[發明專利]一種土壤熱濕耦合模型試驗相似準則的建立方法

有效

• 申請號: 202010445518.1
• 申請日: 2020-05-24
• 公開（公告）號: CN111579434B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發明（設計）人: 劉聯勝;畢研策;劉軒臣;王曉雪;劉宜霖;姜靜華;楊華;任鍵林
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 付長杰;張國榮

1.一種土壤熱濕耦合模型試驗相似準則的建立方法，其特征在于，該方法以土壤熱物性參數之間的非線性關系，基于相似第三定理設計思想，利用相似轉換法推導出了土壤熱濕耦合試驗模型與試驗原型之間的相似準則；該方法包括以下步驟：

S1、在熱濕耦合作用下，土壤垂直一維水分運動基本方程表示為式(1)：

式中：D_T為溫差作用下的水分擴散系數，D_W是水分和水汽擴散系數，θ為土壤含水率，t為時間，T為溫度，k為土壤導水率，z為土壤深度；

在熱濕耦合作用下，土壤的熱傳遞基本方程可表示為：

式中：C_V為土壤熱容量，λ為土壤導熱率，L為水蒸發潛熱，D_W/V為水分運動所引起的熱擴散率；

其中，土壤導熱率λ、土壤熱容量C_V與土壤含水率θ的函數關系滿足公式(3)和(4)：

C_V＝θ+Dε+E (4)

式中：A、B、C、D、E均為擬合常數，ε為土壤孔隙率；

水分和水汽擴散系數D_W的經驗公式為式(5)，溫差作用下的水分擴散系數D_T的經驗公式為式(6)：

D_W＝0.0004e^0.14611θ (5)

D_T＝6×10^-16T^5.9146 (6)

S2、基于相似變換法進行相似準則的推導；定義式(1)-(4)中試驗原型與試驗模型各個參數的相似變換滿足式(7)，即對應參數成比例；

式中，p表示試驗原型的物理量；m表示試驗模型的物理量；K表示試驗原型與試驗模型對應系數的縮比，其中K_A、K_B、K_C、K_D、K_E為式(3)和式(4)中對應擬合常數的縮比；K_θ為土壤含水率縮比，為溫差作用下的水分擴散系數縮比，是水分和水汽擴散系數縮比，K_L為水蒸發潛熱縮比，為水分運動所引起的熱擴散率縮比，K_l為幾何尺寸縮比，K_t為時間縮比，K_T為溫度縮比，K_k為土壤導水率縮比，K_ε為土壤孔隙率縮比；

將式(3)、(4)、(7)分別代入式(1)、(2)整理后可得試驗原型的水分運動基本方程和熱傳遞基本方程分別為式(8)和(9)，試驗模型的水分運動基本方程和熱傳遞基本方程為式(10)和(11)：

根據相似第三定理可得，試驗原型與試驗模型之間的水分運動基本方程和熱傳遞基本方程對應相等，即公式(8)和(10)相等，公式(9)和(11)相等，則得式(12)的9個相似指標式：

根據上述的9個相似指標式，進一步整理得到以下9個相似準則數π₁-π₉：

由上述推導結果得出，試驗模型與試驗原型各物理量之間的相似準則數之間存在的關系，建立試驗原型與試驗模型之間的9個相似準則；在實際應用過程中，若得知試驗模型其中的幾項相似準則數，則試驗模型其他的相似準則數即能得到。