Исследуя влияние атмосферных воздействий на испарение: Экспериментальная интеграция пограничного слоя атмосферы и приповерхностном слое грунта

Резюме

Протокол для проектирования и строительства резервуара почвы сопряжено с небольшим климат-контролем аэродинамической трубе, чтобы изучить эффекты атмосферных воздействий на испарение представлены. Оба танка почвы и аэродинамической трубе приборами с датчиков технологий для непрерывного измерения в месте условий окружающей среды.

Аннотация

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.

Введение

Понимание взаимодействия между сушей и атмосферой имеет первостепенное значение для нашего понимания многих сегодняшних мировых проблем, таких как утечки геологически поглощенного диоксида углерода в почве, изменение климата, воды и продуктов питания, точного обнаружения мин и восстановление грунтовых вод и почвы. Кроме того, первичные обмен тепла и воды, которые управляют глобальным и региональным метеорологические условия возникают на поверхности Земли. Многие погодные и климатические явления (например, ураганы, Эль-Ниньо и # 241; о, засухи и т.д.) принципиально управляемые процессы, связанные с атмосферной поверхности суши взаимодействий ^1. Поскольку более половины поверхности суши на Земле засушливый или полузасушливый ^2-4, точно описывающий цикл воды в этих регионах на основе тепловых и водных обменов между атмосферным воздухом и поверхностью почвы имеет решающее значение для улучшения нашего понимания вышеупомянутые вопросы,особенно в регионах, уязвимых к затянувшейся засухи и опустынивания. Тем не менее, несмотря на десятилетия исследований, все еще ​​остается много пробелов в знаниях в современном понимании, как мелкой подземных и атмосфера взаимодействуют ^5.

Транспорт процессы с участием жидкой воды, водяного пара и тепла в почве являются динамичными и сильно связаны с относительно взаимодействия с почвой и исполнение граничные условия (т.е. температура, относительная влажность, тепловое излучение). Численные модели тепло- и массообмена обычно упрощать или выходят ряд этих сложностей отчасти из-за отсутствия тестирования и усовершенствования существующих теорий результате скудности данных высокого временного и пространственного разрешения. Наборы данных, разработанные для проверки модельного часто не хватает критического атмосферного или подземных информацию правильно протестировать теории, в результате численных моделей, которые не учитывают должным образом для импортамуравей процессы или зависеть от использования непонятных параметров, которые скорректированных или установлены в модели. Этот подход широко используется из-за своей простоты и легкости в использовании и имеет в некоторых приложениях, показанных много достоинств. Тем не менее, этот подход может быть повышена за счет более глубокого понимания физики за этими "сосредоточенными параметризации", выполняя также контролируемые эксперименты в переходных условиях, которые способны испытывать переноса тепла и воды теории ^6.

Тщательных экспериментов в лаборатории используется для точной наборы данных, которые будут созданы, которые впоследствии могут быть использованы для проверки численных моделей. Данные, имеющиеся на сайтах полевых часто являются неполными и дорого получить, и степень контроля, необходимых для получения глубокого понимания процессов и генерации данных для проверки модели можно считать неадекватным в некоторых случаях. Лаборатория эксперименты природных явлений, таких как испарение почвы позволяет Atmosсферного условия (т.е., температура, относительная влажность, скорость ветра) и почвенные условия (т.е., тип почвы, пористость, упаковка конфигурации) должны быть тщательно контролируется. Многие лабораторные методы, используемые для изучения испарения воды из почвы и почвы тепловые и гидравлические свойства используй разрушительную выборки ^7-10. Деструктивные методы отбора проб требует, чтобы образец почвы быть распакованы для получения данных точек, предотвращая измерение переходных процессов и нарушая физические свойства почвы; этот подход вводит ошибку и неопределенность в данных. Неразрушающие измерения, как метод, представленный здесь, позволяют более точного определения и изучения взаимозависимости свойств почвы и обрабатывает ^11.

