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

Summary

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.

Introduction

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).

Protocol

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.

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.

3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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).

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.

3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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:
      (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	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:
   (2)
   wo (V _T, m ³⁾ ist das Gesamtvolumen der leeren Behälter in Schritt 4.2 festgelegt.
<li> 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.
6. Den Tank auf einem Gewichtungsskala kumulative Wasserverlust, der wiederum verwendet werden, um Verdampfungsgeschwindigkeit berechnen zu überwachen.
7. 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).

Representative Results

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 Windgeschwindigkeiten und Temperaturen durchgeführt wurden, die Mehrheit der experimentellen hier vorgelegten Ergebnisse für eine Windgeschwindigkeit von 1,22 m / sec. Kumulative Verdampfungs Daten für alle vier Versuche gezeigt.

Verpackungsbedingungen	Trockenrohdichte (G cm -3)	Lufteintrittsdruck (Cm H 2 O)	Restwassergehalt (M 3 m -3)	Van Genuchten
			Modellparameter *
			α (cm -1)	n (-)
Fest	1.79	16.1 / 22.5	0,028	0,04	20.53

Tabelle 2: Schlüsseleigenschaften der experimentellen Testschmutz verwendet.

Experiment Lauf #	Durchschnitt Maximum Windgeschwindigkeit	Anfangstemperatur auf Bodenoberfläche	Endtemperatur auf Bodenfläche
	(M / sec)		(° C)
1	0.55	27	31
2	1.22	26	33
3	3	29	37
4	3.65	33	44,5

Tabelle 3: Versuchswindgeschwindigkeiten angewendet.

Zeitlich relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur, gemessen an der Bodenoberfläche sind in Abbildung 3 dargestellt. Die relative Luftfeuchtigkeit bleibt relativ konstant bei etwa 0,80 für etwa zwei Tage vor der steil über die nächsten vier Tage abnimmt, hinter dem ein stabiler relativen Feuchtigkeitswert von 0,35 ist erhalten. Die Temperatur der Bodenoberfläche zeigt eine steigende Tendenz über einen Zeitraum von vier Tagen vor der Stabilisierung. Diese Trends wurden in allen vier Experimenten beobachtet und kann erklärt werdenBedingungen der Bodentrocknung. Relative Feuchtigkeit verringert in Verbindung mit einer Abnahme der Verdampfungsgeschwindigkeit, weil es weniger über die Zeit vorhandenen Wasserdampf. Die Temperatur steigt wie die verfügbaren Wasser abnimmt (dh Verdampfungsrate nimmt ab), da der Prozess der Verdampfung nicht mehr kühlt die Bodenoberfläche. In den ersten drei Tagen war die relative Feuchtigkeit der Luft stromabwärts über stromaufwärtigen Luft aufgrund der Anwesenheit von mehr Wasserdampf von stromaufwärts Eindampfen resultieren. Dieser Trend wurde später aufgrund der vorgeschalteten Sensor zu verlieren Kontakt mit der Bodenoberfläche umgekehrt, wahrscheinlich; die Sensorkabel sind flexibel und gelegentlich ziehen Sie den Sensor von der Bodenoberfläche, die Änderung der Feuchtigkeit Lesen. Die relative Feuchtigkeit stromabwärts gemessen größer ist als die stromaufwärts gemessen, da der Prozess der Verdampfung entlang der ersten 21,5 cm des Behälters erhöht die Menge an Feuchtigkeit, die in der Luft.

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Abbildung 3: Relative Feuchtigkeit und Temperatur gemessen an der Bodenoberfläche (. Dieser Wert wurde aus Davarzani et al ⁵ modifiziert worden ist).

