증발에 대기 강제력의 효과를 탐구 : 대기 경계층과 얕은 표면 하의의 실험 통합

증발에 대기 강제력의 효과를 연구하기 위해 작은 기후 제어 풍동에 인터페이스 토양 탱크의 설계 및 구성에 대한 프로토콜이 제시된다. 토양 탱크 및 풍동 모두 환경 조건 인 시츄 측정을위한 연속적인 센서 기술로 계측된다.

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.

땅과 대기 사이의 상호 작용을 이해하는 것은 토양의 지질 학적-격리 된 탄소 이산화탄소의 누출, 기후 변화, 물, 식량 공급, 지뢰의 정확한 검출 많은 현재 세계의 문제에 대한 우리의 이해에 가장 중요하고, 지하수의 정화 토양. 또한, 글로벌 및 지역의 기상 조건을 구동 열과 물 차 교류 지구 표면에서 발생한다. 주로 대기 - 육지 표면의 상호 작용 ^(1)과 관련된 프로세스에 의해 구동된다 (O, 가뭄 등의 예를 들면, 허리케인, 엘니뇨 & # 241)가 많은 날씨와 기후 현상. 지구 육지 표면의 절반 이상이 건조 또는 정확하게 대기하고 토양 표면 사이의 열 및 물 교환에 기초하여 이들 영역에서의 물 순환을 기술 ^2-4 반 건조 바와 대한 이해를 향상시키는 중요한 상기 문제,특히 확장 된 가뭄과 사막화에 취약한 지역에서. 그러나 연구의 수십에도 불구하고, 여전히 얕은 지하과 분위기 ⁵ 상호 작용하는 방식을 현재의 이해에 많은 지식 격차가 남아있다.

토양에서 액체 물, 수증기, 및 열을 포함하는 전송 프로세스는 동적 강하게 토양과의 상호 작용에 대한 결합 및 경계 조건 (즉, 온도, 상대 습도, ​​열 복사)을 적용한다. 숫자 열 및 물질 전달 모델은 일반적으로 인해 시험과 높은 공간적 해상도 데이터의 소수 인한 기존 이론 정련 부족 부분에 지나치게 단순화하거나 이러한 복잡성들을 간과. 모델 검증을 위해 개발 된 데이터 세트는 종종 제대로 수입을 고려하지 않은 수치 모델의 결과로, 제대로 이론을 테스트하는 것이 중요 대기 또는 지하 정보가 부족하다개미 프로세스 또는 조정 또는 모델에 장착되어 제대로 이해 파라미터의 사용에 의존한다. 이 방법은 널리 인해 사용의 단순하고 쉽게 사용하고 많은 장점을 보여 일부 응용 프로그램에서 가지고있다. 그러나,이 접근법은 더 나은 검사 열 및 물 ^(6)의 이론 전달 능력이 과도 조건에서 제어 실험을 수행하여 이러한 "집중 매개 변수화"뒤에 물리학 이해에 의해 개선 될 수있다.

실험실에서주의 실험은 정밀 데이터 세트 이후 수치 모델의 유효성을 확인하는 데 사용할 수 생성 할 수 있습니다. 필드 사이트에서 사용할 데이터는 종종 얻을 불완전하고 고가이며, 제어의 정도는 처리의 기본적인 이해를 얻기 위해 및 모델 검증을위한 데이터가 일부 경우에 불충분 함이 고려 될 수있다 생성 할 필요가 있었다. 토양 증발과 같은 자연 현상의 실험실 실험은 ATMOS 수 있습니다pheric 조건 (즉, 온도, 상대 습도, ​​풍속) 및 토양 조건 (즉, 토양 형, 기공, 구성, 포장은) 신중하게 제어 할 수 있습니다. 토양 증발과 토양 열 수력 특성을 연구하는 데 많은 실험실 기술은 파괴적인 샘플링 ^7-10을 사용합니다. 파괴 샘플링 방법은 토양 시료 과도 거동의 측정을 막고 토양의 물리적 특성을 방해, 위치 데이터를 획득하기 위해 압축 해제 될 것을 요구하고; 이러한 접근 방식은 데이터에 오류 불확실성을 소개한다. 비파괴 측정, 여기에 제시된 방법과 같은 토양 특성의 상호 의존성의 더 정확한 결정과 연구를 위해 허용 ^(11)을 처리합니다.

