Artykuł metodologiczny

Badanie wpływu wymuszeń atmosferycznych na parowanie: eksperymentalna integracja atmosferycznej warstwy granicznej i płytkiej warstwy podpowierzchniowej

8.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/52704

⸱

8 czerwca 2015

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

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono protokół projektowania i budowy zbiornika gruntowego połączonego z małym tunelem aerodynamicznym z kontrolowanym klimatem w celu zbadania wpływu wymuszeń atmosferycznych na parowanie. Zarówno zbiornik glebowy, jak i tunel aerodynamiczny są wyposażone w technologie czujników do ciągłego pomiaru warunków środowiskowych in situ.

Streszczenie

Na parowanie bezpośredni wpływ mają interakcje między atmosferą, powierzchnią lądu i glebą pod powierzchnią. Praca ta ma na celu eksperymentalne zbadanie parowania w różnych warunkach brzegowych powierzchni, aby poprawić nasze obecne zrozumienie i charakterystykę tego wielofazowego zjawiska, a także zweryfikować numeryczne teorie wymiany ciepła i masy, które łączą przepływ Naviera-Stokesa w atmosferze i przepływ Darciana w porowatych ośrodkach. Dane eksperymentalne zebrano przy użyciu unikalnego aparatu do zbiornika glebowego połączonego z małym tunelem aerodynamicznym z kontrolowanym klimatem. Aparatura doświadczalna została wyposażona w zestaw najnowocześniejszych technologii czujników do ciągłego i autonomicznego zbierania informacji o wilgotności gleby, właściwościach termicznych gleby, temperaturze gleby i powietrza, wilgotności względnej i prędkości wiatru. Ta eksperymentalna aparatura może być używana do generowania danych w dobrze kontrolowanych warunkach brzegowych, co pozwala na lepszą kontrolę i gromadzenie dokładnych danych w skali zainteresowania nieosiągalnej w terenie. Indukowany przepływ powietrza przy kilku różnych prędkościach wiatru nad powierzchnią gleby spowodował unikalne zachowanie wymiany ciepła i masy podczas różnych etapów parowania.

Wprowadzenie

Zrozumienie interakcji między lądem a atmosferą jest kluczowe dla naszego zrozumienia wielu obecnych problemów świata, takich jak wyciek geologicznie sekwestrowanego dwutlenku węgla w glebie, zmiany klimatyczne, zaopatrzenie w wodę i żywność, dokładne wykrywanie min lądowych oraz remediacja wód gruntowych i gleby. Ponadto pierwotna wymiana ciepła i wody, która napędza globalne i regionalne warunki meteorologiczne, zachodzi na powierzchni Ziemi. Wiele zjawisk pogodowych i klimatycznych (np. huragany, El Niñ o, susze itp.) są napędzane głównie przez procesy związane z interakcjami między atmosferą a powierzchnią lądu1. Ponieważ ponad połowa powierzchni lądów na Ziemi jest sucha lub półsucha2-4, dokładne opisanie obiegu wody w tych regionach na podstawie wymiany ciepła i wody między powietrzem atmosferycznym a powierzchnią gleby ma kluczowe znaczenie dla lepszego zrozumienia wyżej wymienionych kwestii, szczególnie w regionach narażonych na przedłużającą się suszę i pustynnienie. Jednak pomimo dziesięcioleci badań, nadal pozostaje wiele luk w wiedzy na temat tego, w jaki sposób płytkie podłoże i atmosfera oddziałują na siebie5.

Procesy transportowe obejmujące ciekłą wodę, parę wodną i ciepło w glebie są dynamiczne i silnie sprzężone w odniesieniu do interakcji z glebą i wymuszonymi warunkami brzegowymi (np. temperaturą, wilgotnością względną, promieniowaniem cieplnym). Numeryczne modele wymiany ciepła i masy często nadmiernie upraszczają lub pomijają wiele z tych zawiłości, częściowo z powodu braku testowania i udoskonalania istniejących teorii, co wynika z niedostatku danych o wysokiej rozdzielczości czasowej i przestrzennej. W zestawach danych opracowanych na potrzeby walidacji modelu często brakuje krytycznych informacji atmosferycznych lub podpowierzchniowych, które pozwoliłyby prawidłowo przetestować teorie, co skutkuje modelami numerycznymi, które nie uwzględniają prawidłowo ważnych procesów lub zależą od użycia słabo zrozumiałych parametrów, które są dostosowywane lub dopasowane do modelu. Podejście to jest szeroko stosowane ze względu na swoją prostotę i łatwość użycia, a w niektórych zastosowaniach wykazało wiele zalet. Jednak to podejście można udoskonalić poprzez lepsze zrozumienie fizyki stojącej za tymi "skupionymi parametryzacjami" poprzez przeprowadzanie dobrze kontrolowanych eksperymentów w warunkach przejściowych, które są w stanie przetestować teorię wymiany ciepła i wody.

