Buharlaşma Atmosferik zorlamalara Etkilerinin keşfetmek: Atmosferik Sınır Tabakası ve Sığ Yer altı Deneysel Entegrasyon

Summary

Buharlaşma atmosferik zorlamalara etkilerini incelemek için küçük bir iklim kontrollü rüzgar tüneli arabirim toprak tankının tasarımı ve inşası için bir protokol sunulmuştur. Toprak tankı ve rüzgar tüneli Hem çevresel koşullar yerinde ölçümü sürekli için sensör teknolojileri ile Enstrümante edilir.

Introduction

Kara ve atmosfer arasındaki etkileşimi anlamak gibi toprakta jeolojik-sekestre karbondioksit sızıntı, iklim değişikliği, su ve gıda temini, kara mayınlarının doğru algılama gibi birçok güncel dünya sorunlarının anlayışımıza için her şeyden önemlidir ve yeraltı su iyileştirme ve toprak. Buna ek olarak, küresel ve bölgesel meteorolojik koşullar sürücü ısı ve su birincil borsaları Dünya'nın yüzeyinde meydana gelir. Esas atmosferik arazi yüzey etkileşimleri ¹ ile ilişkili süreçler tarafından tahrik edilir; (o, kuraklık, vb gibi, kasırgalar, El Ni & # 241) Birçok hava ve iklim olayları. Yeryüzünde toprak yüzeyinin yarısından fazlasını kurak veya doğru atmosferik hava ve toprak yüzeyi arasındaki ısı ve su değişimi temelinde bu bölgelerde su döngüsünü anlatan ^2-4 yarı kurak olduğu anlayışımızı geliştirmek için önemlidir Anılan hususlar,Özellikle uzun kuraklık ve çölleşmeye karşı hassas bölgelerde. Ancak, araştırma yıllardır rağmen, hala sığ yeraltı ve atmosfer ^5. nasıl etkileşimde güncel anlayış birçok bilgi boşluklarını orada kalır.

Toprakta sıvı su, su buharı, ve ısı ile ilgili nakliye işlemleri dinamik ve güçlü bir toprak ile etkileşimleri ile ilgili olarak bağlanmış ve sınır koşullarını (örneğin, sıcaklık, bağıl nem, termik radyasyon) tarafından zorlanan bulunmaktadır. Sayısal ısı ve kütle transferi modelleri yaygın nedeni test ve yüksek zamansal ve uzaysal çözünürlüğü veri azlığı kaynaklanan mevcut teorilerin arıtma eksikliği kısmen basitleştirmek veya bu karmaşıklığı bir dizi bakmaktadır. Model doğrulama için geliştirilen veri setleri çoğu kez düzgün ithalat için hesap yok sayısal modellerde sonuçlanan düzgün teorileri test etmek için kritik atmosferik ya da yeraltı bilgileri eksik olankarınca işlemler veya düzeltilmiş veya modele takılmıştır tam olarak anlaşılamamıştır parametrelerin kullanılması bağlıdır. Bu yaklaşım yaygın nedeni kullanım sadeliği ve kullanım kolaylığı için kullanılan ve çok hak gösterilen bazı uygulamalarda vardır. Ancak, bu yaklaşım daha iyi test ısı ve su transferi teorisinin ⁶ yeteneğine sahip geçici koşullarda iyi kontrol deneyler bu "toplu parametrizasyonlara" arkasındaki fizik anlayarak üzerine geliştirilebilir.

Laboratuarda dikkatli deney hassas veri setleri, daha sonra, sayısal modelleri doğrulamak için kullanılabileceğini oluşturulmasına olanak sağlar. Alan sitelerinden edinilebilir veriler genellikle elde etmek için eksik ve pahalı, ve kontrol derecesi süreçlerinin temel bir anlayış elde etmek ve model doğrulama verileri, bazı durumlarda yetersiz düşünülebilir oluşturmak gerekiyordu. Böyle toprak buharlaşma gibi doğal olayların laboratuvar deneyleri atmos veriyorlimi koşullar (örneğin, sıcaklık, bağıl nem, rüzgar hızı) ve toprak koşullarına (örneğin, toprak tipi, gözeneklilik, yapılandırma ambalaj) dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi. Toprak buharlaşma ve toprak termik ve hidrolik özelliklerini incelemek için kullanılan birçok laboratuar teknikleri yıkıcı örnekleme ^7-10 kullanın. Yıkıcı örnekleme yöntemleri bir toprak örneği geçici davranış ölçümü önlenmesi ve toprak fiziksel özellikleri bozarak, nokta verileri elde etmek için çözdükten gerektirir; Bu yaklaşım, veri hatası ve belirsizlik tanıttı. Zararsız ölçümler, burada sunulan yöntem gibi, zemin özelliklerinin karşılıklı bağımlılık daha doğru belirlenmesi ve çalışma için izin ve ¹¹ işler.