본 연구의 목표는 대기압에서의 변화 및 ​​표면 상태의 영향에 관한 높은 시공간 해상도 데이터의 생성을위한 토양 탱크 장치 및 연관된 프로토콜을 개발하는 것이다베어 토양 증발. 이 작업을 위해, 일정한 바람의 속도와 온도를 유지할 수있는 소형 풍동은 토양 탱크 장치와 인터페이스된다. 풍동 및 토양 탱크는 자율적이고 연속적인 데이터 수집을위한 첨단 센서 기술의 상태의 제품군을 계측한다. 풍속 압력 변환기에 부착 된 스테인리스 피토 정전기 튜브를 사용하여 측정된다. 온도와 상대 습도는 센서의 두 가지 유형을 사용하여 대기 중에서 모니터링된다. 상대 습도 및 온도는 토양 표면에서 모니터링된다. 지하 측정 토양 수분과 온도 센서. 탱크 장치의 무게 측정 물의 질량 균형을 통해 증발을 결정하기 위해 사용된다. 이 실험 장치 및 프로토콜의 적용 성을 입증하기 위해, 우리는 가변 풍속 조건에서 베어 토양 증발의 예를 제시한다. 잘 특성화 된 모래로 균일하게 포장 된 토양 탱크는, 처음에 완전히 SA했다(즉, 온도, 풍속) turated 조심스럽게 제어 대기 조건 하에서 자유롭게 증발하는 것을 허용했다.

주 : 실험실 테스트는 기후 제어 풍동 장치와 인터페이스 이차원 벤치 스케일 탱크를 사용하여 수행된다. 벤치 규모의 탱크와 풍동 모두 다양한 센서 기술을 계측한다. 다음 프로토콜은 제 풍동 논의 모두의 계측 하였다 건설 토양 탱크의 제조에 대해 논의한다. 제시 탱크 치수 풍동 치수, 센서의 수, 및 센서 기술 유형은 특정 실험 장치의 요구에 적합하도록 변형 될 수있다. 아래 제시된 프로토콜은 실험적 베어 토양 증발에 풍속의 영향을 연구하기 위해 사용되었다.

1. 건설 및 다공성 미디어 토양 탱크의 제조

1. 다섯 개별 창으로 1.2 cm 두께의 아크릴 유리의 큰 조각을 잘라. 내부 길이, 폭 25의 높이, 9.1 55cm, RESP와 오픈 얹어 토양 탱크에이 창을 조립ectively. 아크릴 유리는 지하에있는 프로세스가 육안으로 관찰 할 수 있습니다.
2. . 그림 1과 같이 두 개의 큰 유리 창 (길이 25cm, 높이 55cm)에 각각 25cm로 25cm 인 5 × 5 격자 그리기 그리드 내에서 각 사각형 25cm ^2의 영역이 있는지 확인 (그림 1). 그리드는 토양 탱크 내의 공간을 적절하게 센서에 사용된다.

도 1 : 실험 셋업 (치수 센티미터) 사용 토양 탱크의 개략도 정면도 및 측면도 (a) 스물 다섯 5cm X 5cm 이루어진 그리드 시스템을 표시 토양 탱크의 정면도. 사각형입니다. (b) 토양 탱크의 측면도로서 FUNC 설치된 온도, 상대 습도, ​​토양 수분 센서 네트워크를 도시깊이의 기. 회로도는 비율로 그려되지 않습니다.