Staranne eksperymenty w laboratorium pozwalają na generowanie precyzyjnych zestawów danych, które mogą być następnie wykorzystane do walidacji modeli numerycznych. Dane dostępne w terenie są często niekompletne i kosztowne do uzyskania, a stopień kontroli niezbędny do uzyskania podstawowego zrozumienia procesów i wygenerowania danych do walidacji modelu można w niektórych przypadkach uznać za niewystarczający. Eksperymenty laboratoryjne zjawisk naturalnych, takich jak parowanie gleby, pozwalają na dokładne kontrolowanie warunków atmosferycznych (tj. temperatury, wilgotności względnej, prędkości wiatru) i warunków glebowych (tj. rodzaju gleby, porowatości, konfiguracji upakowania). Wiele technik laboratoryjnych stosowanych do badania parowania gleby oraz właściwości termicznych i hydraulicznych gleby wykorzystuje destrukcyjne pobieranie próbek7-10. Destrukcyjne metody pobierania próbek wymagają rozpakowania próbki gleby w celu uzyskania danych punktowych, co zapobiega pomiarowi przejściowego zachowania i zakłócaniu właściwości fizycznych gleby; Takie podejście wprowadza błąd i niepewność do danych. Pomiary nieniszczące, takie jak przedstawiona tu metoda, pozwalają na dokładniejsze określenie i zbadanie współzależności właściwości i procesów zachodzących w glebie11.

Celem tej pracy jest opracowanie aparatu do zbiorników glebowych i związanego z nim protokołu do generowania danych o wysokiej rozdzielczości przestrzennej i czasowej dotyczących wpływu zmian warunków atmosferycznych i podpowierzchniowych na parowanie gołej gleby. Do tej pracy mały tunel aerodynamiczny zdolny do utrzymania stałej prędkości wiatru i temperatury jest połączony z aparatem do zbiornika gleby. Tunel aerodynamiczny i zbiornik gleby są wyposażone w zestaw najnowocześniejszych technologii czujników do autonomicznego i ciągłego gromadzenia danych. Prędkość wiatru jest mierzona za pomocą rurki statycznej Pitota ze stali nierdzewnej przymocowanej do przetwornika ciśnienia. Temperatura i wilgotność względna w atmosferze są monitorowane za pomocą dwóch rodzajów czujników. Wilgotność względna i temperatura są również monitorowane na powierzchni gleby. Czujniki znajdujące się pod powierzchnią mierzą wilgotność i temperaturę gleby. Pomiary masy aparatury zbiornikowej służą do określenia parowania za pomocą bilansu masy wody. Aby zademonstrować możliwość zastosowania tego eksperymentalnego aparatu i protokołu, przedstawiamy przykład parowania z gołą glebą w warunkach zmiennej prędkości wiatru. Zbiornik glebowy, wypełniony jednorodnie dobrze scharakteryzowanym piaskiem, był początkowo w pełni nasycony i mógł swobodnie odparowywać w ściśle kontrolowanych warunkach atmosferycznych (tj. temperatura, prędkość wiatru).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Uwaga: Badania laboratoryjne są przeprowadzane z wykorzystaniem dwuwymiarowego zbiornika modelowego połączonego z aparaturą tunelu aerodynamicznego z kontrolowaną temperaturą i wilgotnością. Zarówno zbiornik modelowy, jak i tunel aerodynamiczny są wyposażone w różnorodne technologie czujników. Poniższy protokół omówi najpierw konstrukcję i przygotowanie zbiornika z glebą, a następnie tunel aerodynamiczny oraz instrumentację obu tych elementów. Wymiary zbiornika, wymiary tunelu aerodynamicznego, liczba czujników oraz rodzaj zastosowanej technologii pomiarowej mogą zostać zmodyfikowane w zależności od potrzeb konkretnej konfiguracji eksperymentalnej. Przedstawiony poniżej protokół został wykorzystany do eksperymentalnego zbadania wpływu prędkości wiatru na parowanie z gołej gleby.