Bu çalışmanın amacı, atmosferik değişiklikler ve yer altı koşulları etkilerine ilişkin yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlük verilerinin üretilmesi için bir zemin tankı aparatı ve ilgili protokol geliştirmekçıplak toprak buharlaşma. Bu iş için, sabit bir rüzgar hızı ve sıcaklığını muhafaza edebilen küçük bir rüzgar tüneli toprak tankı aparatı ile arabirim. rüzgar tüneli ve toprak tankı özerk ve sürekli veri toplama sanat sensör teknolojilerinin devlet paketi ile Enstrümante edilir. Rüzgar hızı, bir basınç transdüktörüne bağlı bir paslanmaz çelik pitot-statik tüpü kullanılarak ölçülür. Sıcaklık ve bağıl nem sensörleri iki tip kullanarak atmosferde izlenir. Bağıl nem ve ısı arasındaki denge, toprak yüzeyinde izlenir. Yeraltı ölçmek toprak nem ve sıcaklık sensörleri. Tank cihazının ağırlığı ölçümleri su kütlesi dengesi ile buharlaşma belirlemek için kullanılır. Bu deneysel cihaz ve protokol uygulanabilirliğini göstermek için, değişen rüzgar hızı koşullarında çıplak toprak buharlaşma bir örnek sunuyoruz. iyi karakterize kum ile homojen dolu toprak tankı, başlangıçta tamamen sa oldu(yani sıcaklık, rüzgar hızı) turated ve dikkatle kontrol edilen atmosferik şartlar altında serbestçe buharlaşmasına izin.

Protocol

Not: Laboratuvar testleri iklim kontrollü rüzgar tüneli aparatı ile arabirim iki boyutlu tezgah ölçekli tankı kullanılarak yapılır. Tezgah ölçekli tankı ve rüzgar tüneli Hem çeşitli sensör teknolojileri ile Enstrümante edilir. Aşağıdaki protokol ilk rüzgar tünelinin bir tartışma ve hem enstrümantasyon ardından inşaat ve toprak tankı hazırlanması, tartışacağız. sunulan tankı boyutları, rüzgar tüneli boyutları, sensörler sayısı ve sensör teknolojisi türü, belirli bir deneysel set-up ihtiyaçlarına göre değiştirilebilir. Aşağıda sunulan protokol deneysel çıplak toprak buharlaşma rüzgar hızı etkilerini incelemek için kullanılmıştır.

1. İnşaat ve Gözenekli Ortam Toprak Tank hazırlanması

1. Beş ayrı bölmeye 1.2 cm kalınlığında akrilik cam büyük bir parça kesin. İç uzunluk, genişlik ve 25 yüksekliği, 9.1 ve 55 cm, solunum ile üstü açık bir toprak tankına bu bölmeleri birleştirinectively. Akrilik cam yeraltında işlemler görsel olarak gözlemlenmiştir sağlar.
2. . Şekil 1'de gösterildiği gibi iki büyük cam bölmeleri (uzunluk 25 cm ve yüksekliği 55 cm) her birine 25 cm 25 cm olan bir 5 x 5 ızgara çizmek ızgara içinde her kare 25 cm ^{2 lik} bir alana sahip olduğundan emin olun (Şekil 1). Izgara toprak tankı içinde düzgün uzay sensörleri için kullanılacaktır.

Şekil 1: Deney set-up (boyutlar santimetre olan) için kullanılan toprak tankı şematik ön ve yan görünümleri (a) yirmi beş 5 cm x 5 cm oluşan ızgara sistemini görüntüleyen toprak tankının ön görünümü. kareler. (B) toprak tankının yandan görünüşüdür, bir fonksiyon olarak monte sıcaklık, bağıl nem ve toprak nem sensörü ağını gösterenderinlik tion. Şemadaki ölçekli çizilmiş unutmayın.

3. Büyük cam uçaklardan birinde, yirmi beş 1.9 cm (¾ inç) toprak nem sensörleri çaplı deliklerin toplam matkap.
   1. İki bitişik kareler delik merkezleri 5 cm arayla böylece adım 1.2 kurulan ızgara her karenin merkezinde her delik delin; deliklerin ilk seti, tankın üst altında 2.5 cm'dir. Yeni oluşturulan deliklerin her birine Konuları kesmek için uygun boyutta muslukları kullanın. Sensörler arasındaki 5 cm boşluk her sensör sonraki en yakın sensör örnekleme hacminin dışında olmasını sağlar.
4. Benzer şekilde, matkap ve Adım 1.2 sırasında oluşturulan her grid kutunun merkezinde yirmi beş 0.635 cm (¼ inç) çapında delik toplam dokunun. Her deliğin merkezi 2,5 cm toprak tankın üst altında bulunan deliklerin ilk satır ile 5 cm aralıklı olduğundan emin olun. Sensörler arasındaki 5 cm boşluk her s sağlarensor sonraki en yakın sensör örnekleme hacminin dışında.
5. Ve tank, matkap alt olarak kullanılan akrilik bölmesinde bölmesinin ortasında tek ½ inç çapında delik dokunun. Camın iç tarafında delik üzerine (kullanılacak test topraklarda daha daha ince) bir örgü ekranı Tutkal. Taban düzleminin dış tarafında, bir ayarlanabilir valf ile esnek bir boruya bağlı olan 90 ° 'lik bir dirsek gerekmektedir. Bu vana ve boru bir denemenin sona ermesi ya da sabit su tablası derinlikleri korumak için sürekli kafa aygıtları yüklemek için bir yol olarak tanktan suyu tahliye etmek için kullanılır.
6. . Denizci türü tutkal ya da eklemek ve Şekil 1'de gösterildiği gibi birlikte tankı mühür benzeri su geçirmez polimer yapışkan kullanın yapışkan bir gün boyunca tedavi etmek için izin verin.
7. Lengt 1.2 cm kalınlığında akrilik cam iki ek parçaları takmak, zeminin kapalı tankı yükseltmek ve 90 ° dirsek oda (Şekil 1) yapmak içintankın tabanına saat 12 cm, yükseklik 5 cm.