3. 대형 유리 평면 중 하나에서, 스물 다섯 1.9 cm (¾ 인치) 토양 수분 센서 직경 홀의 총 드릴.
   1. 두 접하는 사각형의 구멍의 중심이 5cm 떨어져 있도록 단계 120에서 설립 그리드의 모든 정사각형의 중심에 각각 구멍을 드릴; 구멍의 제 1 세트는 탱크의 상부 아래 2.5 cm이다. 새로 생성 된 구멍의 각에 스레드를 잘라 적절한 크기 탭을 사용하십시오. 센서 사이 5cm 간격은 각각의 센서는 센서의 다음으로 가장 가까운 샘플 볼륨의 외부에있는 것을 보장한다.
4. 이와 유사하게, 드릴 단계 1.2 동안 생성 된 각 격자 상자의 중앙에 이십오 0.635 cm (¼ 인치) 직경의 구멍의 총을 누릅니다. 각 구멍의 중심이 2.5 cm 토양 탱크의 맨 아래에있는 구멍의 첫 번째 행에 5cm 이격되어 있는지 확인합니다. 센서 사이 5cm 간격은 각 S 보장ENSOR은 다음으로 가장 가까운 센서의 샘플링 체적의 외부이다.
5. 탱크, 드릴의 하위로 사용되는 아크릴 창에서 창 중간에 하나의 ½ 인치 직경의 구멍을 누릅니다. 유리의 내부면에 걸쳐 구멍 (이용되는 테스트 토양보다 미세한) 메쉬 스크린을 붙인다. 바닥면의 외측에 조절 밸브가가요 성 호스에 연결되어 90 ° 엘보를 설치한다. 이 밸브와 배관이 실험의 종료시 또는 일정한 수면 깊이를 일정하게 유지하기위한 헤드 장치를 설치하는 방법으로 탱크로부터 물을 배출하기 위해 사용된다.
6. . 해양 등급의 접착제 또는 첨부 그림 1과 같이 함께 탱크를 밀봉 유사한 방수 폴리머 접착제를 사용하여 접착제가 하루 동안 치료하도록 허용합니다.
7. lengt 기반으로 주사기 Z- 추적 injection.Size 1.2 cm 두께의 아크릴 유리의 두 개의 추가 조각을 부착, 지상 떨어져 탱크를 올리고 90도 팔꿈치위한 공간 (그림 1)를 만들려면탱크의 바닥에 H 12cm, 높이 5cm.

2. 건설 및 기후 제어 풍동의 준비

1. 8.5 cm의 폭, 26cm의 높이를 갖는 직사각형 아연 도금 강판 덕트 재료로 풍동 215cm 긴 상류 부 구축. 폴리스티렌 절연 덕트의 외부를 둘러싸고 있습니다.
2. 상대 습도는 온도 센서의 삽입 풍동의 상류 부의 하류 출구 근처 덕트 라인의 측면에 작은 구멍을 뚫는다 (도 2).

그림 2 :. 탱크, 덕트, 센서 그리드 (치수는 센티미터에) 포함하여 전체 실험 장치가 결합 된 풍동 및 토양 탱크 장치의 실험 셋업을 완료합니다. 풍동은상승과 토양 탱크의 표면과 같은 높이 앉아있다. 토양 탱크는 하부 표면과 대기의 다양한 변수를 측정하는 데 사용되는 센서 네트워크로 계측된다. 그리드 원은이 센서를 삽입하는 위치를 나타냅니다. 가열 제어 시스템 및 인라인 덕트 팬은 각각, 온도 및 풍속을 제어하기 위해 사용된다. 피토 정전기 튜브 풍속을 측정하는 데 사용된다. 전체 장치는 실험 동안 질량 밸런스를 얻기 위해 가중 규모에 앉는다. 회로도는 비율로 그려되지 않습니다.