1. Budowa i przygotowanie zbiornika z glebą o strukturze porowatej

  1. Potnij duży arkusz szkła akrylowego o grubości 1.2 cm na pięć oddzielnych tafli. Zmontuj te tafle w zbiornik glebowy bez górnego zamknięcia o wewnętrznej długości, szerokości i wysokości wynoszącej odpowiednio 25, 9.1 i 55 cm. Szkło akrylowe umożliwia wizualną obserwację procesów zachodzących w podłożu.
  2. Na każdej z dwóch dużych tafli szkła (o długości 25 cm i wysokości 55 cm) narysuj siatkę 5 x 5 o wymiarach 25 cm na 25 cm, jak pokazano na Rysunku 1. Upewnij się, że każdy kwadrat w siatce ma powierzchnię 25 cm2 (Rysunek 1). Siatka posłuży do prawidłowego rozmieszczenia czujników wewnątrz zbiornika glebowego.

Schemat czujników glebowych z widokiem z przodu i z boku; obejmuje czujniki wilgotności, temperatury i wilgotności powietrza.
Rysunek 1: Schematyczny widok z przodu i z boku zbiornika z glebą użytego w układzie doświadczalnym (wymiary podano w centymetrach). (a) Widok z przodu zbiornika z glebą przedstawiający system siatki składający się z dwudziestu pięciu kwadratów o wymiarach 5 cm x 5 cm. (b) Widok z boku zbiornika z glebą, pokazujący zainstalowaną sieć czujników temperatury, wilgotności względnej i wilgotności gleby w zależności od głębokości. Należy zwrócić uwagę, że schematy nie są narysowane w skali.

  1. W jednej z dużych szklanych ścian wykonaj łącznie dwadzieścia pięć otworów o średnicy 1,9 cm (¾ cala) dla czujników wilgotności gleby.
    1. Wierć każdy otwór w centrum każdego kwadratu w siatce wyznaczonej w kroku 1.2, tak aby środki otworów w dwóch sąsiednich kwadratach były oddalone od siebie o 5 cm; pierwszy zestaw otworów znajduje się 2,5 cm poniżej górnej krawędzi zbiornika. Użyj odpowiednio dobranych gwintowników, aby naciąć gwinty w każdym z nowo wykonanych otworów. Odstęp 5 cm między czujnikami zapewnia, że każdy czujnik znajduje się poza objętością próbkowania najbliższego sąsiedniego czujnika.
  2. Analogicznie wywierć i nacinaj gwinty w łącznie dwudziestu pięciu otworach o średnicy 0,635 cm (¼ cala) w centrum każdego pola siatki utworzonej w kroku 1.2. Upewnij się, że środki otworów są oddalone od siebie o 5 cm, a pierwszy rząd otworów znajduje się 2,5 cm poniżej górnej krawędzi zbiornika z glebą. Odstęp 5 cm między czujnikami zapewnia, że każdy czujnik znajduje się poza objętością próbkowania najbliższego sąsiedniego czujnika.
  3. W panelu akrylowym służącym jako dno zbiornika wywierć i nacinaj gwint w jednym otworze o średnicy ½ cala na środku panelu. Przyklej siatkę (o oczkach mniejszych niż ziarna stosowanych gleb testowych) nad otworem od wewnętrznej strony szkła. Na zewnętrznej stronie dolnego panelu zainstaluj kolanko 90°, które jest połączone z elastyczną rurką z regulowanym zaworem. Zawór i rurka ta służą do odprowadzania wody ze zbiornika po zakończeniu eksperymentu lub do instalacji urządzeń o stałym poziomie wody w celu utrzymania stałej głębokości zwierciadła wody.
  4. Użyj kleju klasy morskiej lub podobnego wodoodpornego kleju polimerowego, aby połączyć i uszczelnić zbiornik, jak pokazano na Rysunku 1. Pozostaw klej do utwardzenia na jeden dzień.
  5. Aby podnieść zbiornik nad ziemię i zrobić miejsce na kolanko 90° (Rysunek 1), przymocuj do dna zbiornika dwa dodatkowe kawałki szkła akrylowego o grubości 1,2 cm, długości 12 cm i wysokości 5 cm.

2. Budowa i przygotowanie tunelu aerodynamicznego z kontrolą klimatu

  1. Zbuduj górny odcinek tunelu aerodynamicznego o długości 215 cm, wykorzystując prostokątne ocynkowane kanały stalowe o szerokości 8,5 cm i wysokości 26 cm. Zewnętrzną stronę kanału otocz izolacją z polistyrenu.
  2. W bocznej ściance kanału, w pobliżu dolnego wyjścia górnego odcinka tunelu aerodynamicznego, wywierć mały otwór w celu wprowadzenia czujnika temperatury i wilgotności względnej (Rycina 2).