Целью данной работы является разработка устройства танк почвы и связанного протокола для получения больших данных пространственным и временным разрешением, относящихся к воздействию изменения атмосферных и подземных условиях наголой почвы испарение. За эту работу, небольшой ветер туннель способен поддерживать постоянную скорость ветра и температуру сопряжена с устройством резервуара почвы. Аэродинамическая труба и бак почв приборами с набором состояния сенсорных технологий искусство для автономного и непрерывного сбора данных. Скорость ветра измеряется с использованием нержавеющей стали Пито-статической трубкой, прикрепленной к датчику давления. Температура и влажность контролируются в атмосфере с использованием двух типов датчиков. Также контролируются Относительная влажность и температура на поверхности почвы. Датчики в подземные измерения влажности почвы и температуры. Измерения веса аппарата резервуара используются для определения испарения через массового баланса воды. Чтобы продемонстрировать применимость этой экспериментальной установки и протокола, мы приведем пример испарения с обнаженной почвы при различных скоростях ветра. Бак почвы, упакованы однородно с хорошо охарактеризованной песка, изначально полностью саturated и позволил свободно испаряться при тщательно контролируемых атмосферных условиях (т.е. температура, скорость ветра).

протокол

Примечание: Лабораторные испытания выполняют с использованием двумерного лабораторном масштабе бак сопряженную с климат-контролем в аэродинамической трубе аппарата. И масштаб бак скамейка и аэродинамической трубе приборами с различными сенсорных технологий. Следующий протокол будет сначала обсудить строительство и подготовку почвы, бак с последующим обсуждением аэродинамической трубе и приборов обоих. Размеры бак, размеры аэродинамической трубе, количество датчиков, и тип технологии датчика, представленные может быть изменен, чтобы удовлетворить потребности конкретной экспериментальной установки. Протокол, представленные ниже, используются экспериментально изучить влияние скорости ветра на испарение голой почвы.

1. Строительство и подготовка пористых средах почвы танк

1. Вырезать большой кусок 1,2 см толщиной акрилового стекла в пяти отдельных панелей. Соберите эти панели в открытой сверху резервуара почвы с длиной внутреннего, ширине и высоте 25, 9.1 и 55 см, соотвectively. Акрилового стекла позволяет процессы в недрах быть визуально.
2. Нарисуйте 5 х 5 сетку, составляет 25 см от 25 см на каждой из двух больших стекол (длина 25 см и высота 55 см), как показано на рисунке 1. Убедитесь, что каждый квадратный в сетке имеет площадь 25 см ² (Фигура 1). Сетка будет использоваться, чтобы правильно пространство датчиков в резервуаре почвы.

Рисунок 1: Схема спереди и сбоку бака почвы, используемой для экспериментальной установки (размеры в сантиметрах) () вид спереди резервуара почвы отображения сетки систему, состоящую из двадцати пяти 5 х 5 см. квадратов. (Б) вид сбоку резервуара почвы, показывая установленную температуру, относительную влажность и влаги в почве сенсорную сеть как функние глубины. Обратите внимание, что схемы не в масштабе.

3. На одном из больших стеклянных плоскостей, пробурить двадцать пять 1,9 см (¾ дюйма) отверстий диаметра для датчиков влажности почвы.
   1. Дрель каждое отверстие в центре каждого квадрата в сетке, установленной в пункте 1.2, так что центры отверстий двух примыкающих площадях 5 см друг от друга; Первый набор отверстий 2,5 см ниже верхней части бака. Используйте соответствующего размера краны сократить темы в каждой из вновь созданных отверстий. 5 см расстояние между датчиками гарантирует, что каждый датчик находится вне объема выборки следующего ближайшего датчика.
4. Точно так же, сверлить и нажмите в общей сложности двадцать пять 0,635 см (¼ дюйма) отверстий диаметром в центре каждого квадрата сетки окна, созданный в шаге 1.2. Убедитесь, что центр каждого отверстия отстоит 5 см друг от друга с первого ряда отверстий, расположенных на 2,5 см ниже верха резервуара почвы. 5 см расстояние между датчиками гарантирует, что каждый SЭнсор находится за пределами объема выборки следующего ближайшего датчика.
5. На акриловой панели, используемой в качестве нижней части бака, дрель и коснитесь одного ½ дюйма диаметр отверстия в середине панели. Клей сито (тоньше, чем тест почв, которые будут использоваться) более отверстие на внутренней стороне стекла. На внешней стороне нижней плоскости, установить колено 90 °, который прикреплен к гибкой трубки с регулируемым клапаном. Этот клапан и трубки используется для слива воды из бака при прекращении эксперимента или как способ, чтобы установить постоянные головные устройства для поддержания постоянного глубины грунтовых вод.
6. Используйте клей морской класса или аналогичной водостойкий полимерный клей для крепления и герметизации резервуара вместе, как показано на рисунке 1. Разрешить клей, чтобы вылечить за один день.
7. Чтобы поднять бак с земли и освободить место для 90 ° локтя (рис 1), прикрепите два дополнительных кусочков толщиной 1,2 см акрилового стекла с lengtH 12 см и высотой 5 см, на дне резервуара.