3. 풍동의 상류 부분의 길이를 따라 평행하게 반사기 내에 배치 다섯 세라믹 적외선 가열 소자를 설치한다. 적외선 온도 센서에 의해 조절하는 온도 제어 시스템, 적외선 가열 요소를 연결한다.
4. 각각 25cm와 26cm의 길이와 높이와 두 1.2 cm 두께의 아크릴 패널 중 풍동의 중간 부분을 구축합니다.도 2에 도시 된 위치에서의 온도 및 / 또는 습도 온도 센서를 삽입 중앙부 패널 중 하나에 두 0.635 cm (¼ 인치) 직경의 구멍을 뚫는다.
   1. 토양 탱크의 측벽의 상부로 아크릴 패널을 고정 (즉, 크기 25cm X 55cm와 패널), 강한 접착 테이프를 이용하여 풍동 토양 탱크 패널은 서로 같은 높이로 보장.
5. 단계 2.1에 기재된 방법과 동일한 크기의 직사각형 덕트 재료로 풍동의 하류부의 제 50cm 구축. 종단 측면에서, 170cm의 길이가 15.3 cm 직경 원형 덕트에 직사각형 덕트 물질을 줄일 수 있습니다. 아연 도금 강판 댐퍼를 설치, 바람의 속도 제어에 원조를위한 원형 덕트의 먼 하류 끝에서, 바람의 속도를 조정합니다.
6. 단계 2.2에서와 같이,에 대한 입구 근처 직사각형 덕트의 하류 측에서 하나 0.635 cm 직경의 구멍을 뚫상대 습도는 온도 센서의 삽입. 풍동의 중심선을 따라 직사각형 덕트의 상단에서 제 0.635 cm 직경의 구멍을 뚫는다.
7. 원형 덕트의 중간에 인라인 덕트 팬을 장착합니다 (즉, 단계 2.4에 설명 감소 하류 85cm) 지향은 풍동의 하류 부분에서 공기를 배출합니다. 회전 수의보다 정확한 제어를위한 그 결과 풍속 등의 가변 속도 컨트롤러와 팬을 인터페이스입니다.
8. 올리고 풍동 장치를 확보하기 위해 용접 재료 및 가변 선반 유닛을 사용한다. 상류와 하류 배관의 바닥은 흙 탱크 (그림 2)의 상단 높이가 있는지 확인합니다.

센서 3. 설치

1. 토양 탱크 내에 설치하기 전에, 나사 NPT 하우징 내의 각각의 토양 수분과 온도 센서를 고정 (1.9 cm와 0.635 cm의 각각 하우징) 및 SE깜박이는 실란트와 알은 수분 침입을 방지합니다. 그들이 어떤 센서 내에서 전자 공학을 방해 할 수있는 실리콘 기반의 실란트 제품을 사용하지 마십시오. 약 1 주일의 센서를 치료.
2. 앞서 토양 탱크 설치, 사카키 외. ^(12)에 의해 개발 된 두 지점 α 혼합 방법에 따라 토양 수분 센서를 교정.
3. NPT 스레딩과 아크릴 유리 사이에 더 나은 밀봉을 제공하기 위해 탱크에 설치하기 전에 배관공 테이프와 각 NPT 하우징의 스레드를 감싸.
4. 가로 단계 1.2에서 논의 된 위치에서 탱크의 벽을 통해 25 토양 수분과 온도 센서들 각각의 전체를 설치한다. 케이블 내의 내부 배선에 손상을주지 않도록 NPT 장착 / 하우징과 동기화 센서 케이블을 트위스트. 과잉 토크 NPTs 깨지는 것을 방지하기 위해 유리하지 않는 정도로. 그 지정 데이터에 토양 수분 센서와 온도 센서를 연결로거.
5. 탱크의 최첨단 2.5, 12.5 및 21.5 cm의 거리에서 토양 표면에 3 상대 습도 온도 센서를 설치합니다. 상대 습도 수치가 토양 표면보다는 주변 공기의 조건을 반영되도록 토양 표면과 잘 접촉 센서를 놓는다. 데이터 로거에 센서를 연결합니다.
6. 분위기에 필요한 공기의 온도 및 상대 습도 측정을 얻기 위해서는, 풍동의 상류 및 하류 섹션뿐만 아니라 패널을 천공 구멍을 이용하여, 풍동의 자유로운 흐름 부분에서 상대 습도 온도 센서를 설치한다.
7. 하류 풍동 섹션 상단에 드릴 0.635 cm의 구멍을 통해 토양 탱크의 직접 하류 피토 정전기 튜브를 설치합니다. 섹션의 바닥에서 13cm의 높이에서 피토 정전기 튜브를 잡고. 차동 압력 변환기에 피토 정전기 튜브를 연결합니다.
8. Calibrat차압 변환기 전자. 정체과 정압의 차이로 정의되는 피토 튜브 정전기 대책 동압. 압력 차이는 전압 차와 압력 트랜스 듀서에 의해 해석된다.
   1. 없는 흐름 조건에서 전압 (전압이 0 거의 동일해야 함) 및 알려진 동적 압력의 흐름을 측정; 이 선형 관계가 동적 압력과 전압 사이에 설정 할 수 있습니다. 베르누이의 식을 적용하여 풍속을 결정 :
      (1)
      V (m / 초)이 풍속, P의 _동적 (PA) 인 동적 압력 및 ρ (kg / m ³⁾ 여기서 공기의 밀도이다.
   2. (1) 다른 측정 장치와 수학 식을 이용하여 계산 속도를 비교한다. 여기서, 피토 정전기 튜브 차압 TRA 비교레이저 도플러 유속계 (LDV) ± 0.01 m / 초의 정확도를 가지고 측정을 nsducer.
      채용 센서 및 관련 샘플링 주파수의 요약은 표 1에서 찾을 수 있습니다 센서 사양 및 기타 정보는 동봉 된 재료 / 장비 목록을 참조하십시오. 참고.

