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1.
探针有限特性对热脉冲技术测定土壤热特性的影响 总被引：1，自引：1，他引：0
在利用热脉冲方法测定热特性时,通常对探针形状做理想化处理,即假设探针为线性热源,热导率无限大而热容量为零。在实际应用中,探针本身的有限特性(有限半径以及有限热容量)会导致热特性测定误差。为了研究探针有限特性对热脉冲技术测定土壤热特性的影响,该研究采用改进的热脉冲探针(直径2 mm、长度40 mm、间距8 mm)测定土壤热特性,并分别使用PILS(pulsed infinite line source,无限长线性脉冲热源)和ICPC(identical cylindrical perfect conductors,近似圆柱形完美导体)2种理论估计土壤热特性,比较分析了探针有限特性对热脉冲技术测定热特性结果的影响。结果表明:1)与PILS理论相比,利用ICPC理论拟合得到的温度升高曲线,可以有效减少探针有限半径和热容量对土壤热特性测定结果的影响。与ICPC理论相比,在0.03~0.25 m3/m3的含水率范围内,用PILS理论得到的砂土热扩散率和热导率分别偏低11.8%和5.2%;与模拟热容量相比,PILS和ICPC理论分别将热容量高估16.1%和7.9%;2)探针有限特性对土壤热特性的影响与含水率有关:在干土上最大;随着土壤含水率的增加,其影响逐渐降低。该研究对提高热脉冲技术测定土壤热特性的准确性具有指导意义。 相似文献
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准确测定表层土壤水分对陆地-大气间水热交换研究具有重要意义。由于对土壤结构影响轻微,热脉冲技术在原位监测含水率方面具有较大优越性,但目前田间应用集中在5 cm以下土层。该研究利用多针热脉冲传感器测定土壤容积热容量,然后基于热脉冲含水率法和热脉冲含水率变化法分别得到了3、9、21和39 mm的土壤含水率。结果表明,与烘干法含水率比较,热脉冲含水率变化法含水率在4个深度的均方根误差分别为0.022、0.006、0.004和0.006 m3/m3,均小于相应深度上热脉冲含水率法含水率的均方根误差。另外,热脉冲含水率变化法也降低了4个热脉冲传感器测定含水率的变异性。因此,热脉冲技术能够监测表层的土壤水分动态,表层土壤含水率的均方根误差在0.022 m3/m3以内。 相似文献
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土壤水热参数是研究土壤水热传输的基本物理参数。当前热脉冲探针法（HPP）可同步测定土壤水热参数,但该方法仅限于在点尺度下测定。与其具有相同理论基础的加热光纤法（SPHP-DTS）,可将测定尺度增大至田间千米尺度,但其测定精度尚未得到有效验证。为了探知SPHP-DTS法的误差,本研究进行了SPHP-DTS法与HPP法测定土壤水热参数的对比试验。结果表明,以HPP为标准,加热光纤法测定热导率的精度RMSE为0.13 W?m-1?℃-1。SPHP-DTS法测定的热导率显著高于HPP法,主要原因在于加热光纤时产生的温度效应。通过热导率法测定土壤含水率时,在热导率测定误差的影响下,SPHP-DTS法的测定精度明显低于HPP法。SPHP-DTS法测定土壤水热参数的其他误差来源包括光纤与土壤之间多个界面的接触热阻、光纤的温度敏感性、噪音干扰以及温度梯度驱动下的水分迁移。本研究可为SPHP-DTS法提升土壤水热参数测定精度提供理论参考。 相似文献
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原状土与装填土热特性的比较 总被引：2，自引：2，他引：0
土壤热特性是研究土壤—植物—大气系统中能量传输的必要参数。目前的研究集中在室内装填土柱上热特性与含水率、质地、温度和体积质量(容重)等因素的关系,田间条件下土壤结构对热特性影响的报道很少。该研究通过比较2种质地土壤田间原状土和室内装填土热特性的差异,初步探讨了不同含水率范围内结构形成对土壤热特性的影响。采集田间原状土,在室内利用热脉冲技术测定其热容量、热导率和热扩散率;然后将样品磨碎、过2mm土筛,填装后得到相同体积质量和含水率的装填土壤样品,并测定其热特性。结果表明,装填土和原状土的热容量基本一致;在中等含水率区域(砂壤土:0.07～0.24m3/m3;壤土:0.15～0.31m3/m3),重新装填后砂壤土和壤土的热导率分别降低了9.7%和9.8%。另外,结构形成增加了土壤热扩散率,在中等含水率区域尤其明显;在接近饱和区域,原状土与装填土的热扩散率趋于一致。因此,土壤结构形成对土壤热容量没有显著影响,但提高了中等含水率区域土壤的热导率和热扩散率。 相似文献
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含水量和容重对旱地耕层土壤热导率的影响及预测 总被引：2，自引：1，他引：2
土壤热导率是研究地表能量平衡和土壤水热运移过程中的一个基础参数。受土壤耕作、干湿交替和根系生长等过程的影响,耕层土壤的含水率和结构呈现较强的变异特征,而目前缺乏关于定量分析耕层土壤热导率变异特征的研究。该研究利用田间定位试验,采用热脉冲技术测定了含水率和容重变化条件下耕层土壤热导率的变异特征,并利用传递函数模型对耕层土壤热导率进行了预测。结果表明:含水率和容重是影响耕层土壤热导率变异的主要因子,而耕作强度和干湿交替是这种变异的关键驱动力;与翻耕和旋耕处理相比,免耕处理提高了土壤容重和含水率,从而增大了土壤热导率;在干湿交替作用下,翻耕后土壤容重逐步增加,耕层热导率也呈现上升趋势,波动幅度与含水率的变化相关。基于含水率、容重和质地信息,土壤热导率传递函数模型可以给出可靠的田间土壤热导率估计值,其均方根误差和平均偏差分别为0.09和-0.01 W/(m·K);考虑耕层土壤容重的动态信息,可以提高该模型预测土壤热导率的准确性。 相似文献
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不同温度下的土壤热导率模拟 总被引：13，自引：7，他引：6
土壤热导率是研究陆地表层水热盐耦合运动的基本物理参数。由于水汽潜热传热在高温下的显著作用,高温下的土壤热导率显著高于常温值。该研究的目的是建立能够有效预测高温下土壤热导率的模型。在气体扩散定律的基础上,该文结合常温土壤热导率模型,提出了一个计算高温土壤热导率的新方法。并利用热脉冲技术实际测定了不同温度、不同含水率下的土壤热导率,对新模型进行了测试验证。结果表明,Cass等的水汽运移促进因子参数依赖于土壤质地,且存在较大的不确定性。经过对该参数修正后,建立的热导率模型均能够较好地模拟出高温下的土壤热导率。 相似文献
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不同土壤含水率、体积质量及光谱反射率的关系模型 总被引：2，自引：1，他引：2
为了准确、快速地检测湿胀干缩型土壤含水率,该文提出了基于近红外光谱技术的土壤含水率分析方法。该文以湖北省黄棕壤、潮土、水稻土为研究对象,利用美国Ocean Optic公司的NIR256-2.5微型光纤光谱仪在暗室环境下对不同含水率下的土壤样本进行光谱反射率的测定和特征分析,并同时测量相应的土壤体积质量,研究土壤含水率、体积质量、光谱反射率之间的相关关系,通过采用2种土壤含水率表示方法与3种土壤光谱反射率表示方法反映土壤含水率与光谱反射率之间关系的对比试验分析,消除土壤其它性状对土壤反射率反演土壤含水率的影响,得到较适宜地进行土壤光谱反射率反演土壤含水率的匹配表示方法,构建三者之间关系的曲面模型和体积质量变化的土壤体积含水率与土壤光谱反射率的关系指数模型。研究结果表明,构建的3种土壤的曲面回归模型,决定系数均大于0.977,F值均达极显著水平,光谱反射率与体积质量的偏回归系数检验亦达显著或极显著水平。采用指数模型表述1400、1900nm波长处的归一化减土光谱反射率与体积质量变化的土壤体积含水率的关系,其决定系数均在0.9以上,对模型进行验证,其预测误差在0.3左右,精度较高,所建模型拟合效果好。该研究可为用近红外光谱检测体积质量变化的土壤含水率提供科学资料。 相似文献
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运用时域传输技术测定不同类型土壤的含水率 总被引：2，自引：1，他引：1
针对时域反射（TDR）技术测定含盐土壤、有机质质量分数高的土壤和红壤含水率过程中存在不适用的问题,该文应用一种基于时域传输（TDT）原理的水分测试仪,通过室内土柱试验,研究该仪器在不同类型的土壤上测定土壤含水率的适用性。研究结果表明：在风沙土、褐土和潮土3种类型的土壤上,土壤体积含水率和TDT输出的电压之间存在显著的线性关系,且可以用统一的线性关系计算土壤含水率,其估计标准误差是0.026 cm3·cm-3;在盐土（EC值为11.12 dS·m-1,含盐量为59.5 g·kg-1）上,土壤体积含水率和TDT输出电压值之间的线性关系仍然存在,其估计标准误差是0.025 cm3·cm-3;在栗钙土（有机质质量分数67.95 g·kg-1）和红壤上,土壤体积含水率和TDT输出的电压值之间的关系可以用三次多项式表示,校正关系式估计标准误差分别是0.028和0.015 cm3·cm-3。因此,基于TDT原理的水分测试仪能被广泛地应用于不同类型土壤的含水率测定,尤其在盐土、有机质质量分数高的土壤和红壤含水率的测定上表现出优于TDR技术的特点。 相似文献
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土壤导热率测定及其计算模型的对比分析 总被引：10，自引：6，他引：4
土壤导热率是重要的热参数之一,为了获得预测导热率的准确方法,该文对比分析了确定土壤导热率的热脉冲直接测定法和模型间接推求法。根据热脉冲原理在相同体积质量下,测定了不同质地和含水率土壤的导热率值。结果表明在相同含水率条件下,砂粒含量越高,土壤的导热率越大,土壤导热能力越强。利用Horton经验公式对实测值进行了拟合,结果显示Horton经验模型基本可以反映土壤导热率变化特征,并得到了Horton公式经验系数。利用实测值与Campbell模型计算值进行了比较,结果显示Campbell模型计算结果偏差较大,并对其进行了修正。并且用实测值与Johansen模型及其2种改进模型(Coté-Konrad模型和Lu-Ren模型)的计算值进行了对比分析,结果表明Johansen模型计算结果与实测值偏差较大,2种改进型模型的计算结果与实测值更接近。该研究表明土壤导热率可以利用土壤质地、含水率、孔隙度和体积质量进行计算,3种理论模型的计算值与实测值的相关系数均值分别为:0.643、0.937、0.943,推荐使用Coté-Konrad模型和Lu-Ren模型计算土壤导热率,Lu-Ren模型比Coté-Konrad模型的适用范围更广。 相似文献
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食品物料在超高压下的导热系数是研究超高压加工过程中传热与温度变化的必要参数,但有关超高压下食品物料的导热系数数据和测量方法还十分缺乏。该文基于线热源法设计了适用于超高压力环境下食品物料导热系数的测量探针和聚甲醛样品容器,利用1.5%琼脂凝胶对热探针在25℃不同压力下(0.1~400 MPa)进行标定试验,结果表明测量值与纯水导热系数的参考值非常接近且呈良好的线性相关关系(R2=0.9997),据此得到探针的标定系数为0.9944。在25℃测量了蛋清、蛋黄、火腿肠和奶油在0.1~400 MPa压力下的导热系数值。结果发现:在25℃条件下,超高压下食品物料的导热系数较常压下均有一定程度的增大(最大达到28%),且有随压力增大而增大的趋势;一定压力条件下,食品物料的导热系数随着含水量的增大而增大。建立了25℃条件食品物料在一定压力范围内(0.1~400 MPa)导热系数预测的经验公式,对研究的几种食品物料拟合得到的方程回归系数在0.91以上。 相似文献
