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Method Article
Um protocolo para a concepção e construção de um tanque de solo interface com uma pequena clima controlado túnel de vento para estudar os efeitos de forçantes atmosféricas sobre a evaporação é apresentado. Tanto o tanque de solo e túnel de vento são instrumentados com tecnologias de sensores para a medição in situ contínua das condições ambientais.
Evaporation is directly influenced by the interactions between the atmosphere, land surface and soil subsurface. This work aims to experimentally study evaporation under various surface boundary conditions to improve our current understanding and characterization of this multiphase phenomenon as well as to validate numerical heat and mass transfer theories that couple Navier-Stokes flow in the atmosphere and Darcian flow in the porous media. Experimental data were collected using a unique soil tank apparatus interfaced with a small climate controlled wind tunnel. The experimental apparatus was instrumented with a suite of state of the art sensor technologies for the continuous and autonomous collection of soil moisture, soil thermal properties, soil and air temperature, relative humidity, and wind speed. This experimental apparatus can be used to generate data under well controlled boundary conditions, allowing for better control and gathering of accurate data at scales of interest not feasible in the field. Induced airflow at several distinct wind speeds over the soil surface resulted in unique behavior of heat and mass transfer during the different evaporative stages.
Entender a interação entre a terra ea atmosfera é fundamental para a nossa compreensão de muitos problemas do mundo atual, tais como vazamento de dióxido de carbono geologicamente retido no solo, alterações climáticas, água e abastecimento de alimentos, a detecção precisa de minas terrestres, bem como a reabilitação das águas subterrâneas e do solo. Além disso, as principais trocas de calor e de água que impulsionam condições meteorológicas global e regional ocorrem na superfície da Terra. Muitos fenómenos meteorológicos e climáticos (por exemplo, furacões, El Ni & # 241; o, secas, etc.) são principalmente impulsionadas por processos associados atmosférico-terra interações de superfície 1. Como mais de metade da superfície terrestre na Terra é árido ou semi-árido 2-4, descrevendo com precisão o ciclo da água nessas regiões, com base em calor e trocas de água entre o ar atmosférico e superfície do solo é fundamental para melhorar a nossa compreensão da as questões acima mencionadas,particularmente em regiões vulneráveis à seca prolongada e desertificação. No entanto, apesar de décadas de pesquisas, ainda permanecem muitas lacunas de conhecimento na compreensão atual de como a subsuperfície rasa ea atmosfera interagem 5.
Processos de transporte que envolvem água em estado líquido, vapor de água e calor no solo são dinâmicas e fortemente acoplado com respeito às interações com o solo e aplicadas condições de contorno (ou seja, temperatura, umidade relativa, radiação térmica). Modelos de transferência de calor e massa numéricos comumente simplificar ou ignorar um número dessas complexidades, devido em parte à falta de testes e refinamento das teorias existentes resultantes de uma escassez de dados de resolução espacial e temporal elevados. Os conjuntos de dados desenvolvidos para validação do modelo são muitas vezes falta informação atmosférica ou subsuperfície crítico para testar as teorias corretamente, resultando em modelos numéricos que não conta corretamente para importaçãoprocessos de formigas ou dependem da utilização de parâmetros pobremente entendidos que são ajustados ou adaptados ao modelo. Esta abordagem é amplamente utilizado devido à sua simplicidade e facilidade de uso e tem em algumas aplicações mostradas muito mérito. No entanto, esta abordagem pode ser melhorado através de uma melhor compreensão da física por trás dessas "parametrizações aglomeradas" através da realização de experimentos bem controlados sob condições transitórias que são capazes de testes de transferência de calor e água teoria 6.
Experimentação cuidadosa no laboratório permite que os conjuntos de dados de precisão a ser gerada, que pode subsequentemente ser utilizado para validar modelos numéricos. Os dados disponíveis a partir de locais de campo são muitas vezes incompleta e dispendioso de obter, e o grau de controlo necessários para se obter uma compreensão fundamental do processo e para gerar dados para validação do modelo pode ser considerada inadequada, em alguns casos. Experimentação laboratorial de fenômenos naturais, como a evaporação do solo permite atmosatmosférico condições (ou seja, temperatura, umidade relativa, velocidade do vento) e as condições de solo (ou seja, tipo de solo, a porosidade, a configuração de embalagem) deve ser cuidadosamente controlada. Muitas técnicas de laboratório usados para estudar a evaporação do solo e propriedades térmicas e hidráulicas do solo usar amostragem destrutiva 7-10. Métodos de amostragem destrutivos exigir que uma amostra de solo ser descompactado para obter dados de ponto, impedindo a medição do comportamento transitório e perturbando propriedades físicas do solo; esta abordagem introduz erro e incerteza para os dados. Medidas não destrutivas, como o método aqui apresentado, para permitir a determinação mais precisa e estudo da interdependência das propriedades do solo e processa 11.