표 1 : 본 연구의 실험 부분에 사용되는 센서의 개요.

4. 토양 탱크 팩과 실험의 시작을위한 준비

1. 토양 탱크 포장에 앞서, 누설 테스트를 수행하여 무결성을 테스트한다. 물 탱크를 채우고 구조 또는 센서의 누출이 개발되지 않았는지 확인하기 위해 4-6 시간 동안 기다립니다.
   1. 누수가 개발하는 경우, 탱크 드레인은 밤새 건조하자 같은 M을 사용하여 누수를 해결원래 건설 중에 사용 arine 접착제. 새는 개발 없으면 토양 탱크 드레인 아래의 단계를 준비​​.
2. 장소에 센서를 탱크의 총 부피를 결정합니다. 조심스럽게 첨가하는 물의 양을 기록 할 확인한 눈금 실린더를 사용하여 물 탱크를 채우기. 단계 4.5에서 사용 cm3에 기록 된 전체 볼륨을 변환합니다.
3. 토양 탱크 팩을 건조 토양을 얻습니다. Smits는 별도로 외에서 논의 된 방법에 따라 선택된 토양의 유압 및 열적 특성을 특성화. ¹¹
4. 조심 토양 및 탈 이온수를 사용하여 토양 탱크 습식 팩.
   1. 토양 탱크 습식 팩을 먼저 탱크에 물을 약 5cm를 붓는다. 천천히 2.5 cm 깊이 단위로, 특종을 사용하여 탱크에 물에 건조 토양을 추가합니다. 토양 포장의 기공율을 산출 할 수 있도록 각각의 리프트 동안 첨가 모래의 중량을 기록한다.
   2. 완료되면각 층의 반복에 걸쳐 균일 한 벌크 밀도를 얻기 위하여, 고무 망치, 100-200 번을 이용하여 탱크 벽을 탭. 도청 동안, 센서 및 센서 와이어와의 접촉을 피하십시오. 민감한 센서 네트워크 손상되지 않도록 진동 장치의 사용은 피해야한다.
5. 각각의 토양 층의 가중치를 함께 합산, 탱크 패킹이 완료되면 토양의 총 질량을 얻는 (단계 4.4 참조). 토양의 부피 밀도가 총 질량을 나누어 모래의 양을 결정하는 (예를 들면 석영 모래의 벌크 밀도가 2.65 g / cm ³⁾ (V _s를 ³ cm). 에 따라 탱크 내의 토양 공극률 (η, m ³ / m ^3)을 계산 :
   (2)
   여기서 (V _T, m ³⁾ 4.2 단계에서 결정된 빈 탱크의 총 부피이다.
<실험이 증발의 발병을 방지하기 위해 시작할 준비가 될 때까지 탱크가 완전히 충전되면 리>, 같은 탱크를 통해 사란 랩 등의 플라스틱 커버를 배치합니다.
6. 차례로 증착 속도를 계산하는 데 사용될 수있다 누적 수분 손실을 모니터링 가중 규모에 탱크를 배치.
7. 물의 밀도 및 증발면의 단면적의 곱에 의해 시간당 중량 손실 나눈 시간당 증발 속도를 계산한다.