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The coupled heat and mass transfer in soil can be analysed by examining the temperature dependence of thermal conductivity. We have measured the thermal conductivity of two kinds of soil (Ando soil and Red Yellow soil) as a function of both temperature (5–75°C) and water content by the twin heat probe method. From our results we concluded that the thermal conductivity resulting from the latent heat transfer can be separated from the apparent thermal conductivity by subtracting the thermal conductivity at a temperature near 0°C from that at a higher temperature. The relation between the phenomenological enhancement factor (β) and the volumetric air‐filled porosity was divided into two parts: β increases linearly as the volumetric air‐filled porosity increases from zero (that is, water saturation), to the point at which soil water potential corresponds to ?320 J kg?1; from that point to oven‐dry condition, β decreased logistically with the volumetric air‐filled porosity. From these results, we could generalize the behaviour of β. 相似文献
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Andrew C. Sherfy John S. Tyner Youngil Kim 《Communications in Soil Science and Plant Analysis》2016,47(3):305-312
A multifunctional heat pulse probe (MFHPP) can measure soil thermal and hydraulic properties. Though its successful implementation has been documented, previous studies have reported some limitations. One specific cause of the limitations is the absorption of the generated heat pulse within the probe itself, which creates error in the measurements. The objective of this study was to develop and evaluate a new calibration method to account for measurement error due to heat loss to the probe. A MFHPP was constructed and tested in six soil types using both a traditional method and the newly developed calibration method. The new calibration utilizes heat pulse response curves from real soils with thermal conductivities similar to that of the MFHPP rather than the traditional agar-stabilized water solution. This new approach significantly reduced average measurement errors from 9.1% to 2.4% for heat capacity and 13.5% to 4.5% for volumetric water content. 相似文献
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由于土壤特性的时空变异性 ,对土壤含水量、温度、热特性以及其它物理参数的动态监测是土壤学研究的重要课题。本文以热脉冲技术和时域反射技术的理论为基础 ,介绍了利用热脉冲技术 时域反射技术 (Thermo TDR)连续定位测定土壤含水量、电导率、温度和热特性的原理 ,并利用土壤热特性与容重和含水量的关系 ,导出了土壤容重、饱和度和通气孔度的计算公式。 相似文献