Schemat tunelu aerodynamicznego z wentylatorem kanałowym, rurką Pitota, siatką czujników, zbiornikiem z glebą i grzejnikami podczerwienimi.
Rycina 2: Kompletna konfiguracja eksperymentalna, obejmująca zbiornik, kanały powietrzne oraz siatkę czujników (wymiary podano w centymetrach). Kompletna konfiguracja eksperymentalna połączonego układu tunelu aerodynamicznego i zbiornika z glebą. Tunel aerodynamiczny jest wyniesiony i znajduje się na poziomie powierzchni zbiornika z glebą. Zbiornik z glebą jest wyposażony w sieć czujników służących do pomiaru różnych zmiennych podpowierzchniowych i atmosferycznych. Okręgi na siatce reprezentują miejsca montażu tych czujników. System sterowania ogrzewaniem oraz kanałowy wentylator są wykorzystywane odpowiednio do kontroli temperatury i prędkości wiatru. Rurka Pitota służy do pomiaru prędkości wiatru. Cały aparat spoczywa na wadze w celu uzyskania bilansu masy podczas eksperymentu. Należy pamiętać, że schemat nie jest narysowany w skali.

  1. Zainstaluj pięć ceramicznych elementów grzewczych w podczerwieni, rozmieszczonych równolegle wewnątrz reflektora wzdłuż górnego odcinka tunelu aerodynamicznego. Podłącz elementy grzejne do systemu sterowania temperaturą regulowanego przez czujnik temperatury w podczerwieni.
  2. Zbuduj środkową sekcję tunelu aerodynamicznego z dwóch paneli akrylowych o grubości 1,2 cm, długości 25 cm i wysokości 26 cm. Wywierć dwa otwory o średnicy 0,635 cm (¼ cala) w jednym z paneli środkowej sekcji, aby wprowadzić czujniki temperatury i/lub wilgotności względnej oraz temperatury w miejscach pokazanych na Rysunku 2.
    1. Przymocuj panele akrylowe do górnej krawędzi ścian bocznych zbiornika z glebą (t.j. paneli o wymiarach 25 cm x 55 cm) za pomocą mocnej taśmy klejącej, upewniając się, że panele tunelu aerodynamicznego i zbiornika z glebą przylegają do siebie idealnie.
  3. Zbuduj pierwsze 50 cm dolnego odcinka tunelu aerodynamicznego z prostokątnego materiału kanałowego o tych samych wymiarach, co opisano w kroku 2.1. Na końcowej stronie zredukuj prostokątny kanał do okrągłego przewodu o średnicy 15,3 cm i długości 170 cm. Na dalekim końcu okrągłego przewodu zainstaluj ocynkowaną stalową przepustnicę, służącą do regulacji prędkości przepływu powietrza, aby wspomóc kontrolę prędkości wiatru.
  4. Podobnie jak w kroku 2.2, wywierć jeden otwór o średnicy 0,635 cm w bocznej ścianie dolnego prostokątnego kanału w pobliżu wlotu, w celu wprowadzenia czujnika wilgotności względnej i temperatury. Wywierć drugi otwór o średnicy 0,635 cm od góry prostokątnego kanału wzdłuż osi środkowej tunelu aerodynamicznego.
  5. Zainstaluj kanałowy wentylator osiowy w połowie okrągłego przewodu (t.j. 85 cm poniżej redukcji opisanej w kroku 2.4), zorientowany tak, aby wypychał powietrze z dolnego odcinka tunelu aerodynamicznego. Połącz wentylator z regulatorem prędkości w celu bardziej precyzyjnego sterowania częstotliwością obrotową, a w konsekwencji prędkością przepływu powietrza.
  6. Użyj elementów spawalniczych i regulowanych regałów, aby unieść i zabezpieczyć aparat tunelu aerodynamicznego. Upewnij się, że dno górnego i dolnego okładziny kanałowej jest zrównane z górną krawędzią zbiornika z glebą (Rysunek 2).