2. Строительство и подготовка климат-контролем Wind Tunnel

1. Построить длинный 215 выше по потоку часть аэродинамической трубе из оцинкованной стали прямоугольного воздуховода материала, который имеет ширину 8,5 см и высотой 26 см. Окружающего с внешней стороны канала с полистирольной изоляции.
2. Дрель небольшое отверстие в боковой части воздуховода работы вблизи нижнего выхода потоку части аэродинамической трубе для вставки относительной влажности датчика температуры (рисунок 2).

Рисунок 2:. Полный экспериментальная установка, в том числе бак, воздуховодов, датчиков сетки (размеры в сантиметрах) Заполните Экспериментальная установка комбинированного тоннеля ветра и почвы бака аппарата. Ветер туннельповышенных и находится на одном уровне с поверхностью резервуара почвы. Бак почвы приборами с сетью датчиков, используемых для измерения различных недр и атмосферных переменных. В сетевых круги представляют местоположения для вставки этих датчиков. Система отопления и вентилятор канал в линию используются для контроля температуры и скорости ветра, соответственно. Пито-статической трубка используется для измерения скорости ветра. Весь аппарат сидит на весовой шкале, чтобы получить баланс массы во время экспериментов. Следует отметить, что схема не в масштабе.

3. Установка пять керамических инфракрасных нагревательных элементов, расположенных параллельно в отражателе по длине входной части аэродинамической трубе. Подключите инфракрасные нагревательные элементы системы контроля температуры регулируемой с помощью инфракрасного датчика температуры.
4. Построить средней части аэродинамической трубе из двух 1,2 см толщиной акриловых панелей с длиной и высотой 25 см и 26 см соответственно.Дрель два 0,635 см (¼ дюйма) отверстий диаметром в один из середины сечения панелей для вставки температуры и / или относительной влажности датчики температуры, в местах, показанных на рисунке 2.
   1. Безопасный акриловые панели с верхней части цистерны почвы боковыми стенками (т.е. панели с размерами 25 см х 55 см) с использованием сильного клейкую ленту, гарантируя, что аэродинамическая труба и танковые почвы панели заподлицо друг с другом.
5. Построить первые 50 см дальше по потоку части аэродинамической трубе из того же размера прямоугольной воздуховодов материала, описанного в пункте 2.1. На завершающей стороной, уменьшить прямоугольную воздуховодов материал для круглого воздуховода 15,3 см в диаметре с длиной 170 см. Установите оцинкованная сталь заслонку, используется для регулировки скорости ветра, в дальнем нижнем конце круглого воздуховода для помощи в управлении скорости ветра.
6. Как и в шаге 2.2, пробурить одну 0,635 см отверстие диаметром в стороне вниз по течению прямоугольного воздуховода возле входа навведение относительной влажности датчика температуры. Дрель второй 0,635 см в диаметре отверстия от верхней части прямоугольного сечения вдоль осевой аэродинамической трубе.
7. Установите туннельного вентилятора в линию в середине круглого воздуховода (т.е. 85 см ниже по течению от сокращения, описанной в шаге 2.4), ориентированные, чтобы изгнать воздух из нижней частью аэродинамической трубе. Интерфейс вентилятор с переменной регулятора скорости для более точного управления частотой вращения и, как результат скорости ветра.
8. Используйте сварной материал и регулируемые блоки стеллажи, чтобы поднять и закрепить в аэродинамической трубе аппарата. Убедитесь, что нижний по потоку и ниже по потоку воздуховодов находятся на одном уровне с верхней части бака почвы (рисунок 2).