2. İnşaat ve İklim Kontrollü Rüzgar Tüneli hazırlanması

1. 8.5 cm genişliğinde ve 26 cm yüksekliğe sahip dikdörtgen galvanizli çelik kanal malzemeden rüzgar tünelinin 215 cm uzunluğunda üst kısmını oluşturun. Polistiren izolasyonlu kanal dışında Surround.
2. Bir nispi nem sıcaklık sensörünün yerleştirilmesi için rüzgar tünelinin yukan bölümünün alt baş çıkışına yakın kanal işlerinin tarafında küçük bir delik delin (Şekil 2).

Şekil 2:. Tankı, havalandırma kanalları, sensörler ızgara (boyutlar santimetre olan) da dahil olmak üzere komple deney set-up, kombine rüzgar tüneli ve toprak-tank aygıtının deney düzeneği yukarı tamamlayın. rüzgar tüneli olanyükseltilmiş ve toprak tankın yüzeyi ile aynı hizada durur. Toprak tankı yeraltı ve atmosferik değişkenlerin çeşitli ölçmek için kullanılan sensör ağı ile Enstrümante edilir. Izgara çevreler bu sensörlerin takılması için yerleri temsil ederler. Bir ısıtma kontrol sistemi ve bir in-line kanal fanı, sırasıyla, sıcaklık ve rüzgar hızını kontrol etmek için kullanılır. Pitot-statik tüpü rüzgar hızını ölçmek için kullanılır. Tüm cihaz deney sırasında bir kütle dengesi elde etmek için bir ağırlık ölçekte oturur. Şema ölçekli biçimde çizilmiş çizilmemiştir dikkat edin.

3. Rüzgar tünelinin yukan bölümünün uzunluğu boyunca bir reflektör dahilinde gruplar halinde paralel olarak yerleştirilmiş olan beş tane seramik kızılötesi ısıtma elemanları takın. Kızılötesi sıcaklık sensörüyle düzenlenen bir ısı kontrol sistemi ile kızıl ötesi ısıtma elemanları bağlayın.
4. Sırasıyla 25 cm ve 26 cm arasında bir uzunluğa ve yüksekliğe sahip iki 1.2 cm kalınlığında akrilik panel üzerinden rüzgar tünelinin orta bölümü oluşturmak.Şekil 2'de gösterilen yerle sıcaklık ve / veya bağıl nem sıcaklık sensörleri eklemek için orta bölüm, panellerin birinde iki 0,635 cm (¼ inç) çaplı delik delin.
   1. Toprak tankı yan duvarların üstüne akrilik panelleri sabitleyin (yani boyutlar 25 cm x 55 cm paneller), güçlü bir yapışkan bant kullanılarak rüzgar tüneli ve toprak deposu panelleri birbirine aynı hizada oturup sağlamak.
5. Aşama 2.1'de tarif edilen aynı boyutta dikdörtgen kanal malzemeden rüzgar tünelinin akış aşağı kısmının ilk 50 cm Construct. Sonlandırma tarafında, 170 cm uzunluğunda bir 15.3 cm çapında yuvarlak kanala dikdörtgen ducting malzemeyi azaltır. Bir galvanizli çelik damperi yükleyin, rüzgar hızı kontrolü yardım yuvarlak kanalının kadar aşağı ucunda, rüzgar hızlarını ayarlamak için kullanılır.
6. Adım 2.2 olduğu gibi, için girişine yakın aşağı dikdörtgen kanalın yan bir 0.635 cm çapında delikbir nispi nem sıcaklık sensörünün yerleştirilmesi. Rüzgar tünelinin merkez çizgisi boyunca dikdörtgen kanal üstten ikinci 0.635 cm çapında bir delik delin.
7. Yuvarlak kanal ortasında bir in-line kanal fanı takın (yani Aşama 2.4 açıklanan azaltma aşağı 85 cm) odaklı rüzgar tüneli aşağı kısmından havayı dışarı atmak için. Dönme frekansı daha hassas kontrol ve sonuç rüzgar hızı gibi değişken hız kontrolörü ile fan Arabirim.
8. Yükseltmek ve rüzgar tüneli aparatı sabitlemek için kaynaklanmasına malzeme ve ayarlanabilir raf üniteleri kullanın. Memba ve mansap ductwork alt toprak tankı (Şekil 2) üst ile aynı hizada olduğundan emin olun.

