch die 0,635 cm Loch in der Spitze des stromabwärtigen Windtunnelabschnitt gebohrt. Halten Sie das Pitotrohr in einer Höhe von 13 cm über dem Boden des Abschnitts. Schließen Sie das Pitotrohr mit einem Differenzdruckwandler.
  8. Calibrate die Differenzdruckwandler. Das Pitotrohr misst dynamische Druck, der sich aus der Differenz der Stagnation und der statischen Drücke definiert ist. Die Druckdifferenz wird durch den Druckwandler als Spannungsdifferenz interpretiert.
    1. Die Spannung unter flussfreien Bedingungen (Spannung etwa gleich 0 sein kann) und für die Strömung eines bekannten dynamischen Druck; Dies ermöglicht eine lineare Beziehung zwischen den dynamischen Druck und die Spannung festgelegt werden. Ermitteln Sie die Windgeschwindigkeit durch die Anwendung Bernoulli-Gleichung:
      figure-protocol-3 (1)
      wobei V (m / sec) für die Windgeschwindigkeit, P dynamischen (Pa) ist dynamisch Druck und ρ (kg / m 3) die Dichte von Luft ist.
    2. Vergleichen der Geschwindigkeit berechnet unter Verwendung der Gleichung (1) mit einem anderen Messgerät. Hier vergleichen die Staudüse Differenzdruck transducer mit Laser Doppler Velocimetry (LDV) Messungen, die eine Genauigkeit von ± 0,01 m / s hat.
      Hinweis: Eine Zusammenfassung der Sensoren eingesetzt und ihre zugeordneten Sampling-Frequenzen können in Tabelle 1 gefunden werden Für Sensor Spezifikationen und andere Informationen finden Sie in der beiliegenden Werkstoffe / Zubehör-Liste..
Sensor Sensormessungen Anzahl der Sensoren in Versuchsapparatur Ständig Sensor Sampling-Frequenz (min)
EC-5 Bodenfeuchtigkeit 25 10
ECT Boden / Lufttemperatur 25 10
SH-1 Thermische Eigenschaften 1 10
EHT Relative Feuchte / Temperatur 5 10
Infrarot-Kamera Oberflächentemperatur / Verdunstung 1 1
Digitalkamera Visualisierung der Trocknungsfront 1 60
Pitot statischen Rohr Windgeschwindigkeit 1 10
Gewichtungsskala Kumulative Verdampfung / Verdunstung 1 10

Tabelle 1: Zusammenfassung der Sensoren in experimentellen Teil der vorliegenden Studie verwendet.