3. Instalacja czujników

  1. Przed instalacją w zbiorniku z glebą należy umieścić każdy czujnik wilgotności i temperatury gleby w gwintowanej obudowie NPT (odpowiednio obudowy 1,9 cm i 0,635 cm) i uszczelnić uszczelniaczem do krawędzi, aby zapobiec przenikaniu wilgoci. Nie należy używać produktów uszczelniających na bazie silikonu, ponieważ mogą one zakłócać pracę elektroniki w niektórych czujnikach. Pozostawić czujniki do utwardzenia na około jeden tydzień.
  2. Przed instalacją w zbiorniku z glebą należy skalibrować czujniki wilgotności gleby zgodnie z dwupunktową metodą mieszania α opracowaną przez Sakaki et al.12.
  3. Przed instalacją w zbiorniku należy owinąć gwinty każdej obudowy NPT taśmą teflonową, aby zapewnić lepsze uszczelnienie między gwintem NPT a szkłem akrylowym.
  4. Zainstalować łącznie po 25 czujników wilgotności i temperatury gleby poziomo przez ściany zbiornika w lokalizacjach omówionych w kroku 1.2. Przekręcać kable czujników synchronicznie z złączem/obudową NPT, aby nie uszkodzić wewnętrznego okablowania w kablach. Nie dokręcać zbyt mocno elementów NPT, aby zapobiec pęknięciu szkła. Podłączyć czujniki wilgotności gleby i czujniki temperatury do przypisanych im rejestratorów danych.
  5. Zainstalować 3 czujniki wilgotności względnej i temperatury na powierzchni gleby w odległościach 2,5, 12,5 i 21,5 cm od przedniej krawędzi zbiornika. Umieścić czujniki w dobrym kontakcie z powierzchnią gleby, tak aby odczyty wilgotności względnej odzwierciedlały warunki na powierzchni gleby, a nie powietrza otoczenia. Podłączyć czujniki do rejestratorów danych.
  6. Aby uzyskać wymagane pomiary temperatury powietrza i wilgotności względnej w atmosferze, należy zainstalować czujniki wilgotności względnej i temperatury w sekcji swobodnego przepływu tunelu aerodynamicznego, korzystając z otworów wywierconych w sekcjach przedniej i tylnej tunelu aerodynamicznego oraz w panelach.
  7. Zainstalować rurkę Pitota bezpośrednio za zbiornikiem z glebą poprzez otwór o średnicy 0,635 cm wywiercony w górnej części tylnej sekcji tunelu aerodynamicznego. Utrzymać rurkę Pitota na wysokości 13 cm od podłogi sekcji. Podłączyć rurkę Pitota do przetwornika różnicy ciśnień.
  8. Skalibrować przetwornik różnicy ciśnień. Rurka Pitota mierzy ciśnienie dynamiczne, które definiuje się jako różnicę między ciśnieniem całkowitym a statycznym. Różnica ciśnień jest interpretowana przez przetwornik ciśnienia jako różnica napięć.
    1. Zmierzyć napięcie w warunkach braku przepływu (napięcie powinno być w przybliżeniu równe 0) oraz dla przepływu o znanej wartości ciśnienia dynamicznego; pozwala to na ustanowienie liniowej zależności między ciśnieniem dynamicznym a napięciem. Wyznaczyć prędkość wiatru, stosując równanie Bernoulliego:
      Równanie Bernoulliego, wzór dynamiki płynów na prędkość, diagram edukacyjny. (1)
      gdzie V (m/sec) to prędkość wiatru, Pdynamic (Pa) to ciśnienie dynamiczne, a ρ (kg/m3) to gęstość powietrza.
    2. Porównać prędkość obliczoną za pomocą równania (1) z pomiarem z innego urządzenia. W tym przypadku należy porównać przetwornik różnicy ciśnień rurki Pitota z pomiarami laserowej welocymetrii dopplerowskiej (LDV), która posiada dokładność ± 0,01 m/sec.
      Uwaga: Podsumowanie zastosowanych czujników i przypisanych im częstotliwości próbkowania znajduje się w Tabeli 1. W celu uzyskania specyfikacji czujników i innych informacji należy odwołać się do załączonej listy materiałów/sprzętu.
CzujnikPomiary czujnikoweLiczba czujników wykorzystanych w aparaturze doświadczalnejCzęstotliwość próbkowania czujnika (min)
EC-5Wilgotność gleby2510
ECT (terapia elektrowstrząsowa)Temperatura gleby/powietrza2510
SH-1Właściwości termiczne110
EHTWilgotność względna/temperatura510
Kamera podczerwieniTemperatura powierzchni/parowanie11
Aparat cyfrowyWizualizacja frontu suszenia160
Rurka Pitota-statycznaPrędkość wiatru110
Waga laboratoryjnaSkumulowane parowanie/szybkość parowania110

Tabela 1: Podsumowanie czujników wykorzystanych w części eksperymentalnej niniejszego badania.

