Buharlaşma Atmosferik zorlamalara Etkilerinin keşfetmek: Atmosferik Sınır Tabakası ve Sığ Yer altı Deneysel Entegrasyon
概要
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.
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
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
Representative Results
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 hav…
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma ABD Ordusu Araştırma Bürosu Ödülü W911NF-04-1-0169, Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Merkezi (ERDC) ve Ulusal Bilim Vakfı Hibe KULAK 1029069 tarafından finanse edildi. Lisans Araştırma Bir Yaz Programları Colorado School of Mines dan hibe yoluyla ek olarak, bu araştırma desteklenmiştir. Yazarlar katkılarından dolayı Ryan Tolene ve Paul Schulte teşekkür etmek istiyorum.
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. |
参考文献
- 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).