4. Verpacken Sie den Boden-Behälter und die Vorbereitungen für den Start des Experiments

  1. Vor dem Verpacken der Behälter mit dem Erdreich, seine Integrität zu testen, indem eine Dichtheitsprüfung. Füllen Sie den Tank mit Wasser und warten Sie 4-6 Stunden, um sicherzustellen, dass keine Lecks in der Struktur oder Sensoren entwickelt.
    1. Bei auftretenden Undichtigkeiten, abtropfen lassen Sie den Tank, lassen Sie es über Nacht trocknen und fixieren Sie die Dichtheit mit dem gleichen marine Klebstoff beim ursprünglichen Bau. Wenn keine Lecks entwickeln, lassen Sie das Bodentank und die Vorbereitungen für den folgenden Schritten.
  2. Bestimmen das Gesamtvolumen des Tanks mit Sensoren an Ort und Stelle. Sorgfältig füllen den Tank mit Wasser mit einem Messzylinder und achten Sie darauf, um die Menge an zugesetztem Wasser aufzunehmen. Wandeln die aufgenommenen Gesamtvolumen auf Kubikzentimeter für die Verwendung in Schritt 4.5.
  3. Erhalten Sie trockene Erde, die Erde Tank packen. Charakterisierung der hydraulischen und thermischen Eigenschaften des gewählten Boden dienen, in Übereinstimmung mit den in Smits et al beschriebenen Verfahren. 11
  4. Sorgfältig nass Pack das Bodentank mit Boden und VE-Wasser.
    1. Bis nass-Pack das Bodentank, erste gießen ca. 5 cm Wasser in den Tank. Langsam trockenen Boden, um das Wasser in den Tank, mit einer Schaufel, in 2,5 cm Tiefe Schritten. Das Gewicht des Sandes bei jedem Aufzug so die Porosität des Bodens Verpackung kann berechnet werden zugegeben.
    2. Nach Fertigstellungjeder Schicht wiederholt tippen Sie auf die Tankwände mit einem Gummihammer, 100-200 mal, um eine gleichmäßige Schüttdichte in ganz erhalten. Während die Erschließung, sollte der Kontakt mit den Sensoren und Sensorkabel. Die Verwendung von Vibrationsvorrichtungen zu vermeiden, um nicht das Netz von empfindlichen Sensoren beschädigen.
  5. Nach Fertigstellung der Verpackung des Tanks zusammenfassen die Gewichte der einzelnen Bodenschicht (siehe Schritt 4.4), um die Gesamtmasse des Bodens zu erhalten. Teilen die Gesamtmasse durch die Schüttdichte des Bodens (zB die Schüttdichte des Quarzsandes beträgt 2,65 g / cm 3), um das Volumen des Sandes zu bestimmen (V s, cm 3). Berechnen der Porosität (η, m 3 / m 3) des Bodens in den Behälter nach:
    figure-protocol-4 (2)
    wo (V T, m 3) ist das Gesamtvolumen der leeren Behälter in Schritt 4.2 festgelegt.
  6. Sobald der Tank voll gepackt ist, legen Sie eine Plastikabdeckung, wie Frischhaltefolie über dem Tank, bis das Experiment ist startbereit, um den Beginn der Verdampfung zu verhindern.
  7. Den Tank auf einem Gewichtungsskala kumulative Wasserverlust, der wiederum verwendet werden, um Verdampfungsgeschwindigkeit berechnen zu überwachen.
  8. Berechnung des stündlichen Verdampfungsrate durch Dividieren der stündliche Gewichtsverlust durch das Produkt aus der Dichte des Wassers und der Querschnittsfläche des Verdampfungsfläche.

5. Starten Sie das Experiment und Start Data Collection

  1. Nachdem der Aufbau abgeschlossen ist, bestimmen die gewünschten Umgebungsbedingungen (zB Temperatur, Windgeschwindigkeit). Stellen Sie sicher, dass die Datenlogger und andere Datenerfassungssysteme eingeschaltet und auf die richtige Abtastintervallen (zB alle 10 min).
  2. Starten Sie den Lüfter und Temperaturregelung. Lassen Sie die Klimabedingungen, um vor dem Entfernen der Kunststoffabdeckung auf der Oberfläche der s ins GleichgewichtÖltank. Ausführen des Experiments für die gewünschte Zeitdauer (beispielsweise 15 Tage).

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Ergebnisse

Das Ziel des Experiments hier vorgestellt wurde, um die Wirkung der Windgeschwindigkeit am Verdampfen aus nackten Boden studieren. Schlüsseleigenschaften des Testschmutzes in der vorliegenden Studie sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Eine Reihe von Experimenten durchgeführt, in denen unterschiedliche Randbedingungen an der Bodenoberfläche (das heißt, Windgeschwindigkeit und Temperatur) angewendet wurden (Tabelle 3). Obwohl vier Versuche bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeit...

