1、土壤多孔介质热质传递过程数值模拟毕业设计毕 业 设 计题目：土壤多孔介质热质传递过程数值模拟学 生： 学 号： 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 指导教师： 20 年 5 月 31 日毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师
2、签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
3、本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5
4、）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50
5、页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二
6、、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
7、 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问
8、题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见
9、：系主任： （签名）年 月 日毕业论文任务书机电工程 学院 专业 1 班级 学生： 毕业设计（论文）题目: 土壤多孔介质热质传递过程数值模拟 完成期限：从 年 月 日起到 年 月 日课题的意义及培养目标：土壤是人类最基本的生产资料和生存环境之一，也是一种典型的多孔介质。自然界土壤中物质和能量的迁移传递现象十分普遍，土壤中任一点的热量传递和物质(湿分)运移相互关联、相互作用，从而形成一个以土壤水运动为基础的复杂的热质传递系统。该课题拟建立起能有效模拟土壤多孔介质内水、热、溶质传递运移的数学模型；对土壤多孔介质在各种大气环境、不同土壤物理结构条件下的热质传递过程进行数值模拟与分析，使学生掌握科学研
10、究的基本程序，训练学生对所学知识综合应用和独立思考、分析、解决实际问题的能力，培养学生勇于创新的思想意识。掌握撰写科技论文的格式与方法。 论文所需收集的原始数据与资料：1：查找土壤多孔介质的物理结构参数，通过一些资料，统计土壤多孔介质热质传递过程中不同时刻试样内部的含水量。2：收集土壤多孔介质内部热质传递过程的资料初步掌握一些传热传质机理。查阅在风吹日晒雨淋条件下土壤多孔介质热质传递相关资料，并做初分析；3：搜集ANSYS的相关资料及计算机仿真模拟的相关知识。 课题的主要任务（需附有技术指标要求）：分析土壤多孔介质热质传递过程中的水分迁移机理；确定土壤多孔介质相关的物理参数；采用计算机软件AN
11、SYS进行模拟，包括：1）建立起能有效模拟土壤多孔介质内水、热、溶质传递运移的数学模型；2）对土壤多孔介质在各种大气环境、不同土壤物理结构条件下的热质传递过程进行数值模拟与分析；3）对模拟结果进行分析与讨论最后得出结论。 设计进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：周 次论文任务及要求第 12 周搜集与课题相关的资料第 34 周分析土壤多孔介质热质传递过程中的水分迁移机理第 56 周确定土壤多孔介质相关的物理参数第 79 周对土壤中的温度场、湿度场建模第 1011周不同土壤物理结构条件下的热质传递过程模拟第 1214周模拟结果分析，编写论文第 15 周复习梳理知识，准备答辩工作。合计 学
12、生： 日期： 指导教师： 日期： 教研室主任： 日期： 土壤多孔介质热质传递过程数值模拟摘 要土壤是人类最基本的生产资料和生存环境之一，也是一种典型的多孔介质。自然界土壤中物质和能量的迁移传递现象十分普遍，土壤中任一点的热量传递和物质(湿分)运移相互关联、相互作用，从而形成一个以土壤水运动为基础的复杂的热质传递系统。土壤的研究对地下水埋藏较浅的冲积平原的综合治理及利用具有重要的指导意义，有利于促进资源环境植物循环系统的理论研究和水土资源的综合利用，为高效农业服务。本文基于土壤多孔介质，采用ANSYS软件中的Workbench模块，对资源环境植物系统中的能量和物质流动进行了分析，从系统的角度来研
13、究其中的几个热物理问题，即模拟土壤中的温度场和湿度场。首先，从连续介质力学的观点，建立了描述土壤中热湿迁移的物理模型和数学模型；其次，将实验数据与用所建模型模拟出来的结果进行比较对照，以验证所建立模型的正确性；最后，根据风吹、日晒、雨淋三种情况，分析了土壤中水分、热分布情况，分析时主要从以下两个方面进行：第一、在恒定环境条件下进行了非稳态的数值模拟分析，得到了土壤中的温度场和湿度场；第二、在不同的外界环境条件下，分析了土壤内部温度和水分的分布情况。土壤中温度数值模拟的结果显示：在一定的环境温度下，经过一定的时间，土壤中的温度梯度会趋于恒定，同时在同一土壤深度处温度保持基本稳定；在外界温度高于土
14、壤温度情况下，随着外界环境温度升高或者风速增大，由于对流换热系数的增大，土壤中温度也升高，当土壤温度高于环境温度时结果正好相反；土壤中温度变化明显区域主要集中在土壤表面及近表面处，土壤较深处温度变化不是特别明显。土壤中湿度数值模拟的结果显示：在蒸发条件下，土壤中的含水率会不断减少，经过一定时间，会出现干饱和土壤层，水分蒸发面从土壤表面下移，此时土壤中的湿度梯度与温度梯度方向相反；在下雨条件下，土壤中含水率会明显增加，土壤表面附近会接近或达到饱和状态，由于水导率较小，土壤较深处并不会达到饱和状态。关键词：日晒，风吹，雨淋，模拟，土壤多孔介质，热质迁移Numerical Simulation of