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基于热脉冲技术的能量平衡方法是一种原位实时监测土壤蒸发速率技术。热脉冲方法的准确性受地表气象条件、土壤类型等因素影响,目前该技术多应用于质地较砂北方旱地土壤。为进一步验证热脉冲方法在质地较黏的南方红壤上监测蒸发速率的适用性,该研究利用热脉冲传感器与微型蒸渗仪开展了为期30 d的监测试验,对比了热脉冲能量平衡方法与微型蒸渗仪测得日蒸发速率以及累积蒸发量,并通过监测土壤含水率变化和气象因子,评价了红壤区土壤蒸发的主要影响因素。结果表明,热脉冲方法测得的日蒸发速率与微型蒸渗仪监测值变化趋势相同,试验期间两种方法测得日蒸发速率最大相差0.80 mm/d,最小相差0.02 mm/d,决定系数R2=0.52。两种方法测得的累积蒸发量随时间变化值之间具有更强的相关性（R2=0.99）,30 d内微型蒸渗仪监测的总累积蒸发量为19.3 mm,热脉冲方法监测的累积蒸发量为24.4 mm。由于降水影响,微型蒸渗仪漏测了7 d的蒸发速率,剔除该7 d数据后,二者仅相差4.6%。相比于传统的微型蒸渗仪法,热脉冲方法具有自动化的优点,且能够实时监测剖面微尺度（mm尺度）上蒸发动态。研究区红壤的日蒸发速率与各因子的相关程度由大小为土壤含水率、净辐射、风速、气温。研究结果表明热脉冲能量平衡方法能够准确地监测南方红壤区土壤蒸发动态,研究可为红壤区水热循环研究提供技术和理论支撑。 相似文献
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Estimation of the thermal separation of soil particles from the thermal conductivity under reduced air pressure 总被引：1，自引：0，他引：1
Knowledge of thermal conductivity of granular materials under reduced air pressure can be utilized for studying intricate mechanisms of heat transfer in two‐phase systems. We measured the thermal conductivity of three soils of varied texture and two sets of glass beads (GB) under reduced air pressure using a twin heat probe. We also predicted the thermal conductivity of a two‐phase system at reduced air pressure from the modified Woodside & Messmer equation based on the kinetic theory of gases. This equation includes a thermal separation of solid particles (d) defined by the heat conduction. We compared this separation with the geometrical mean separation of solid particles (D). The results showed a linear relation between d and D for the GB, and in all cases d was smaller than D. This suggests that conductive heat transfer in two‐phase GB takes place mainly through air spaces the dimension of which is smaller than D. The d of a Red Yellow soil and an Ando soil, however, were about 200–300 times larger than D. This result seems to be related to the soil aggregation. We showed that in soil aggregates the conduction of heat through the solid was the dominant mode of heat transfer, and the micropores in a soil aggregate had very little effect on the diminished thermal conductivity under reduced air pressure. The decrease in the thermal conductivity of two‐phase soil under reduced air pressure is probably caused by the air molecules confined in interaggregate pore spaces rather than those in the intra‐aggregate pore spaces. The d of soils can be used to represent the thermal separation of the interaggregate pore spaces, and soil aggregates can be treated as single‐grained particles in evaluating heat conduction. 相似文献