Der freie Fluss der Lufttemperatur in diesem Experiment wurde auf einen konstanten Wert von 40 ° C unter Verwendung der zuvor beschriebenen Temperaturregelungssystem eingestellt. Die zeitabhängige Temperatur und der relativen Feuchtigkeit der Luft in der freien Strömung in einer Höhe von 8,5 cm über der Bodenfläche, sind in 4 gezeigt. Die beobachteten täglichen Temperaturschwankungen sind, um die Variabilität der Heizer Ausgängen durch in Antwort auf die Temperatur des Infrarot-Temperatursensor, der die Temperatur-Steuersystem regelt gemessen (siehe Schritt 2.3). Tagesschwankungen vermieden werden können, wenn gewünscht, durch die Einstellung der Infrarot-Temperatursensor mit einem eingestellten Temperaturwert. Der Unterschied in der atmosphärischenTemperatur entlang der Länge des Tanks ist die Siedekühlung (Abbildung 4).

Abbildung 4: Relative Feuchtigkeit und Temperatur gemessen 7,5 cm über der Bodenoberfläche vor und hinter dem Tank (. Dieser Wert wurde aus Davarzani et al ⁵ modifiziert worden ist).

In 5a ist die zeitabhängige Bodentemperatur der Tiefe von 2,5 cm, 7,5 cm und 12,5 cm unterhalb der Bodenoberfläche als auch der Umgebungstemperatur dargestellt sind; siehe Abbildung 1 für Sensoridentifikation. Wie in 5a zu sehen ist, die Oberflächentemperatur und Windgeschwindigkeit sind an lokalen Temperaturen weniger einflussreich in größeren Tiefen. - Zeigt keine Wirkung auf die Tiefe von 12,5 cm 5B zeigt Temperatur afunction der Zeit für drei Sensoren in einer Tiefe von 2,5 cm liegt. Es gibt einen leichten Unterschied in der Temperatur für Sensoren in dieser Tiefe mit der vorgeschalteten Sensor 5, die eine höhere Temperatur als die stromabwärts gelegenen Sensor 1. Dies ist, weil der freie Strömungstemperatur ist immer höher als die Upstream-Downstream (Abbildung 4). Die Unterschiede in der Temperatur führt auch zu einer unsymmetrischen Sättigungsprofil im Bodentank, wie nachfolgend gezeigt wird.

EIN

B

Abbildung 5: Entwicklung der gemessenen Bodentemperatur als Funktion der Zeit (a) senkrecht in der Mitte des Behälters und (b) in einer Tiefe von 2,5 cm (Diese Zahl wurde modified aus Davarzani et al. ^5).

6A zeigt die zeitabhängige Sättigungs gegen die Zeit bei Bodentiefen von 2,5, 7,5, 12,5 und 17,5 cm. Für Tiefen von mehr als 12,5 cm, die Sättigungs blieb bei 100% für die Dauer des Experiments; näher an der Bodenoberfläche verminderte jedoch Sättigung über der Zeit. Die in 6a gezeigt Sättigung zu den verschiedenen Verdampfungsstufen in Beziehung gesetzt werden (das heißt der Stufe I und Stufe II) durch Unterschiede in der Verdampfungsraten definiert, die Lage der Trocken vorne und dominant Transportmechanismen ^14. Während der Stufe I Eindampfen wurde der Trocknungsfront schnell zurückzieht von der Bodenoberfläche als Gravitations- und Reibungskräfte beginnen, um Kapillarkräfte zu dominieren. Dies wird in den ersten Tag von der gemessenen Abnahme der Sättigung des Bodens mit der ersten Reihe der Bodenfeuchtigkeitssensoren, die einer Tiefe von 2,5 cm festgestellt. Nach Tag 1, die Rate, mit welcher der Trocknungsfront continues um verlangsamt zurückzuziehen, wie in der schrittweisen Form der Sättigungskurven für Sensoren 6-10 in einer Tiefe von 7,5 cm (6a) angeordnet gezeigt. Dies markiert den Übergang von dem Eindampfen zur Dampfdiffusion begrenzt Stufe II Verdunstung. Der erste Teil der Phase II wird oft die fallende Rate Periode ^15-17 genannt. Schließlich werden die Sättigungskurven nivellieren und sehr wenig ändern wie die Trocknungsfront eine Tiefe von 12,5 cm erreicht (zB Sensor 13) 3. Tag.

EIN

B

Figur 6: Zeitentwicklung der gemessenen Untergrundbodensättigung (a), die vertikal in der Mitte des Behälters und (b) in einer Tiefe von 2,5 cm (dieser figure aus Davarzani et al. ⁵⁾ geändert wurde.