15、 The Process of Heat and Mass Transfer in Porous Medium SoilABSTRACT Soil is one of the most basic human production and living environment, is a typical porous media. Transfer of matter and energy transfer in natural soil is widespread, at any point in the soil mass transfer and heat (wet) migration
16、 interrelated, interaction, thus forming a soil water movement based complex heat and mass transfer system. Has the important guiding sense and the comprehensive utilization of soil of shallow buried alluvial plain of groundwater, is conducive to the promotion of comprehensive utilization of resourc
17、es theory and the environment of water and soil resources plant circulating system, efficient agricultural services. In this paper, based on the soil porous media, using Workbench module of ANSYS software, the resources and energy and material flow environment plant system are analyzed, some problem
18、s to study the thermal physics from the point of view of system, the simulation of temperature field and humidity field in soil.First of all, from the viewpoint of continuum mechanics, a physical model and a mathematical model to describe the heat and moisture transfer in soil; secondly,the experime
19、ntal data and the model simulation results compared to the control,to verify the correctness of the model; finally, according to the wind, sun, rain,three, analysis of the distribution of soil moisture, heat, analysis mainly from the following two aspects: first, under constant environmental conditi
20、ons were simulated numerical analysis of non steady state, the temperature field and humidity field in soil; second, in different environmental conditions, analysis of the distribution of the soil temperature and water. Results the soil temperature numerical simulation show: under certain temperatur
21、e, after a certain period of time, the temperature gradient in soil tends to a constant, while maintaining the basic stability in the same soil depth in soil temperature; temperature outside temperature is higher than the lower, with the outside environment temperature or wind speed increases, the c
22、onvection. Heat transfer coefficient, the soil temperature increases, when the soil temperature is higher than the ambient temperature on the contrary; temperature changes in the soil were mostly concentrated in the soil surface and near surface soil depths, temperature change is not particularly ev
23、ident. The results of numerical simulation of soil moisture shows: in the condition of soil moisture evaporation, the ratio will continue to decrease, after a certain time, will appear dry soil layer, water evaporation from the soil surface downward, moisture gradient and temperature gradient in soi
24、l at the opposite direction; in rainy conditions, soil moisture content significantly increasing the soil near the surface,close to or reached the saturated state, because the rate of small water guide,soil depths and does not reach saturation state.KEY WORDS: the sun, the wind, the rain, simulation
25、, soil porous media, the heat and mass transfer1 绪论 1.1 课题研究背景及意义土壤是农业的基础，而农业是我国国民经济发展的基础，人民的生活极大地依赖于农作物的产量。作为一个人口基数庞大，人口数量增长迅速的发展中国家，中国所拥有的 13 亿人口给资源、环境与经济的发展带来了巨大压力。从目前来看，尽管我国早已基本解决了粮食的自给自足，但随着人口的增长，粮食问题仍然是摆在我们面前的一个大问题，农业的发展仍然是影响国家社会经济健康发展的重要课题。而制约我国农业健康发展的关键问题是如何处理好农业与环境，农业与资源之间的关系。土壤是人类最基本的生产资料和
26、生存环境之一，也是一种典型的多孔介质。自然界土壤中物质和能量的迁移传递现象十分普遍，土壤中任一点的热量传递和物质(湿分)运移相互关联、相互作用，从而形成一个以土壤水运动为基础的复杂的热质传递系统。土壤的研究对地下水埋藏较浅的冲积平原的综合治理及利用具有重要的指导意义，有利于促进 SPAC循环系统的理论研究和水土资源的综合利用，为高效农业服务。田间土壤水、热、盐运移相互影响，同步发生，其运动过程的研究相当复杂和困难。本世纪中叶以来，国内外学者对土壤中水、热、盐同步运移的有关问题做了大量研究，并从理论上发展了各种模型以描述其运动与影响因素，使本领域的研究有了较大的发展。地资源的匮乏和水资源的不足是
27、制约我国农业持续健康发展的不利因素，如何合理调配自然资源，增加粮食产量，提高农业生产效率是今后农业科学以及相关科学领域研究的重点。影响植物的生长和产量的环境因素主要有三类：（a）决定潜在产量的因素，如光照、温度、CO2；（b）限制生产的因素，如水分和养分；（c）减缓生长的因素，如病虫害。为了进一步提高农产品的产量和质量，在加大对农作物遗产基因方面的研究力度，努力培育高产、抗病虫害的粮食作物的同时，还应从科技进步上下功夫，定量地研究资源和环境对植物生长的影响，大力发展节水农业。从热物理的角度来考虑，水分和温度是决定作物生长状态和产量的主要因素，而植物的生长环境则包括： 一是植物根系获取水、热、气
28、资源的土壤环境(地下环境); 二是作物与外界交换物质和能量的大气环境(地上环境)。于是，资源（Resource）、环境（Environment）和植物（Plant）构成了一个集成系统（System）REPS 系统，如图 1-1 所示1。在 REPS 系统中，资源、环境和植物之间是相互作用、相互依赖的。以水资源为例：生长于不同土壤水分环境中的作物的根和冠的状况是不同的。土壤水分充足，根系就会相对发达，植物生长茂盛，光合作用加强，产量就会相应增加。同样，如果较长时间得不到灌溉或降水的补充，蒸发会耗尽土壤表层孔隙内的水分，在土壤表面形成一干土层（干饱和土壤层）。此时水分蒸发锋面由土壤表面下移到土壤内
29、部，蒸发强度明显降低，主要由蒸汽向空气的扩散能力所控制，并与干饱和层的厚度有关。干饱和层使得土壤内的热、湿迁移规律发生较大变化，间接影响着植物根冠的生长和农作物的产量。图1-1 REPS系统示意图 除此之外，随着农业的发展，大棚蔬菜和水果也随处可见。但是培育大棚蔬菜和水果需要较好的环境条件，因为适宜的环境条件有利于植物根系吸收土壤中的养分，有利于植物进行光合作用，所以环境条件也在很大程度上决定了大棚蔬菜和水果的产量，尤其是土壤温度和水分，如果土壤中的温度或者水分不合适，会大大影响植物的产量，甚至会影响植物的正常生长。因此，为了有利于蔬菜果树等植物的良好生长，对植物生长所需的适宜温度和水分进行研
30、究是很有必要的。总之，适宜的土壤温度和水分不仅对自然界植物生长和自然界循环系统有很重要的作用，而且对大棚蔬菜水果等农产品的产量影响也起到了决定性作用。因此，对土壤温度和水分研究具有重要意义。1.2 课题研究现状2-3土壤中水、热、盐运移相互影响，同步发生，其运动过程的研究相当复杂和困难.本世纪中叶以来，国内外学者对土壤中水、热、盐同步运移的有关间题做了大量研究，并从理论上发展了各种模型以描述其运动与影响因素，使本领域的研究有了较大的发展。1.2.1 土壤中水、热、盐运移的研究及其相互关系（1）、水、热运移的研究及相互关系 在干旱、半干旱地区，温度梯度对土壤水分运动有较大的影响。在无盐碱化影响的土壤中，土壤中水分运动是在水、热梯度共同作用下进行的。水分运动加速土壤中热分子的扩散和对流；反过来，土壤中的热运动促进水分运动的进行。 Philip等（1957）提出了一种考虑水、热梯度共同作用下土壤水两相流（液、汽相）运动模型，Taylor等（1964）根据不可逆热力学理论，提出只考虑水通量对热通量计算产生影响作用的线性流动方程，Cassel等（1960）在实验室中对此两理论模型进行了验证，认为Philip等（1957）的模型在低水分的细砂壤土中，水分通量的计算值与实测值较一致，而Taylor等（1964）模型则低估了水分运动；Jackso
