عنوان

بررسی آزمایشگاهی و شبیه سازی هم‌زمان جریان آب ، نمک و حرارت در خاک

‭۱۸۶۸۹پ‬

per

بررسی آزمایشگاهی و شبیه سازی هم‌زمان جریان آب ، نمک و حرارت در خاک

/علی‌اصغر میرزایی

: کشاورزی

، ‮‭۱۳۹۶‬

، میرزائی

چاپی

دکتری

مهندسی آبیاری و زهکشی

‮‭۱۳۹۶/۱۲/۱۹‬

تبریز

علم انتقال حرارت یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین علوم مهندسی است، محیط متخلخل به خاطر ساختار خود، سطح انتقال حرارت بزرگی را در یک حجم مشخص فراهم می‌کند، از این رو بررسی انتقال حرارت در محیط متخلخل خاک به دلیل اهمیت لایه‌های زیرین خاک از نظر تبادل حرارت و رطوبت بین گیاه و هوای مجاور آن و جذب آب توسط ریشه و انتقال حرارت در فرآیندهای تبخیر و تعرق، تهویه خاک، جوانه زنی بذر، رشد گیاه، توسعه ریشه‌ها و جذب مواد غذایی) جذب فعال و غیرفعال (و حرکت بخارآب درآ بهای زیرزمینی در سال‌های اخیر موردتوجه قرارگرفته است .در این مطالعه، انتقال کوپل حرارت و جریان آب و نمک در محیط متخلخل خاک در شرایط آزمایشگاهی بررسی‌شده است .آزمایش‌ها در مدل فیزیکی ساخته‌شده در گروه فنی و مهندسی دانشگاه شهر پادوا در کشور ایتالیا و در یک محیط متخلخل مستطیلی شکل به ابعاد‮‭۲‬ ‌‮‭۲۰‬‌ ‮‭۳۳‬سانتی‌متر انجام‌گرفته است .در این آزمایشات از دوربین ترموگرافی ‮‭۹۵ SATIRG‬ برای ثبت الگوی توزیعی دمای سطحی و دستگاه‮‭۲pro - kd‬به‌منظور اندازه‌گیری میزان غلظت نمک و رطوبت خاک در محیط متخلخل استفاده شده است .برای اندازه‌گیری درجه حرارت در محیط متخلخل از ترموکوپل نوع ‮‭k‬ به قطر ‮‭۷/۰‬ میلی‌متر استفاده شد .در مجموع ‮‭۳۶‬ نقطه محل بر روی صفحه محیط متخلخل برای قرارگیری ترموکوپل و سنسورها تعبیه شدند که ‮‭۱۸‬ نقطه محل برای قرارگیری ترموکوپل‌ها و ‮‭۱۸‬ نقطه محل نیز برای قرار گرفتن سنسورهای اندازه‌گیری رطوبت خاک و غلظت نمک در نظر گرفته شدند .اندازه گیری های دما و غلظت و رطوبت در کوپل های مختلف دما و جریان آب و نمک ‮‭(T۱,T۲,T۳,T۴,T۵. C۱,C۲,C۳.q۱,q۲,q۳)‬ در فواصل طولی مشخص شده از محیط متخلخل و در زمان‌های مختلف، ثبت شد.تحلیل عددی بر اساس عناصر محدود و با حل معادله انتقال حرارت و غلظت و رطوبت در محیط متخلخل و با استفاده از نرم افزار کومسول صورت گرفته است .مقایسه نتایج آزمایشگاهی و عددی نشان می‌دهد که نرم افزار کومسول با دقت زیادی انتقال کوپل حرارت وجریان آب و نمک را در محیط متخلخل خاک شبیه‌سازی می‌کند .نتایج نشان داد در دمای یکسان و با افزایش مقدار جریان آب ،انتقال حرارت به دلیل افزایش رطوبت خاک در محیط متخلخل روندی افزایشی داشته است .با افزایش رطوبت خاک و در پی آن افزایش ظرفیت حرارتی خاک در محیط متخلخل، مقدار فلاکس حرارت هدایتی نیز، افزایش می‌یابد و در حالت اشباع کامل به بالاترین مقدار خود می‌رسد که به این دلیل است که با افزایش درصد رطوبت خاک، گرمای ویژه و ظرفیت هدایت حرارتی خاک نیز زیاد می‌شود .