6B zeigt Sättigung gegen die Zeit für drei Sensoren in konstanten Tiefe von 2,5 cm liegt. Die Sättigungskurven sind nahezu identisch und konsistent über die gesamte Länge des Behälters in dieser Tiefe. Die geringfügige asymmetrische Verteilung ist durch die Lufttemperaturunterschied zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Abschnitten der Windkanal. Da stromaufwärtigen Temperaturen waren immer ein paar Grad wärmer, atmosphärische Nachfrage, die Verdampfung treibt, wäre höher, und deshalb gäbe es eine etwas schnellere Trocknungsgeschwindigkeit sein.

Figur 7 zeigt die Windgeschwindigkeit, Mittelwert von 1,22 m / sec, als eine Funktion der Zeit. Die beobachtete Sinustages Trend in der Windgeschwindigkeit ist das Ergebnis von Veränderungen in der atmosphärischen Bedingungen wie Luftdruck und Luftdichte. Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit wurde bei der Modellierung Bemühungen verwendet werden, da die Auswirkungen der DIURnal Schwankungen der atmosphärischen Variablen waren nicht im Mittelpunkt der vorliegenden Studie. Dies bedeutet nicht, jedoch konnte, dass zeitabhängige Daten nicht verwendet werden. Als Teil der Reihe von Verdunstungs Experimenten wurden vier verschiedenen mittleren Windgeschwindigkeiten aufgebracht wird; siehe Tabelle 3 für eine Zusammenfassung. Die berechneten Reynolds-Zahlen für alle Versuche waren in dieser Studie innerhalb der laminaren und Übergangs-Strömungsregime. Es ist jedoch auch, dass Oberflächenturbulenzen können die Verdampfungsraten ¹⁶ auswirken und sollte in zukünftigen Studien behandelt werden.

Abbildung 7: Zeitabhängige Windgeschwindigkeit über die Bodenoberfläche mit Mittelwert von 1,22 m / s ^{- 1} (Dieser Wert wurde aus Davarzani et al ⁵ modifiziert.).

Die Wirkung des Luftstroms indas freie Fluidbereich (dh Atmosphäre) auf kumulative Verdampfung wird in 8 gezeigt. Kumulative Verdampfung wird für vier verschiedene freien Fluss durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten (VW) von 0,50, 1,20, 3,00 und 3,60 m / s aufgetragen. Ergebnisse zeigen, dass die Windgeschwindigkeit eine sehr ausgeprägte Wirkung auf kumulative Verdampfung und die Menge an Wasserverlust während der verschiedenen Verdampfungsstufen. Wie in Figur 8 dargestellt, wodurch die Windgeschwindigkeit erhöht die Gesamtverdampfung. Durch den Vergleich der Steigungen der Kurven, war von der anfänglichen Verdampfungsrate den größten Einfluss, hier als Stufe 1. Stufe bezeichnet 1 Verdunstung wird oft von hohen und relativ konstanten Verdampfungsraten ¹⁷ definiert und wird überwiegend durch atmosphärische Nachfrage anstatt Bodenbedingungen beeinflusst . Windgeschwindigkeit weiter von 3 erhöhte sich auf 3,6 m / sec, Verdunstung zeigt viel weniger Abhängigkeit von inkrementellen Änderungen der Windgeschwindigkeit als für Änderungen bei geringen Windgeschwindigkeiten beobachtet. ZunehmendWindgeschwindigkeit führt zu einem Anstieg in der Stufe I Verdampfungsrate bei gleichzeitiger Verringerung der Übergangszeit von der Stufe I zu Stufe II ^5. Der Einfluss der Windgeschwindigkeit auf Verdampfung für die Stufe II Verdunstung, die überwiegend durch das poröse Medium gesteuert wird weniger wichtig. Während dieser Phase wird durch die Verdampfungsrate, mit der Wasser auf die Bodenoberfläche durch Diffusion anstatt Atmosphären Bedarf übertragen werden gesteuert.

Abbildung 8: Der Effekt der unterschiedlichen mittleren Windgeschwindigkeiten auf kumulative Verdampfung (. Diese Zahl hat sich von Davarzani et al ⁵ geändert wurden).

Discussion

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 beispielsweise Windgeschwindigkeit, Luftfeuchte, Boden- und Lufttemperatur und Bodenfeuchte ). Die folgenden sind einige der wichtigsten Komponenten der in dieser Studie präsentierten Protokoll.

Der Tank Abmessungen und Sensorplatzierung wurden speziell ausgewählt, um die Zahl der Beschäftigten während Bilanzierung jeweiligen Probenvolumina des Sensors Sensoren maximieren. Die erste Reihe von Sensoren ist 2,5 cm unterhalb der Bodenoberfläche aufgrund der Probenvolumen jedes Sensors (definiert als volumen des Bodens um den Sensor herum, innerhalb dessen eine Änderung der Umgebungsbedingungen beeinflusst die Sensormesswerte). Die Sensoren, NPT Armaturen angeordnet sind horizontal durch die Wände des Bodens Tank installiert, so dass die Sensordrähte nicht im Boden selbst; alle Sensorleitungen sind außerhalb des Behälters und verhindert Wasserführung. Die Installation eines großen Netzes von Temperatur und Bodenfeuchtigkeitssensoren können horizontale und vertikale Verteilungen dieser Variablen, um in einem guten räumlichen Auflösung bestimmt werden.

Platzierung der Bodentank auf einem Gewichtungsskala ermöglicht kumulative Wasserverlust und die damit verbundene Verdampfungsrate unter Verwendung der oben beschriebenen Wassermassenbilanzansatz zu bestimmen. Diese Werte können dann mit anderen Methoden erhaltenen Verdampfungsraten, wie die Kraft-Wärme-Impuls und sinnvoll in Trautz et al verwendeten Wärmebilanz-Methode verglichen werden. ¹⁸

Der Windkanal Teil des appareinem stromaufwärts, stromabwärts und Mittelteil - atus wird aus drei Teilen zusammen. Der stromaufwärtige Abschnitt wird verwendet, um die Luft zu erwärmen, bevor es über die Bodentank im mittleren Bereich mit Hilfe eines Temperatursteuersystems gezogen wird. Der mittlere Abschnitt des Windkanals ist mit Sensortechnologien für die Messung von Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit ausgestattet. Der stromabwärtige Teil des Windkanals enthält einen Inline-Rohrventilator und Dämpfer zum Steuern der Windgeschwindigkeit, die unter Verwendung einer Staudüse überwacht wird.

Die Anwendbarkeit der oben beschriebenen Bodentank-Windkanal Apparatur wurde in einem experimentellen Fallstudie über die Auswirkungen der Windgeschwindigkeit auf Verdampfungsrate demonstriert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Erhöhung der Windgeschwindigkeit führt zu einer erhöhten Verdampfungsrate und verkürzt Stage I Verdampfungsdauer. Zunehmender Windgeschwindigkeit über 3 m / sec zeigt jedoch wenig zusätzliche Auswirkungen auf die Stufe I Verdunstung. Stufe II Verdampfung, in erster Linie durch Eigenschaften o geregeltf des porösen Mediums, erscheint der unabhängigen oder durch Windgeschwindigkeit nur leicht beeinflusst zu sein.

Das experimentelle Protokoll ist auf eine Vielzahl von Umgebungsbedingungen zu Veränderungen der Bodenbedingungen (dh unterschiedlichen Böden, Verpackungskonfigurationen, Vegetation und städtischen Umgebungen), Klimarandbedingungen (Temperatur, Windgeschwindigkeit, Niederschlag) oder Untergrundverhältnisse (beispiels unterschiedlichen Wasser Tabelle Ebenen). Die Abmessungen und die Anordnung der Sensoren der beschriebenen Vorrichtung kann modifiziert werden, um die Bedürfnisse der verschiedenen Experimente adressieren. Die oben beschriebene Verpackungsverfahren kann in ähnlicher Weise zu berücksichtigen, für verschiedene Packungskonfigurationen wie variierende Porosität Bedingungen und Bodenheterogenität geändert werden.

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.