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Diskussion

Der Zweck dieses Protokolls wurde eine experimentelle Vorrichtung und das zugehörige Verfahren für die Erzeugung von hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung Daten zur Untersuchung land atmosphärischen Wechselwirkungen in Bezug auf Wärme- und Stoffübertragungsverfahren erforderlich zu entwickeln. Die experimentelle Vorrichtung beschrieben einer Bodenbehälter und einem kleinen Windkanal, von denen beide mit einer Reihe von Sensoren zur Messung von relevanten Boden und atmosphärischen Variablen (ausgestattet bestand ...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde von der US Army Research Office Award W911NF-04-1-0169, der Engineering Research and Development Center (ERDC) und National Science Foundation Zuschuss EAR-1029069 gefördert. Darüber hinaus wurde diese Forschung unterstützt von einem Sommerprogramme in Undergraduate-Forschungsstipendium Colorado School of Mines. Die Autoren danken Ryan Tolene und Paul Schulte für ihre Beiträge danken.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
ECH2O EC-5 Bodenfeuchtesensor (25)Decagon Devices Inc. Decagon.com40593Einzelheiten finden Sie unter: http://www.decagon.com/products/soils/volumetric-water-content-sensors/ec-5-soil-moisture-small-area-of-influence/. Abtastfrequenz in 10-Minuten-Intervallen, Genauigkeit ist ± 3 % und Datenerfassung mit den EM50-Datenloggern
ECT Boden-/Lufttemperatursensor (19)Decagon Devices Inc. Decagon.com40651Spezifikationen finden Sie unter http://www.decagon.com/products/canopy-atmosphere/temperature/ect-air-temperature/. Abtastfrequenz in 10-Minuten-Intervallen, Genauigkeit beträgt ± 0.5  ° C, Messen Sie innerhalb einer Temperatur von 5 und 40  ° C und erfassen Sie Daten mit den Em50-Datenloggern
EHT Sensor für relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur (5)Decagon Devices Inc. Decagon.comN/AAbtastfrequenz in 10-Minuten-Intervallen, Genauigkeit beträgt ± 3 % zwischen 5 % und 100 % relativer Luftfeuchtigkeit und Datenerfassung mit Em50-Datenloggern. Weitere Informationen finden Sie unter decagon.com
Em50 Datenlogger (10)Decagon Devices Inc. Decagon.com40800Einzelheiten finden Sie unter http://www.decagon.com/products/data-management/data-loggers/em50-digital-analog-data-logger/. ECH2O-Zehneck-Geräte, zieht Daten von den ECT-, EC-5- und EHT-Sensoren, und jeder Datenlogger verfügt über 5 Sensoranschlüsse und einen COM-Port, der vom Logger über USB mit dem Computer verbunden
Sartorius Waage (1)Sartorius Corporation11209-95Sartorius Modell 11209-95, Bereich = 65  kg, Auflösung = ± 1  g
Infrarot SalamandernKeramik-Heizstrahler (1)Mor Electric Heating Assoc., Inc. http://www.morelectricheating.com/FTE 500-2405 Heizkörper erforderlich, auf die richtige Umgebungs-/Freilauftemperatur einstellen
2104 Temperaturregelsystem (1)Chromalox2104Steuert die Heizkörper
 
 
 
 
 
 
Infrarot-Temperatursensorregler (1)Exergen CorporationN/AÜberwacht die Temperaturen
[header]
Pitot-statisches Rohr aus Edelstahl (1)Dwyer Instruments, Inc. http://www.dwyer-inst.com/Serie 160Einzelheiten finden Sie unter http://www.dwyer-inst.com/Product/%20TestEquipment/PitotTubes/Series160. Die Abtastfrequenz des Sensors beträgt alle 10 Minuten, muss an den Differenzdruckmessumformer und das Anemometer angeschlossen werden und die gesammelten Druckdaten unter Verwendung der Bernoulli-Gleichung in Win-Geschwindigkeiten umwandeln.
1/2 Zoll Acryl (1)Colorado Plastics http://www.coloradoplastics.com/N / ASpezifische Wärme von 1.464 & nbsp; J  kg-1  K-1, Wärmeleitfähigkeit von 0,2  W  m-1  K-1 und einer Dichte von 1.150  kg  m-3
Rohrmaterial aus verzinktem Stahl (1)Home DepotN/AMaterial, das für den Bau von Windkanälen verwendet wurde, und sowohl runde als auch rechteckige Kanäle wurden im Bauwesen verwendet und mit einem quadratischen bis runden Reduzierrohr verbunden
Variabler Drehzahlregler Verbunden mit einem Inline-Kanalventilator (1)Suncourt, Inc. http://www.suncourt.com/VS20015,3 cm Durchmesser In Reihe mit rundem Kanal platziert
Dämpfer aus verzinktem Stahl (1)Home DepotN/AWird verwendet, um die Geschwindigkeit im Windkanal für niedrige Geschwindigkeitsdaten zu steuern/zu reduzieren
Accusand #30/40 (1)Unimin Corporation http://www.unimin.com/N/ADieser Sand ist Quarzsand und besteht zu 99,8 % aus Quarz, seine Kornform wird als abgerundet klassifiziert, der Gleichmäßigkeitskoeffizient beträgt ungefähr 1,2 und die Korndichte beträgt 2,66 Prozent; g/cm3.
wird der Heizungen

Referenzen

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