4. Wypełnienie zbiornika z glebą i przygotowanie do rozpoczęcia eksperymentu

  1. Przed wypełnieniem zbiornika glebą, sprawdź jego szczelność, wykonując test wycieku. Napełnij zbiornik wodą i odczekaj 4-6 hr, aby upewnić się, że w strukturze lub czujnikach nie powstały żadne nieszczelności.
    1. W przypadku wystąpienia wycieków, opróżnij zbiornik, pozostaw go do wyschnięcia na noc i uszczelnij miejsca nieszczelności, używając tego samego kleju morskiego, który został zastosowany podczas konstrukcji. Jeśli nie wystąpią wycieki, opróżnij zbiornik z wody i przygotuj się do poniższych kroków.
  2. Wyznacz całkowitą objętość zbiornika z zamontowanymi czujnikami. Ostrożnie napełnij zbiornik wodą za pomocą cylindra miarowego, zapisując ilość dodanej wody. Przelicz zarejestrowaną objętość całkowitą na centymetry sześcienne do wykorzystania w kroku 4.5.
  3. Przygotuj suchą glebę do wypełnienia zbiornika. Oceń właściwości hydrauliczne i termiczne wybranej gleby oddzielnie, zgodnie z metodami omówionymi przez Smits et al.11
  4. Ostrożnie wypełnij zbiornik glebą na mokro, używając gleby i wody dejonizowanej.
    1. Aby wypełnić zbiornik na mokro, najpierw wlej do niego około 5 cm wody. Powoli dodawaj suchą glebę do wody w zbiorniku, używając łopatki, w przyrostach głębokości 2,5 cm. Zapisuj masę piasku dodawanego przy każdej warstwie, aby móc obliczyć porowatość upakowania gleby.
    2. Po ukończeniu każdej warstwy, wielokrotnie opukuj ścianki zbiornika gumowym młotkiem (100-200 razy), aby uzyskać jednorodną gęstość objętościową w całym zbiorniku. Podczas opukiwania unikaj kontaktu z czujnikami i przewodami czujników. Należy unikać stosowania urządzeń wibracyjnych, aby nie uszkodzić sieci czułych sensorów.
  5. Po zakończeniu wypełniania zbiornika, zsumuj masy każdej warstwy gleby (patrz krok 4.4), aby uzyskać całkowitą masę gleby. Podziel całkowitą masę przez gęstość objętościową gleby (np. gęstość objętościowa piasku kwarcowego wynosi 2,65 g/cm3), aby wyznaczyć objętość piasku (Vs, cm3). Oblicz porowatość (η, m3/m3) gleby w zbiorniku według wzoru:
    Równanie wydajności η=(VT−VS)/VT na schemacie badań naukowych. (2)
    gdzie (VT, m3) to całkowita objętość pustego zbiornika wyznaczona w kroku 4.2.
  6. Gdy zbiornik zostanie całkowicie wypełniony, przykryj go pokrywą z tworzywa sztucznego, np. folią spożywczą, aż do rozpoczęcia eksperymentu, aby zapobiec rozpoczęciu parowania.
  7. Umieść zbiornik na wadze, aby monitorować skumulowaną utratę wody, co z kolei może zostać wykorzystane do obliczenia szybkości parowania.
  8. Oblicz godzinową szybkość parowania, dzieląc godzinową utratę masy przez iloczyn gęstości wody i pola przekroju powierzchni parującej.

5. Rozpoczęcie eksperymentu i rozpoczęcie zbierania danych

  1. Po zakończeniu przygotowań należy określić pożądane warunki atmosferyczne (t.j. temperaturę, prędkość wiatru). Upewnij się, że rejestratory danych i inne systemy akwizycji danych są włączone i ustawione na właściwe interwały próbkowania (np. co 10 min).
  2. Uruchom wentylator oraz system kontroli temperatury. Pozostaw warunki klimatyczne do czasu ustabilizowania się przed zdjęciem plastikowej osłony z powierzchni zbiornika z glebą. Prowadź eksperyment przez pożądany czas (np. 15 dni).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Celem przedstawionego tutaj eksperymentu było zbadanie wpływu prędkości wiatru na parowanie z odsłoniętej gleby. Kluczowe właściwości gleby testowej użytej w niniejszym badaniu podsumowano w Tabeli 2. Przeprowadzono serię doświadczeń, w których zastosowano różne warunki brzegowe na powierzchni gleby (tj. prędkość wiatru i temperaturę) (Tabela 3). Choć wykonano cztery eksperymenty przy różnych prędkościach wiatru i temperaturach, większość zaprezentowanych tutaj wyników eksperyme...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Celem tego protokołu było opracowanie aparatury eksperymentalnej i związanych z nią procedur generowania danych o wysokiej rozdzielczości przestrzennej i czasowej, wymaganych do badania oddziaływań ląd-atmosfera w odniesieniu do procesów wymiany ciepła i masy. Opisana aparatura doświadczalna składała się ze zbiornika glebowego i małego tunelu aerodynamicznego, z których oba były wyposażone w szereg czujników do pomiaru istotnych zmiennych glebowych i atmosferycznych (np. prędkości wiatru, wilgotności względnej, ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