Sensörler 3. Kurulum

1. Toprak tankın içindeki kurulum öncesinde, dişli NPT yuva içinde her toprak nemi ve sıcaklık sensörü sabitleyin (1.9 cm ve 0.635 cm sırasıyla gövdeleri,) ve seYanıp sönen dolgu ile al nem saldırı önlemek için. Bazı sensörler içinde elektronik müdahale gibi silikon bazlı mastik ürünleri kullanmayın. Yaklaşık bir hafta için sensörler Cure.
2. Önceki toprak tankında yükleme, Sakaki ve ark., ¹² tarafından geliştirilen iki noktası α karıştırma metoda uygun olarak toprak nem sensörleri kalibre edin.
3. NPT parçacığı ve akrilik cam arasında daha iyi bir sızdırmazlık sağlamak yardımcı olmak için depodaki kurulum öncesinde tesisatçılar bant ile her NPT konut konuları sarın.
4. Yatay Adım 1.2 tartışılan yerlerde tankın duvarları üzerinden 25 toprak nem ve sıcaklık sensörleri her toplam yükleyin. Kabloların içindeki iç tesisatına zarar etmeyecek şekilde NPT uydurma / konut ile senkronize sensör kablolarını çevirin. Aşırı-tork NBTS çatlamasını önlemek camı etmeyin kadar. Onların belirlenen verilere toprak nem sensörleri ve sıcaklık sensörleri bağlayınlogger.
5. Tankın ön kenarından 2.5, 12.5 ve 21.5 cm mesafelerde toprak yüzeyinde 3 bağıl nem-sıcaklık sensörleri takın. Bağıl nem değerleri toprak yüzeyine yerine çevredeki havada koşullarını yansıtacak şekilde toprak yüzeyi ile iyi temas sensörleri yerleştirin. Veri kaydedicileri için sensörler bağlayın.
6. Atmosferdeki gerekli hava sıcaklığı ve bağıl nem ölçümleri elde etmek için, rüzgar tüneli memba ve mansap bölümlerinde yanı sıra paneller aracılığıyla delinmiş delikleri kullanarak, rüzgar tünelinin serbest akış bölümünde bağıl nem-sıcaklık sensörleri yükleyin.
7. Aşağı rüzgar tüneli bölümünün üst delinmiş 0.635 cm delikten toprak tankının doğrudan aşağı bir pitot-statik tüpü takın. Bölümün zeminden 13 cm bir yükseklikte en pitot-statik tüp tutun. Diferansiyel basınç dönüştürücü için pitot-statik tüpü takın.
8. KALİBRdiferansiyel basınç sensörü e. durgunluk ve statik basınçlar farkı olarak tanımlanan pitot-statik tüpü ölçer dinamik basınç. basınç farkı, bir gerilim farkı olarak basınç dönüştürücü tarafından yorumlanır.
   1. Akış koşulları altında gerilim (voltaj 0 yaklaşık olarak eşit olmalıdır) ve bilinen bir dinamik basınç akışı ölçün; Bu doğrusal ilişki dinamik basıncı ve gerilim arasında kurulacak sağlar. Bernoulli denklemini uygulayarak rüzgar hızı belirleyin:
      (1)
      V (m / sn) rüzgar hızı, P _dinamik (Pa) dinamik basınç ve ρ (kg / m ³⁾ olduğu havanın yoğunluğudur.
   2. (1) Başka bir ölçüm cihazı ile birlikte Denklemi kullanılarak hesaplanan hız karşılaştırın. Burada, pitot-statik tüpü fark basınç tra karşılaştırmakLazer Doppler (LDV) ± 0.01 m / sn bir doğruluk vardır ölçümlerle nsducer.
      Istihdam sensörler ve bunların ilişkili örnekleme frekansları bir özeti Tablo 1'de bulunabilir sensör özelliklerine ve diğer bilgiler için kapalı malzemeler / ekipman listesine bakınız. Not.

Algılayıcı	Sensör Ölçümleri	Deneysel Cihazında istihdam Sensörler sayısı	Sensör Örnekleme Frekansı (dk)
EC-5	Toprak nemi	25	10
ECT	Toprak / hava sıcaklığı	25	10
SH-1	Termal özellikler	1	10
EHT	Bağıl nem / sıcaklık	10
Kızılötesi kamera	Yüzey sıcaklığı / buharlaşma	1	1
Dijital kamera	Kurutma ön görselleştirme	1	60
Pitot statik tüpü	Rüzgar hızı	1	10
Ağırlık ölçekli	Toplu buharlaşma / buharlaşma oranı	1	10

Tablo 1: Bu çalışmada, deney kısmında kullanılan sensörlerin özeti.