همچنین یافته‌های تحقیق نشان داد که در حالت کوپل حرارت و جریان آب و نمک، افزایش تخلخل خاک، باعث بهبود عملکرد حرارتی و درنتیجه افزایش انتقال حرارت در محیط متخلخل خاک می‌شود .بررسی انتقال حرارت به طریق همرفت و هدایتی در طول محیط متخلخل نشان داد که در حالت اشباع کامل، محیط متخلخل خاک، عمده انتقال حرارت به طریق هدایتی می‌باشد و در حالت غیراشباع بخش بیشتر انتقال حرارت در محیط متخلخل به‌صورت همرفت صورت می‌گیرد .یافته‌های تحقیق نشان داد با ثابت ماندن مقدار دبی جریان آب و غلظت نمک در حالت کوپل، افزایش درجه حرارت ،پروفیل غلظت را در فاصله دورتری از ابتدای محیط متخلخل به حالت توسعه‌یافته حرارتی می‌رساند و افزایش غلظت نمک در این حالت سبب می‌شود پروفیل غلظت در فاصله دورتری از ابتدای محیط متخلخل به حالت توسعه‌یافته حرارتی دست یابد .همچنین در مقدار جریان آب و غلظت نمک یکسان، تزریق حرارت باعث می‌شود که پروفیل غلظت در فاصله دورتری از ابتدای محیط متخلخل به حالت توسعه‌یافته و تعادل حرارتی برسد .از نتایج ثبت‌شده توسط دوربین ترموگراف در آزمایشات می‌توان مشاهده کرد که وجود نمک در محیط متخلخل خاک، انتشار طولی و عرضی پروفیل حرارتی را در محیط متخلخل خاک کاهش می‌دهد .دلیل این است که غلظت نمک بر روی خواص سیال اثر می‌گذارد و س‍ـبب پ‍ـراکنش ذرات خاک می‌شود و انتقال حرارت را در محیط متخلخل کندتر می‌کند و تأخیر زمانی بیشتری جهت انتقال حرارت به وجود می‌آورد .خلل و فرج محیط متخلخل موجب افزایش سطح تماس سیال و اتصال ذرات به یکدیگر موجب افزایش هدایت حرارتی خاک می‌شود .با استفاده از نتایج حل عددی نرم افزار کومسول بر پایه مشاهدات تجربی می‌توان نتیجه گرفت که در محیط متخلخل خاک و در کوپل های حرارت و جریان آب با افزایش درجه اشباع خاک، افزایش هدایت حرارتی خاک در ابتدا به‌کندی صورت می‌گیرد و در درجه‌های اشباع بالا که رطوبت باعث پوشیده شدن ذرات خاک با آب می شود، هدایت حرارتی به سرعت افزایش می یابد .نتایج نشان داد قابلیت انتشار حرارتی و هدایت حرارتی در محیط متخلخل خاک متأثر از تغییرات رطوبتی خاک می باشد به طوری‌که با افزایش درجه اشباع خاک، هدایت حرارتی در محیط متخلخل افزایش می یابد ولی قابلیت انتشار حرارتی را تا آستانه رطوبتی افزایش می دهد و به بالاترین مقدار خود می‌رسد و بعد از آستانه رطوبتی، با افزایش درجه اشباع خاک روند نزولی دارد و کاهش می یابد .نمودارهای نرم افزار کومسول با استفاده از نتایج تجربی نشان داد که افزایش تخلخل در خاک باعث افزایش ظرفیت حرارتی خاک در حالت کوپل شده است .در حالت کوپل حرارت و جریان آب و نمک و در تخلخل یکسان،افزایش غلظت نمک باعث کاهش ظرفیت حرارتی کوپل جریان در خاک می‌شود . افزایش درجه اشباع و رطوبت خاک، سرعت انتقال پروفیل‌های حرارتی در طول محیط متخلخل خاک را در حالت‌های کوپل افزایش می‌دهد .در دما و مقدار جریان ثابت آب ، غلظت نمک با تأثیر بر روی انتشار حرارتی باعث کاهش سرعت پروفیل حرارتی در طول محیط متخلخل خاک می شود