To badanie zostało sfinansowane przez U.S. Army Research Office Award W911NF-04-1-0169, Engineering Research and Development Center (ERDC) oraz grant National Science Foundation EAR-1029069. Ponadto badania te zostały wsparte grantem Summer Programs in Undergraduate Research z Colorado School of Mines. Autorzy pragną podziękować Ryanowi Tolene i Paulowi Schulte za ich wkład.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
ECH2O EC-5 Czujnik wilgotności gleby (25)Decagon Devices Inc. Decagon.com40593Aby uzyskać szczegółowe informacje, odwiedź: http://www.decagon.com/products/soils/volumetric-water-content-sensors/ec-5-soil-moisture-small-area-of-influence/. Częstotliwość próbkowania w odstępach 10-minutowych, dokładność wynosi ± 3% i zbieraj dane za pomocą rejestratorów danych Em50
ECT Czujnik temperatury gleby/powietrza (19)Decagon Devices Inc. Decagon.com40651Specyfikacje można znaleźć na stronie http://www.decagon.com/products/canopy-atmosphere/temperature/ect-air-temperature/. Częstotliwość próbkowania w odstępach 10 minut, dokładność wynosi ± 0,5  ° C, Mierz w temperaturze 5 i 40  ° C i zbieraj dane za pomocą rejestratorów danych Em50
Czujnik wilgotności względnej i temperatury EHT (5)Decagon Devices Inc. Decagon.comnie dotyczyodstępach 10-minutowych, dokładność wynosi ± 3% od 5% do 100% wilgotności względnej i zbieraj dane za pomocą rejestratorów danych Em50. Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź stronę decagon.com
Em50 Data Logger (10)Decagon Devices Inc. Decagon.com40800Szczegółowe informacje można znaleźć na stronie http://www.decagon.com/products/data-management/data-loggers/em50-digital-analog-data-logger/. ECH2O dziesięciokątne urządzenia, pobiera dane z czujników ECT, EC-5 i EHT, a każdy rejestrator danych ma 5 połączeń czujników i port COM, który łączy się z rejestratora do USB do komputera
Waga Sartorius (1)Sartorius Corporation11209-95Sartorius Model 11209-95, Zakres = 65  kg, Rozdzielczość = ± 1  g
Ceramiczny promiennik promieniujący na podczerwień Salamandern (1)Mor Electric Heating Assoc., Inc. http://www.morelectricheating.com/FTE 500-240Potrzeba 5 grzejników, dostosuj, aby uzyskać odpowiednią temperaturę otoczenia/swobodnego przepływu
2104 System kontroli temperatury (1)Chromalox2104Steruje grzejnikami
 
 
 
 
 
 
Regulator czujnika temperatury na podczerwień (1)Exergen CorporationN/AMonitoruje temperaturę grzejników
[nagłówek]
Rura statyczna Pitot ze stali nierdzewnej (1)Dwyer Instruments, Inc. http://www.dwyer-inst.com/Seria 160Szczegółowe informacje można znaleźć na stronie http://www.dwyer-inst.com/Product/%20TestEquipment/PitotTubes/Series160. Częstotliwość próbkowania czujnika wynosi co 10 minut, musi być podłączony do przetwornika różnicy ciśnień i anemometru, a zebrane dane dotyczące ciśnienia przekształcić w prędkości wygranej za pomocą równania Bernoulliego.
1/2 cala Akryl (1)Colorado Plastics http://www.coloradoplastics.com/N/DCiepło właściwe 1,464  J  kg-1  K-1, przewodność cieplna 0,2  W  m-1  K-1, o gęstości 1 150  kg  m-3
Materiał przewodów ze stali ocynkowanej (1)Home DepotN/AMateriał użyty do budowy tunelu aerodynamicznego oraz zarówno okrągłe, jak i prostokątne kanały zostały użyte w budownictwie i połączone za pomocą kanału redukcyjnego kwadrat-okrągły
Regulator zmiennej prędkości podłączony do wbudowanego wentylatora kanałowego (1)Suncourt, Inc. http://www.suncourt.com/VS200o średnicy 15,3 cm Umieszczony w linii z okrągłym kanałem
Amortyzator ze stali ocynkowanej (1)Home DepotN/ASłuży do kontrolowania/zmniejszania prędkości w tunelu aerodynamicznym w celu uzyskania danych o niskiej prędkości
Accusand #30/40 (1)Unimin Corporation http://www.unimin.com/Nie dotyczyTen piasek jest piaskiem kwarcowym i składa się w 99,8% z kwarcu, jego kształt ziarna jest klasyfikowany jako zaokrąglony, współczynnik jednorodności wynosi około 1,2, a gęstość ziarna wynosi 2,66  g/cm3.
Częstotliwość próbkowania w