4. Toprak Tank Paketi ve Deney Start hazırlayın

1. Toprakla tankı ambalaj önce, bir kaçak testi uygulayarak bütünlüğünü test edin. Su ile doldurun ve yapı ya da sensörler hiçbir sızıntı geliştirdik emin olmak için 4-6 saat bekleyin.
   1. Sızıntı ortaya çıkarsa, tankı boşaltmak, bu gecede kurumasını bekleyin ve aynı m kullanarak kaçakları düzeltmeközgün inşaat sırasında kullanılan arine yapıştırıcı. Sızıntı ortaya çıkarsa, toprak deposunu boşaltmak ve aşağıdaki adımları hazırlamak.
2. Yerinde sensörler ile tank toplam hacmi belirleyin. Dikkatle eklenen su miktarını kaydetmek için emin olun, bir dereceli silindir kullanarak su ile doldurunuz. Adım 4.5 kullanılmak üzere santimetre küp kaydedilen toplam hacmi dönüştürün.
3. Toprak tankı paketi kuru toprağı edinin. Ayrıca Smits ve diğerleri açıklanan yöntemlere uygun olarak, seçilen toprak hidrolik ve termal özelliklerini karakterize. ¹¹
4. Dikkatle toprak ve deiyonize su kullanarak toprak tankı ıslak paketi.
   1. Toprak tankı ıslak-paketi, ilk olarak tankın içine su yaklaşık 5 cm dökün. Yavaş yavaş 2.5 cm derinliğinde artışlarla, bir kepçe kullanarak, depodaki suyun kuru toprak ekleyin. Toprak ambalaj gözenekliliği hesaplanabilir böylece her asansörün sırasında eklenen kum ağırlığını kaydedin.
   2. Bitmesi uzerineHer katmanın, art arda boyunca muntazam bir yığın yoğunluğu elde etmek, bir lastik tokmak, 100-200 kez kullanarak tankı duvarları dokunun. Dokunarak ederken, sensörler ve sensör telleri ile temastan kaçının. duyarlı sensörler ağa zarar vermemek için titreşim cihazların kullanımından kaçınılmalıdır.
5. Her toprak tabakası ağırlıkları araya toplamak, tankı ambalaj tamamlanmasından sonra toprağın toplam kütlesi elde etmek için (Adım 4.4). Toprağın kütle yoğunluğu, toplam kitle bölün kum hacmini belirlemek (örneğin kuvars kumu kütle yoğunluğu 2.65 g / ^cm3 olan) (V _s, ^cm3). Göre olan tankın toprağın gözeneklilik (η, ^m3 / ^m3) hesaplayın:
   (2)
   nerede (V _T, m ³⁾ Adım 4.2 belirlenen boş tankın toplam hacmi olduğunu.
<Deney buharlaşma başlangıcını önlemek başlamak için hazır olana kadar tankı tamamen doludur kez li> gibi tankın üzerine saran wrap olarak plastik bir kapak yerleştirin.
6. Sırayla buharlaşma oranını hesaplamak için kullanılabilir kümülatif su kaybını izlemek için bir ağırlık ölçekte tankı yerleştirin.
7. Suyun yoğunluğuna ve buharlaştınlır yüzeyinin enine kesit alanının ürünün saat kilo kaybı bölünmesiyle saat buharlaşma oranı hesaplanır.

5. Deney başlatın ve Veri Toplama başlayın

1. Set-up tamamlandıktan sonra, istenilen atmosferik koşullar (örneğin sıcaklık, rüzgar hızı) belirler. Veri kaydedicileri ve diğer veri toplama sistemleri doğru örnekleme aralıkları (örneğin, her 10 dakika) açık ve ayarlanmış olduğundan emin olun.
2. Fan ve sıcaklık kontrol sistemini başlatın. İklim koşullarının s yüzeyinde plastik kapağı çıkarmadan önce dengelenmeye izin verbenzin deposu. Istenilen süre (örneğin, 15 gün) deney çalıştırın.

Representative Results

Burada sunulan deneyin amacı çıplak topraktan buharlaşma rüzgar hızının etkisini incelemek amaçlanmıştır. Bu çalışmada kullanılan deney toprak temel özellikleri Tablo 2 'de özetlenmiştir. Bir dizi deney içinde toprak yüzeyine (yani, rüzgar hızı ve sıcaklık) farklı sınır koşulları (Tablo 3) uygulanmıştır yapıldı. Farklı rüzgar hızları ve sıcaklıklarda dört deney gerçekleştirilmiştir, ancak burada sunulan deney sonuçlarının çoğunluğu 1.22 m / sn'lik bir hava hızında içindir. Toplu buharlaşma verileri dört deneyler için gösterilmiştir.

Paketleme Koşulları	Kuru Yük Yoğunluğu (G cm-3)	Hava Giriş Basıncı (Cm H2O)	artık su muhtevasına (M 3 m -3)	Van Genuchten
			Model Parametreleri *
			α (cm-1)	n, (-)
Sıkı	1.79	16.1 / 22.5	0.028	0.04	20.53

Tablo 2: Kullanılan deneysel test toprağın ana özellikleri.