5. 실험을 시작하고 데이터 수집을 시작합니다

1. 셋업이 완료되면, 원하는 대기 조건 (즉 온도, 풍속)을 결정한다. 데이터 로거 및 기타 데이터 수집 시스템이 올바른 샘플링 간격 (예를 들어, 매 10 분)로 설정하고 설정되어 있는지 확인합니다.
2. 팬과 온도 제어 시스템을 시작합니다. 기후 조건 (S)의 표면에 플라스틱 커버를 제거하기 전에 평형화 허용오일 탱크. 원하는 시간 (예를 들어 15 일간)을위한 실험을 실행.

여기에 제시된 실험의 목적은 베어 토양에서 증발에 바람 속도의 효과를 연구하는 것이었다. 본 연구에 사용 된 시험 토양의 주요 특성을 표 2에 요약되어있다. 일련의 실험되는 토양 표면 (즉, 바람의 속도와 온도)에서 다른 경계 조건 (표 3)를 적용한 실시 하였다. 다른 풍속과 온도에서 네 실험이 수행되었지만, 여기에 제시된 실험 결과 대부분 1.22 m / sec의 풍속이다. 누적 증발 데이터는 네 가지 실험에 도시된다.

표 2 : 사용 실험 테스트 토양의 주요 특성.

표 3 : 실험 풍속을 적용.

시간 종속는 토양 표면에서 측정 된 상대 습도와 온도를도 3에 나타내었다. 상대 습도 전에 가파르게 0.35 안정된 상대 습도 값 인 이상, 다음 4 일 동안 감소 약 2 일 동안 주변에 0.80 비교적 일정하게 유지 획득. 토양 표면의 온도가 안정하기 전에 네 일에 걸쳐 증가하는 경향을 나타낸다. 이러한 경향은 네 개의 모든 실험에서 관찰하고 설명 할 수있다토양 건조 약관. 시간이 지남에 따라 본 적은 수증기가 있기 때문에 상대 습도 증착 속도의 저하와 함께 감소한다. 때문에 프로세스 증발 가능한 물 감소 (즉, 증착 속도는 감소) 등의 온도 상승이 더 이상 토양 표면을 냉각 없다. 3 일 동안, 하류 공기의 상대 습도로 인해 상류 증발로 인한 더 수증기의 존재 상류 공기보다 높았다. 이러한 경향 때문에 토양 표면과 접촉을 잃는 상류 센서 나중에 대부분 역전되었다; 센서 케이블의 유연성이 때때로 판독 습도 변화, 토양 표면으로부터 센서를 당긴다. 하류 측정 상대 습도는 탱크의 제 21.5 cm 따라 증발 공정이 공기 중에 존재하는 수분의 양이 증가하기 때문에 상류 측정보다 크다.

그림 3 : 토양 표면에서 측정 된 상대 습도 및 온도 (.이 수치는 Davarzani 등 ^5에서 수정되었습니다).

이 실험에서 자유 유동 공기 온도는 전술 온도 제어 시스템을 사용하여 40 ° C의 일정 값으로 설정 하였다. 토양 표면 위 8.5 cm의 높이에서 시간에 따른 온도 및 자유 유동에서 공기의 상대 습도는,도 4에 도시되어있다. 온도 관측 일주 변동에 응답하여 히터 출력의 변동에 기인 온도 제어 시스템을 조절하는 적외선 온도 센서가 측정 한 온도는 (단계 2.3 참조). 설정 온도 값 적외선 온도 센서를 설정하여, 원하는 경우, 일주 변동은 회피 할 수있다. 대기의 차이탱크의 길이를 따라 온도는 증발 냉각 (도 4)의 결과이다.