3. Установка датчиков

1. Перед установкой в ​​резервуаре почвы, обеспечить каждую влажности почвы и датчик температуры внутри корпуса с резьбой NPT (1,9 см и 0,635 см кожухи, соответственно) и SEаль с мигающим герметика, чтобы предотвратить вторжение влаги. Не используйте силиконовые продукты на основе герметика, как они могут помешать с электроникой внутри некоторых датчиков. Лечение датчики в течение примерно одной недели.
2. Перед установкой в емкости почвы, калибровки датчиков влажности почвы в соответствии с двухточечной α-перемешивания методике, разработанной Sakaki и др. ^12.
3. Оберните темы каждого корпуса ДНЯО с сантехников ленты перед установкой в ​​баке, чтобы помочь обеспечить лучшее уплотнение между резьбы NPT и акрилового стекла.
4. Установка в общей сложности 25 влажность почвы и датчиками температуры каждого горизонтально через стенки резервуара в местах, обсуждаемых в шаге 1.2. Крутите датчик кабели в синхронизации с ДНЯО арматура / корпуса, чтобы не повредить внутреннюю проводку в кабелях. Не слишком крутящий момент НПЦ, чтобы предотвратить стекло от трещин. Подключите датчики влажности почвы и датчики температуры с их назначенными данныхлесорубы.
5. Установка 3 относительно датчики влажности температуры на поверхности почвы на расстоянии 2,5, 12,5 и 21,5 см от передней кромки бака. Поместите датчики в хорошем контакте с поверхностью почвы, так что показания относительной влажности отражать условия на поверхности почвы, а не в окружающий воздух. Подключите датчики к регистрации данных.
6. Чтобы получить необходимую температуру воздуха и измерения относительной влажности в атмосфере, установить относительные датчики влажности температуры в разделе свободного потока аэродинамической трубе, используя отверстия, просверленные на входе и выходе секции аэродинамической трубы, а также панелей.
7. Установка Пито-статической трубкой непосредственно ниже по потоку от резервуара почвы через 0,635 см отверстием в верхней части нижнего участка аэродинамической трубы. Держите Пито-статической трубки на высоте 13 см от пола секции. Подключите Пито-статической трубки с датчиком дифференциального давления.
8. Калибре преобразователь дифференциального давления. Меры труб Пито-статической динамическое давление, которое определяется как разница стагнации и статических давлений. Перепад давления интерпретируется датчика давления как дифференциальное напряжение.
   1. Измерьте напряжение ни при каких условиях потока (напряжение должно быть примерно равно 0) и для потока известного динамического давления; это позволяет линейная зависимость быть установлены между динамическим давлением и напряжением. Определите скорость ветра, применяя уравнение Бернулли:
      (1)
      где V (м / с) скорости ветра, Р _{динамические} (Па) является динамическим давлением, а ρ (кг / м ³⁾ плотность воздуха.
   2. Сравнение скорости рассчитывают по уравнению (1) с другим устройством измерения. Вот, сравните Пито-статической дифференциальных трубки тра давленияnsducer с лазерной доплеровской скорости на LDV () измерений, который имеет точность ± 0,01 м / сек.
      Примечание: Резюме датчиков, используемых и связанных с ними частотами дискретизации можно найти в таблице 1 для спецификации сенсорных и другой информации, в прилагаемом списке материалов / оборудования..

Датчик	Датчик измерения	Количество датчиков, занятых в экспериментальной аппаратуры	Датчик Частота дискретизации (мин)
EC-5	Влажность почвы	25	10
ЭСТ	Почва / температура воздуха	25	10
SH-1	Тепловые свойства	1	10
Сверхвысокое напряжение	Относительная влажность / температура	5	10
Инфракрасная камера	Температура поверхности / испарения	1	1
Цифровая камера	Визуализация сушки перед	1	60
Пито трубка	Скорость ветра	1	10
Взвешивание шкалы	Накопительное испарения / скорость испарения	1	10

Таблица 1: Резюме датчиков, используемых в экспериментальной части настоящего исследования.

4. Упакуйте почву танк и подготовка к старту эксперимента

1. До упаковки бак с почвой, проверить его целостность, выполняя тест на утечку. Залить в бак с водой и подождать 4-6 часа, чтобы убедиться, что нет утечки в структуре или датчиков не разработали.
   1. Если утечка развиваться, слейте бак, дайте ему высохнуть в течение ночи и устранить утечки, используя тот же мArine клей, используемый во время оригинальной конструкции. Если утечки не развиваться, слейте бак почвы и подготовки к ниже шагов.
2. Определить общий объем танк с датчиками на месте. Тщательно заполнить бак с водой, используя мерный цилиндр, убедившись, что для записи количества добавленной воды. Преобразование записанного общий объем до кубических сантиметров для использования в шаге 4.5.
3. Получить сухую почву для упаковки бак почвы. Охарактеризовать гидравлические и тепловые свойства выбранного почвы отдельно в соответствии с методами, изложенными в Смитс и др. ¹¹
4. Осторожно мокрый пакет бак почвы, используя почву и деионизированной воды.
   1. Мокрому пакет бак почвы, сначала заливают примерно 5 см воды в бак. Медленно добавляют сухой почвы к воде в баке, используя совок, с шагом 2,5 см глубины. Запись веса песка, добавленного во каждого лифта так пористость упаковки почвы может быть вычислена.
   2. По завершениикаждого слоя, многократно нажмите стенки резервуара, используя резиновый молоток, в 100-200 раз, чтобы получить однородную объемную плотность по всей. В то время как постукивание, избегать контакта с датчиками и проводами датчиков. Применение вибрационных устройств следует избегать, чтобы не повредить сеть чувствительных датчиков.
5. После завершения упаковки бак, суммируются веса каждого слоя почвы (см Шаг 4.4), чтобы получить общую массу почвы. Разделить общую массу от объемной плотности почвы (например, объемную плотность кварцевого песка 2,65 г / см ^3), чтобы определить объем песка (V _с, см ^3). Рассчитать пористость (η, м ³ / м ³⁾ в почве в баке в соответствии с:
   (2)
   где (V _T, м ³⁾ Общий объем пустого резервуара определено на этапе 4.2.
6. После бак полностью упакованы, разместить пластиковую крышку, такие как Saran Wrap над баком до тех пор, пока эксперимент готов начать чтобы предотвратить начало испарения.
7. Поместите резервуар на весовой шкале контролировать совокупную потерю воды, которые могут быть, в свою очередь, используемый для расчета скорости испарения.
8. Рассчитывают часовую скорость испарения путем деления почасовой потерю веса продукта плотности воды и площади поперечного сечения испарительной поверхности.

5. Запустите эксперимент и начать сбор данных

1. После того, как установка будет завершена, определить желаемые атмосферные условия (т.е. температура, скорость ветра). Убедитесь, что регистратор данных и других систем сбора данных включен и в правильных интервалах выборки (например, каждые 10 минут).
2. Начните вентилятора и контроля температуры системы. Позвольте климатические условия, чтобы уравновесить до удаления пластиковой крышкой на поверхности сМасляный бак. Запустите эксперимент для требуемого периода времени (например, 15 дней).

Результаты

Целью эксперимента, представленного здесь было изучение влияния скорости ветра на испарение из голой почве. Основные свойства испытываемого грунта, используемого в настоящем исследовании, приведены в Таблице 2. В серии экспериментов проводили в котором различные граничные у...

Обсуждение

Цель этого протокола заключается в разработке экспериментальной установки и связанные с ними процедуры для генерации высоких данных пространственным и временным разрешением, необходимых для изучения земельных атмосферного взаимодействия в отношении процессов тепло- и массообмена....

Материалы

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.