Deney Run #	Ortalama Maksimum Rüzgar Hızı	Başlangıç ​​Sıcaklığı Toprak yüzeyinde	Final Sıcaklık Toprak Yüzeyindeki
	(M / s)		(° C)
1	0.55	27	31
2	1.22	26	33
3	3	29	37
4	3.65	33	44.5

Tablo 3: Deneysel rüzgar hızları uyguladı.

Zamana bağlı toprak yüzeyine ölçülen bağıl nem ve sıcaklık, Şekil 3'de sunulmaktadır. Nispi nem önce dik 0.35 kararlı bir nispi nem değeri ötesinde, sonraki dört gün boyunca azalan, yaklaşık iki gün boyunca yaklaşık olarak 0.80 nispeten sabit kalmaktadır elde edilmiştir. Toprak yüzeyinin sıcaklığı stabilize önce dört günlük süre içinde artan bir eğilim göstermektedir. Bu eğilimler dört deneylerde gözlenmiştir ve açıklanabilirToprak kurutma şartları. Zaman içinde, bu daha az su buharı olduğu için bağıl nem buharlaşma hızında bir azalma ile bağlantılı olarak azalır. Çünkü işlem buharlaşma mevcut su azalır (yani, buharlaşma oranı azalır) olarak sıcaklık artışları artık toprak yüzeyini soğutur. İlk üç gün boyunca, akış aşağı havanın bağıl nemi bağlı yukan buharlaştırılmasından elde edilen daha fazla su buharının mevcudiyetine yukan havadan daha yüksek olmuştur. Bu eğilim nedeniyle toprak yüzeyinde temas kaybetme yukarı sensörü, daha sonra büyük olasılıkla tersine döndü; sensör kabloları esnek ve bazen nem okuma değişen toprak yüzeyinden sensörü çekin. alt ölçülen bağıl nem tankın ilk 21.5 cm birlikte buharlaştırma işlemi havadaki nemin miktarı arttı, çünkü üst baş ölçülen daha büyüktür.

<img alt = "Şekil 3" src = "/ files / ftp_upload / 52704 / 52704fig3highres.jpg" width = "700" />
Şekil 3: Toprak yüzeyinde ölçülen bağıl nem ve sıcaklık (. Bu rakam Davarzani ark ^5'ten modifiye edilmiştir).

Bu deneyde serbest akış hava sıcaklığı daha önce tarif edilen sıcaklık kontrol sistemi kullanılarak, 40 ° C'de sabit bir değere ayarlandı. Toprak yüzeyi üzerinde 8.5 cm'lik bir yüksekliğe zamana bağlı sıcaklık ve serbest akış içinde havanın bağıl nemi, Şekil 4'te gösterilmiştir. sıcaklığında gözlenen günlük dalgalanmalar yanıt olarak ısıtıcı çıkışlarının değişkenliği nedeniyle Sıcaklık kontrol sistemi düzenleyen kızılötesi sıcaklık sensörü tarafından ölçülen sıcaklık (Adım 2.3). Set sıcaklık değerine kızılötesi sıcaklık sensörü ayarlayarak, istenirse gündüz dalgalanmalar, önlenebilir. Atmosferik farktankın uzunluğu boyunca sıcaklık buharlaştırıcı soğutma (Şekil 4) bir sonucudur.

Şekil 4: Bağıl nem ve sıcaklık yukan 7.5 cm toprak yüzeyi üzerinde ölçüldü ve tankın alt (. Bu rakam Davarzani ark ⁵ modifiye edilmiştir).

Şekil 5a'da, zamana bağlı toprak sıcaklığı: 2.5 cm, 7.5 cm ve zemin yüzeyi olarak, ortam sıcaklığının altında 12.5 cm derinlikleri için gösterilir; Sensör tanımlanması için bakınız Şekil 1. Şekil 5a görüldüğü gibi, yüzey sıcaklığı ve rüzgar hızı daha derinliklerde yerel sıcaklıklar daha az etkili olduğu -. 12,5 cm altındaki derinliklerde hiçbir etkisi gösteren 5b Şekil af olarak sıcaklığını gösterir2,5 cm derinlikte bulunan üç sensörler için zaman unction. Serbest akış sıcaklığı her zaman aşağı (Şekil 4) daha yüksek akış yukarı olmasıdır aşağı Sensör 1. daha yüksek bir sıcaklığa gösteren üst sensörü 5 ile bu derinlikte sensörler için sıcaklık hafif bir fark yoktur. Daha sonra da gösterileceği gibi sıcaklık farklılıkları ayrıca toprak tankında asimetrik bir doyma profili ile sonuçlanır.

Bir

B

Şekil 5: zamanın bir fonksiyonu olarak ölçülür, toprak sıcaklığı Evrimi: (a) dikey tank ve (b) Yatay 2.5 cm derinlikte (bu rakam olmuştur modifi ortasındaDavarzani 'den hazırlanmıştır ve ark., ^5).