Bibliografia

  1. Surface and Planetary Boundary Layer. Web. , Available from: http://www.esrl.noaa.gov/research/themes/pbl/ (2014).
  2. Verstraete, M. M., Schwartz, S. A. Desertification and global change. Vegetatio. 91, 3-13 (1991).
  3. Warren, A. Desertification. The Physical Geography of Africa. Adams, W. M., Goudie, A. S., Orme, A. R. , University Press. Oxford. 342-355 (1996).
  4. Katata, G., Nagai, H., Ueda, H., Agam, N., Berliner, P. R. Development of a land surface model including evaporation and adsorption processes in the soil for the land-air exchange in arid regions. J. Hydrometeorol. 8, 1307-1324 (2007).
  5. Davarzani, H., Smits, K. M., Tolene, R., Illangasekare, T. H. Study of the effect of wind speed on evaporation from soil through integrated modeling of atmospheric boundary layer and shallow subsurface. Water Resour. Res. 50, (2014).
  6. Heitman, J. L., Horton, R., Ren, T., Nassar, I. N., Davis, D. D. A test of coupled soil heat and water transfer prediction under transient boundary temperatures. Soil Sci. Soc. Am. J. 72 (5), 1197-1207 (2008).
  7. Gurr, C. G., Marshall, T. J., Hutton, J. T. Movement of water in soil due to a temperature gradient. Soil Sci. 74, 335-345 (1952).
  8. Nassar, I. N., Horton, R. Water transport in unsaturated non-isothermal salty soil: experimental results. Soil Sci. Soc. Am. J. 53, 1323-1363 (1989).
  9. Prunty, L., Horton, R. Steady-state Temperature Distribution in Nonisothermal unsaturated closed soil cells. Soil Sci. Soc. Am. J. 58, 1358-1363 (1994).
  10. Bachmann, J., Horton, R., Ren, T., van der Ploeg, R. R. Comparison of the thermal properties of four wettable and four water-repellent soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 65 (6), 1675-1679 (2001).
  11. Smits, K. M., Sakaki, T., Limsuwat, A., Illangasekare, T. H. Thermal conductivity of sands under varying moisture and porosity in drainage-wetting cycles. Vadose Zone J. 9, 1-9 (2010).
  12. Sakaki, T., Limsuwat, A., Smits, K. M., Illangasekare, T. H. Empirical two-point α-mixing Model for calibrating the ECH2O EC-5 soil sensor in sands. Water Resources Research. 44, W00D08(2008).
  13. Shokri, N., Lehmann, P., Or, D. Evaporation from layered porous media. J. Geophys. Res. 115, B06204(2010).
  14. Van Brakel, J. Mass transfer in convective drying. Advances in Drying. Mujumdar, A. S. 1, 217-267 (1980).
  15. Yiotis, A. G., Subos, A. G. B. oudouvisA. K., Tsimpanogiannis, I. N., Yortsos, Y. C. The effect of liquid films on the drying of porous media. AIChE J. 50, 2721-2737 (2004).
  16. Ishihara, Y., Shimojima, E., Harada, H. Water vapor transfer beneath bare soil where evaporation is influenced by a turbulent surface wind. J. Hydrol. 131 (1-4), 63-104 (1992).
  17. Lehmann, P., Assouline, S., Or, D. Characteristic lengths affecting evaporative drying of porous media. Phys. Rev. E. 77 (5 Pt 2), 056309(2008).
  18. Trautz, A. C., Smits, K. M., Schulte, P., Illangasekare, T. H. Sensible heat balance and heat-pulse method applicability to in situ soil-water evaporation. Vadose Zone J. 13, (2014).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Badanie parowaniaaparat ze zbiornikiem glebowymtunel aerodynamiczny z kontrol klimatuczujniki wilgotno ci glebywarunki brzegowetransport ciep a i masywalidacja modelu numerycznegoprzep yw w o rodkach porowatych

Powiązane artykuły