O objetivo deste trabalho é desenvolver um aparelho tanque de solo e protocolo associado para a geração de dados de resolução espacial e temporal elevados relativos aos efeitos das mudanças na atmosfera e condições de subsuperfície sobreevaporação bare-solo. Para este trabalho, um túnel de vento pequeno capaz de manter uma velocidade de vento constante e temperatura é ligada a um aparelho de tanque de solo. O túnel de vento e tanque de solo são instrumentados com um conjunto de tecnologias estado da arte de sensores para coleta de dados autônoma e contínua. A velocidade do vento é medida usando um aço de pitot-estático tubo de aço inoxidável ligada a um transdutor de pressão. Temperatura e umidade relativa do ar são monitorados na atmosfera utilizando dois tipos de sensores. De humidade relativa e temperatura também são monitorizados a superfície do solo. Sensores na medida subsuperficial do solo umidade e temperatura. As medidas do peso do aparelho de tanque são utilizados para determinar a evaporação através de um balanço de massa de água. Para demonstrar a aplicabilidade deste aparelho experimental e protocolo, apresentamos um exemplo de evaporação bare-solo sob diferentes condições de velocidade do vento. O tanque de solo, embalado de forma homogénea com uma areia bem caracterizado, foi inicialmente totalmente saturated e deixou-se evaporar livremente sob condições atmosféricas cuidadosamente controladas (temperatura, velocidade do vento).
Nota: Os testes de laboratório é realizada utilizando um tanque de escala de bancada bidimensional em interface com um aparelho de túnel de vento de clima controlado. Tanto o tanque em escala de bancada e túnel de vento são instrumentados com várias tecnologias de sensores. O protocolo que se segue irá primeiro discutir a construção e preparação do tanque do solo, seguido por uma discussão do túnel de vento e a instrumentação de ambos. As dimensões do tanque, dimensões do túnel de vento, o número de sensores e tecnologia de sensor tipo apresentados podem ser modificados para atender às necessidades de um set-up experimental específico. O protocolo apresentado a seguir foi usado para estudar experimentalmente os efeitos da velocidade do vento sobre a evaporação bare-solo.
1. Construção e Preparação de Porous Media Tank Solo
Figura 1: Diagrama esquemático dianteiros e laterais vista para o tanque de solo utilizado para o set-up experimental (dimensões são em centímetros) (a) A vista frontal do tanque de solo exibindo o sistema de grade composta por vinte e cinco 5 cm x 5 cm. praças. (B) A vista lateral do tanque de solo, mostrando a temperatura instalado, umidade relativa e rede de sensores de umidade do solo como um funcção de profundidade. Note-se que os esquemas que não estão desenhadas à escala.
2. Construção e Preparação de clima controlado Túnel de Vento
Figura 2:. Completa experimental set-up, incluindo tanque, canalização, grade sensores (dimensões são em centímetros) Complete experimental set-up do aparelho túnel de vento e-tank solo combinado. O túnel de vento éelevada e fica nivelada com a superfície do tanque de solo. O tanque do solo é instrumentada com uma rede de sensores utilizados para medir uma variedade de sub-superfície e variáveis atmosféricas. Os círculos da grade representam os locais para a inserção desses sensores. Um sistema de controlo de aquecimento e um ventilador de conduta em-linha são utilizados para controlar a temperatura e velocidade do vento, respectivamente. O tubo de pitot-estático é usado para medir a velocidade do vento. Todo o aparelho fica em uma escala de ponderação para obter um balanço de massa durante a experimentação. Note-se que o esquema não está desenhada à escala.
3. Instalação de Sensores
Sensor | As medições do sensor | Número de sensores empregados em aparato experimental | Sensor Frequência de Amostragem (min) |
EC-5 | Umidade do solo | 25 | 10 |
ECT | Solo / temperatura do ar | 25 | 10 |
SH-1 | Propriedades térmicas | 1 | 10 |
EHT | Humidade relativa / temperatura | 5 | 10 |
Câmera infravermelha | A temperatura da superfície / evaporação | 1 | 1 |
Câmera digital | Visualização da frente de secagem | 1 | 60 |
Tubo de Pitot estático | A velocidade do vento | 1 | 10 |
Escala de medição de peso | Taxa cumulativa de evaporação / evaporação | 1 | 10 |
Tabela 1: Resumo dos sensores utilizados na parte experimental da presente estudo.
4. Embale o solo do tanque e se preparar para o início do experimento
5. Inicie o Experimento e iniciar a recolha de dados
O objetivo do experimento apresentado aqui foi estudar o efeito da velocidade do vento na evaporação do solo nu. Propriedades-chave do solo de teste utilizado no presente estudo estão resumidos na Tabela 2. Uma série de experiências foram realizadas em diferentes condições de contorno que na superfície do solo (ou seja, a velocidade do vento e da temperatura) foram aplicados (Tabela 3). Embora quatro experiências em diferentes velocidades de vento e as temperaturas for...
O objectivo deste protocolo foi desenvolver um aparelho experimental e procedimentos associados para a geração de dados de resolução espacial e temporal elevados necessários para estudar interações terra-atmosfera em relação ao calor e processos de transferência de massa. O aparelho experimental descrito consistiu de um tanque de solo e um túnel de vento pequeno, ambos os quais foram equipados com uma matriz de sensores para a medição de variáveis pertinentes do solo e na atmosfera (por exemplo,<...
Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.
Esta pesquisa foi financiada pelo Exército dos EUA Research Award Escritório W911NF-04-1-0169, da Investigação e Desenvolvimento Centro de Engenharia (ERDC) e da National Science Foundation subvenção EAR-1029069. Além disso, esta pesquisa foi apoiada por uma Programas de Verão em Iniciação Científica conceder pela Colorado School of Mines. Os autores gostariam de agradecer Ryan Tolene e Paul Schulte por suas contribuições.
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 |
[header] | |||
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. |
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