Şekil 6a, 2.5, 7.5, 12.5, ve 17.5 sm toprak derinliklerde zamana karşı zamana bağlı doygunluk gösterir. 12.5 cm'den daha derin için, satürasyon deney süresince% 100 kalmıştır; toprak yüzeyine yakın, ancak, doygunluk zamanla azalmıştır. Şekil 6a 'da gösterildiği doygunluk buharlaştırma farklı aşamaları ile ilgili olabilir (yani, evre I ve evre II), buharlaşma içindeki farklar ile tanımlanan, kurutma ön konum ve baskın bir taşıma mekanizmaları ^14. Yerçekimi ve yapışkan kuvvetler kılcal güçleri hakim başladıkça Evre I buharlaşma sırasında, kurutma, ön hızla uzağa toprak yüzeyinden çekilir. Bu 2.5 cm derinliğe kadar karşılık gelen toprak nem sensörleri ilk satırda toprağın doyma ölçülen azalma ile birinci günde gözlenmektedir. Gün 1, oran kurutma ön ko sonra7.5 cm (Şekil 6a) 'in bir derinlikte bulunan sensörler 6-10 için doyma eğrileri kademeli şekil de gösterildiği gibi ntinues yavaşlatır geri çekilmeye. Bu buhar difüzyon sınırlı Evre II buharlaşma buharlaşma geçişi işaretler. Evre II ilk bölümü genellikle düşme oranı dönemini ^15-17 denir. Kurutma ön 12,5 cm derinliğe ulaşır ulaşmaz Sonunda, doygunluk eğrileri düzeltmek ve çok az değişiklik (örneğin, Sensör 13) Günün 3 tarafından.

Bir

B

Şekil 6: ölçülen altı toprağın doygunluk saat çıkışı, (a) dikey olarak tankın ortasında ve (b) yatay olarak 2.5 sm bir derinlikte (bu-figür dee Davarzani ve ark., ⁵⁾ için modifiye edilmiştir.

Şekil 6b 2,5 cm sabit derinlikte bulunan üç sensörler için zamana karşı doygunluğu göstermektedir. Satürasyon eğrileri hemen hemen aynıdır ve bu derinlikte tankın bütün uzunluğu boyunca tutarlıdır. hafif asimetrik dağılım rüzgar tüneli memba ve mansap bölümler arasında hava sıcaklığı farkından kaynaklanmaktadır. Yukarı sıcaklıklar sürekli vardı çünkü buharlaşma sürücüler birkaç derece daha sıcak, atmosferik talep, daha yüksek olurdu ve bu nedenle kurutma biraz daha hızlı oran olacaktır.

Şekil 7, zamanın bir fonksiyonu olarak, rüzgar hızı, 1.22 m / sn'lik ortalama değerini göstermektedir. rüzgar hızı gözlenen sinüzoidal gündüz eğilim böyle barometrik basınç ve hava yoğunluğu gibi atmosferik koşullarda değişikliklerin sonucudur. ortalama rüzgar hızı modelleme çalışmalarında kullanılan diur etkileri nedeniyleAtmosferik değişkenler nal dalgalanmalar mevcut çalışmanın odak değildi. Ancak bu o zamana bağlı veriler kullanılan olamazdı anlamına gelmez. Buharlaşma deney serisinin bir parçası olarak, dört farklı ortalama rüzgar hızları uygulanmıştır; Bir özet için bakınız Tablo 3. Bu çalışmada tüm deneyler için hesaplanan Reynolds sayıları laminar ve geçiş akış rejimleri içinde idi. Ancak, iyi bir yüzey türbülans buharlaşma oranlarını ¹⁶ etkileyebilir ve gelecekteki çalışmalarda ele alınması gerektiğini biliyorum.

Şekil 7: Zamana bağlı 1.22 m / sn ortalama değeri ile toprak yüzeyi üzerinde rüzgar hızı ^{- 1} (Bu rakam Davarzani ark ^5'ten modifiye edilmiştir.).

hava akımının etkisi olarakkümülatif buharlaşma serbest sıvı bölge (yani atmosfer) Şekil 8'de gösterilmiştir. Toplu buharlaşma 0.50, 1.20, 3.00 ve 3.60 m / sn dört farklı serbest akış ortalama rüzgar hızları (VW) için çizilmiştir. Sonuçlar Rüzgar hızı farklı buharlaşan aşamalarında kümülatif buharlaşma üzerinde çok belirgin bir etkisi ve su kaybı miktarını sahip olduğunu göstermektedir. Rüzgar hızını artırarak, Şekil 8'de gösterildiği gibi, toplam buharlaşma arttırır. Eğrilerin yamaçlarında karşılaştırarak, en büyük etkisi ilk buharlaşma oranına oldu burada 1 buharlaşma genellikle yüksek ve nispeten sabit buharlaşma oranları ¹⁷ ile tanımlanır ve ağırlıklı olarak atmosferik talep ziyade toprak koşulları etkilenir evre 1. Etap olarak anılacaktır . Rüzgar hızı daha 3.6 m / sn 3 ila arttıkça, buharlaşma, düşük rüzgar hızlarında değişiklik gözlendi daha rüzgar hızı artan değişiklikleri çok daha az bağımlılık gösterir. ArtırmaAynı anda II ⁵ Sahne Sahne Ben geçiş süresini düşürürken rüzgar hızı Evre I buharlaşma oranının artmasına yol açar. buharlaşma rüzgar hızı etkisi gözenekli ortam baskın kontrol edilir Evre II buharlaşma için daha az önemlidir. Bu aşama sırasında, buharlaşma suyun atmosferik talep yerine difüzyon yoluyla toprak yüzeyine aktarılabilir hangi oranı ile kontrol edilir.