33cm, available in department of Engineering and Technology in the university of padova in italy. In these experiments, a SATIR-G95 thermal imaging camera is used to record distributive pattern of surface temperature and KD2-Pro controller device in order to measure salt concentration and soil moisture in porous media. A type k thermocouple with 0/7mm diameter was used to measure the temperature in the porous medium. 36 points were chosen on the thermocouple and sensors on the porous media screen whereas 18 points were for settlement of thermocouples and also 18 points for measuring soil moisture and concentration salt sensors. Temperature, concentration and moisture measurements were recorded in coupled of temperature, water flow and salt (T1, T2, T3, T4,T5; C1, C2, C3; q1, q2, q3) in longitudinal distances from the porous medium and in distinct times. Numerical analysis has been done by solving the equation of heat and concentration and moisture transfer in porous media using finite element method in COMSOL software. Comparison of experimental and numerical results shows that the COMSOL software simulates coupled heat, water flow and salt transfer in soil porous medium with a reliable precision. Results showed that at an identical temperature and by increasing amount of water flow, heat transfer had been increased in porous medium due to increase of soil moisture. The more soil moisture which leads to more heat capacity of soil in porous medium, the more conductive heat flux, and it reaches its highest level in fully saturated condition; this is the reason that specific heat and thermal conductivity of soil enhances corresponding to moisture content of soil increase. Results of the study showed that in the coupled heat, water flow and salt case, increasing soil porosity improves thermal performance which results heat transfer increase in the porous medium of soil. Investigating heat transfer convection and conduction in a porous medium showed that in fully saturated condition, the main heat transfer phenomena is through conduction, while in unsaturated condition, convection is the main portion of heat transfer. Results of the study showed that, increasing temperature while keeping discharge of water and salt concentration constant in the coupled state expands concentration profile from starting point of porous medium to a more distant point into developed thermal state. Increasing salt concentration in this condition expands concentration profile from starting point of porous medium to a more distant point into developed thermal state. Also, in identical amount of water flow and salt concentration, heat injection causes development of concentration profile from starting point of porous medium to a more distant point into developed thermal state. According to results of the experiments recorded by thermographic camera, it can be seen that existence of salt in the porous medium of soil decreases longitudinal and transverse diffusion of thermal profile in soil porous medium. The reason is that salt concentration effects on properties of the fluid, causing soil particles to dissipate and makes heat transfer in the porous medium slower and creates more time to heat transfer. Porosity in a porous medium leads to more contact surface of fluid and having its generator in solid phase and the interconnection of particles its makes increases thermal conductivity of the soil. Using numerical results of the COMSOL software based on empirical observations, it can be concluded that in coupled heat, water flow through a soil porous medium, by increasing soil saturation, soil heat conductivity increases slowly in the beginning, and in higher saturation levels which soil particles is covered with water, thermal conductivity increases rapidly. Results showed that thermal diffusion and thermal conductivity in soil porous media is consequence of soil moisture changes, meaning that by increasing soil saturation level, thermal conductivity in the porous medium increases, but increases the thermal diffusion capacity to the moisture threshold which is its maximum value and after threshold of moisture, by increasing saturation level it has a descending trend and decreases. Charts obtained from COMSOL software using experimental results showed that the increase of porosity in the soil increases heat capacity of soil in the coupling state. For the coupled heat, water flow and salt case in identical porosity, increasing salt concentration decreases the thermal capacity of flow couple in the soil. Increasing degree of saturation and moisture in soil, increases speed of the thermal profiles transfer through soil porous medium in coupling state. At constant temperature and water flow, having an effect on thermal diffusion, concentration of salt reduces speed of the thermal profiles through soil porous medium‌20‌Science of heat transfer is one of the most applied engineering sciences. According to their structure, porous media provide large heat transfer surface in a given volume. Therefore, the study of heat transfer in porous medium soil has been taken into consideration in recent years as a result of the importance of underlying layers of soil. This importance is the consequence of the exchange of heat and moisture between the plant and its surrounding air and also the absorption of water by root and heat transfer in evapotranspiration processes, soil conditioning, seed germination, plant growth, development of roots, the absorption of food (active and passive absorption) and the movement of water vapor in underground water. In this study coupled heat water flow and salt transfer in porous media soil is investigated under laboratory conditions. Experiments have been done using a physical model, a rectangular shaped porous medium with dimensions 2

میرزایی، علی اصغر

ناظمی، امیرحسین، استاد راهنما

صدرالدینی، سید علی‌اشرف، استاد مشاور

دلیر حسن نیا، رضا، استاد مشاور

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی