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.
Abstract
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.
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
Representative Results
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 bes…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der US Army Research Office Award W911NF-04-1-0169, der Engineering Research and Development Center (ERDC) und National Science Foundation Zuschuss EAR-1029069 gefördert. Darüber hinaus wurde diese Forschung unterstützt von einem Sommerprogramme in Undergraduate-Forschungsstipendium Colorado School of Mines. Die Autoren danken Ryan Tolene und Paul Schulte für ihre Beiträge danken.
Materials
| 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 minute 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 minute 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 = 65kg, Resolution = ±1g |
| Infrared SalamandernCeramic Radiative Heater (1) | Mor Electric Heating Assoc., Inc. http://www.morelectricheating.com/ | FTE 500-240 | 5 heaters needed, adjust to ge thte 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 |
| 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 1464 J kg^-1K^-1, thermal conductivity of 0.2 W m^-1K-1, and a density of 1150 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. |
Referenzen
- Verstraete, M. M., Schwartz, S. A. Desertification and global change. Vegetatio. 91, 3-13 (1991).
- Warren, A., Adams, W. M., Goudie, A. S., Orme, A. R. Desertification. The Physical Geography of Africa. , 342-355 (1996).
- Katata, G., Nagai, H., Ueda, H., Agam, N., Berliner, P. R. Development of a land surface model including evaporation and adsorption processes in the soil for the land-air exchange in arid regions. J. Hydrometeorol. 8, 1307-1324 (2007).
- Davarzani, H., Smits, K. M., Tolene, R., Illangasekare, T. H. Study of the effect of wind speed on evaporation from soil through integrated modeling of atmospheric boundary layer and shallow subsurface. Water Resour. Res. 50, (2014).
- Heitman, J. L., Horton, R., Ren, T., Nassar, I. N., Davis, D. D. A test of coupled soil heat and water transfer prediction under transient boundary temperatures. Soil Sci. Soc. Am. J. 72 (5), 1197-1207 (2008).
- Gurr, C. G., Marshall, T. J., Hutton, J. T. Movement of water in soil due to a temperature gradient. Soil Sci. 74, 335-345 (1952).
- Nassar, I. N., Horton, R. Water transport in unsaturated non-isothermal salty soil: experimental results. Soil Sci. Soc. Am. J. 53, 1323-1363 (1989).
- Prunty, L., Horton, R. Steady-state Temperature Distribution in Nonisothermal unsaturated closed soil cells. Soil Sci. Soc. Am. J. 58, 1358-1363 (1994).
- Bachmann, J., Horton, R., Ren, T., van der Ploeg, R. R. Comparison of the thermal properties of four wettable and four water-repellent soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 65 (6), 1675-1679 (2001).
- Smits, K. M., Sakaki, T., Limsuwat, A., Illangasekare, T. H. Thermal conductivity of sands under varying moisture and porosity in drainage-wetting cycles. Vadose Zone J. 9, 1-9 (2010).
- Sakaki, T., Limsuwat, A., Smits, K. M., Illangasekare, T. H. Empirical two-point α-mixing Model for calibrating the ECH2O EC-5 soil sensor in sands. Water Resources Research. 44, W00D08 (2008).
- Shokri, N., Lehmann, P., Or, D. Evaporation from layered porous media. J. Geophys. Res. 115, B06204 (2010).
- Van Brakel, J., Mujumdar, A. S. Mass transfer in convective drying. Advances in Drying. 1, 217-267 (1980).
- Yiotis, A. G., Subos, A. G. B. o. u. d. o. u. v. i. s. A. K., Tsimpanogiannis, I. N., Yortsos, Y. C. The effect of liquid films on the drying of porous media. AIChE J. 50, 2721-2737 (2004).
- Ishihara, Y., Shimojima, E., Harada, H. Water vapor transfer beneath bare soil where evaporation is influenced by a turbulent surface wind. J. Hydrol. 131 (1-4), 63-104 (1992).
- Lehmann, P., Assouline, S., Or, D. Characteristic lengths affecting evaporative drying of porous media. Phys. Rev. E. 77 (5 Pt 2), 056309 (2008).
- Trautz, A. C., Smits, K. M., Schulte, P., Illangasekare, T. H. Sensible heat balance and heat-pulse method applicability to in situ soil-water evaporation. Vadose Zone J. 13, (2014).