Şekil 8: Kümülatif buharlaşma farklı ortalama rüzgar hızı etkisi (. Bu rakam Davarzani ark ^5'ten modifiye edilmiştir).

Discussion

Bu protokolün amacı, ısı saygı ve kütle transfer süreçleri ile arazi atmosferik etkileşimleri çalışmak için gerekli olan yüksek mekansal ve zamansal çözünürlük verilerinin üretilmesi için deneysel bir aparat ve ilgili prosedürler geliştirmekti. Deney aparatı ilgili toprak ve atmosferik değişkenlerin (ölçümü için sensörler ile donatılmış her ikisi de bir toprak tankı ve bir küçük rüzgar tünelinin oluşuyordu anlatılan örneğin, rüzgar hızı, bağıl nem, toprak ve hava sıcaklığı ve toprak nemi ). Aşağıda, bu çalışmada sunulan protokolün en kritik bileşenlerinden bazıları.

Tank boyutları ve sensör yerleşimi özellikle sensörün ilgili örnek hacimleri için muhasebe yaparken kullanılan sensörlerin sayısını arttırmak için seçildi. Sensörlerin ilk satırı nedeniyle vo olarak tanımlanan her sensörün numune hacmi (toprak yüzeyinin altında 2.5 cmçevre koşullarında bir değişiklik) sensör okumaları etkiler içinde sensörlü, etrafında toprağın lume. Sensör telleri toprağa kendi içinde değil, böylece NPT parçaları yerleştirilen sensörler, toprak tankın duvarları boyunca yatay olarak monte edilir; Tüm sensör telleri su kanallık önlenmesi, tankın dışındadır. Sıcaklık ve toprak nem sensörleri büyük bir ağ kurulumu bu değişkenlerin yatay ve dikey dağılımları ince uzaysal çözünürlükte belirlenecek sağlar.

Bir ağırlık ölçeğinde toprak tankı yerleştirilmesi kümülatif su kaybı ve buna bağlı buharlaşma oranı yukarıda açıklanan su kütle dengesi yaklaşımı kullanılarak tespit edilmesini sağlar. Bu değerler daha sonra bu tip birleşik ısı ile nabız ve Trautz ark kullanılan hissedilir ısı dengesi yöntemi olarak başka yöntemler kullanılarak elde edilen buharlaşma miktarları ile karşılaştırılabilir. ¹⁸

appar rüzgar tüneli kısmıBir, yukarı aşağı ve orta bölümünde - ATUS üç bölümden oluşmaktadır. üst bölüm, bir sıcaklık kontrol sistemi yardımıyla orta bölümünde toprak tankın üzerine çekilmeden önce havayı ısıtmak için kullanılır. Rüzgar tünelinin orta bölüm sıcaklığı ve bağıl nem ölçümü için sensör teknolojileri ile donatılmış. Rüzgar tünelinin akış aşağı kısmı bir pitot-statik tüpü kullanılarak izlenir, rüzgar hızı kontrol etmek için bir hat-içi kanal fan ve amortisör içerir.

Yukarıda tarif edilen toprak tank rüzgar tüneli aparatı uygulanabilirliği buharlaşma oranı rüzgar hızının etkilerinin deneysel vaka çalışmasında gösterilmiştir. Sonuçlar rüzgar hızını artırarak artan buharlaşma oranı ve kısaltılmış Evre I buharlaşma süresi yol açtığını göstermektedir. Ancak 3 m / sn ötesinde rüzgar hızını artırarak, Evre I buharlaşma küçük ek bir etki gösterir. Özelliklerine o öncelikle yönetilen Evre II buharlaşma,gözenekli ortam f bağımsız olarak veya sadece hafif rüzgar hızı etkilenmiş görünmektedir.

Bu deneysel protokol toprak koşullarında değişiklik (örneğin, farklı topraklarda, paketleme yapılandırmaları, bitki örtüsü ve kentsel ortamlar), iklim sınır koşulları (sıcaklık, rüzgar hızı, yağış) ya da yeraltı koşullarının içerecek şekilde çevre koşulları çeşitli (örneğin, değişen su için geçerlidir masa düzeyleri). tarif edilen aygıtın boyutları ve sensör düzeni farklı deneyler ihtiyaçlarını karşılamak için modifiye edilebilir. Yukarıda tarif edilen ambalaj işlemi benzer şekilde değişen gözenek koşulları ve toprak heterojenliği gibi farklı ambalaj konfigürasyonları için hesaba modifiye edilebilir.

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.