그림 4 : 상대 습도와 온도 상류 7.5 cm 토양 표면 위에서 측정 및 탱크의 하류는 (.이 수치는 Davarzani 등 ^5에서 수정되었습니다).

도 5a에서, 시간 종속 토양 온도는 2.5 cm, 7.5 cm 및 토양 표면뿐만 아니라 주위 온도 아래 12.5 cm의 깊이에 대해 도시되어있다; 센서 식별을위한 그림 1을 참조하십시오. 도 5a에서 보는 바와 같이, 표면 온도와 바람의 속도가 더 깊이에 로컬 온도에 덜 영향력 -. 12.5 센티미터 이하의 깊이에 영향을 보여주는 5B 그림은 AF로 온도를 보여줍니다2.5 cm의 깊이에 위치하는 센서에 대한 세 시간 접합부. 자유 유동 온도는 항상 전방 (도 4)보다 상류 때문이다 하류 센서 (1)보다 더 높은 온도를 나타내는 상류 센서 (5)와이 깊이에서의 온도 센서에 약간의 차이가있다. 이후에 도시되는 바와 같이, 온도 차이는 토양 탱크 비대칭 포화 프로파일을 초래한다.

(B)

도 5 : 시간의 함수로서 측정 토양 온도의 진화 (a) 수직으로 탱크와 (b)의 가로 2.5 cm 깊이 (AT이 도면은왔다 후 변형의 중간에Davarzani에서 ED 등. ^5).

도 6a는 2.5, 7.5, 12.5, 17.5 cm의 토양 깊이에서 시간에 대한 시간에 따른 채도를 나타낸다. 12.5 cm보다 큰 깊이를 들어, 채도는 실험 기간 동안 100 %로 유지; 토양 표면에 근접하지만, 시간이 지남에 따라 채도 감소. 도 6a에 도시 된 포화 증발 다른 단계에 관련 될 수있다 (즉, 단계 I과 단계 II), 증발 속도의 차이에 의해 정의 된, 건조 앞의 위치 및 지배적 반송기구 ^(14). 중력과 점성 힘이 모세관 힘을 지배하기 시작 단계 나 증발하는 동안, 건조 앞이 빠르게 떨어져 토양 표면에서 후퇴. 이것은 2.5 cm의 깊이에 대응하는 토양 수분 센서의 첫번째 행함으로써 토양 채도 감소에 의해 측정 된 첫날에 관찰된다. 1 일, 속도로 건조 앞 공동 후7.5 cm (도 6a)의 깊이에 위치 센서 6-10 대한 포화 곡선 형상으로 완만 같이 ntinues는 감속을 후퇴. 이 증기 확산 제한 스테이지 II 증발 증발의 전환을 표시합니다. 스테이지 II의 초기 부분은 종종 하강 속도 기간 ^{15 ~ 17이라고합니다.} 건조 프론트가 12.5 cm의 깊이에 도달 결국 포화 곡선이 평평하고 약간의 변경 (예를 들어, 센서 (13))에 의해 3 일째.

(B)

도 6 : 측정 된 표면 하의 토양 포화 시간 진화 (a) 수직 방향의 탱크 중, (b) 가로 2.5 cm의 깊이 (에이 figur에서전자는 Davarzani 등. ^5)에서 수정되었습니다.

도 6b는 2.5 cm의 일정 깊이에있는 세 개의 센서를위한 시간 대 채도를 보여줍니다. 포화 곡선이 거의 동일한 깊이에서 탱크의 전체 길이에 걸쳐 일치한다. 약간의 비대칭 분포는 풍동의 상류 및 하류 섹션 사이의 공기 온도의 차이에 기인한다. 상류 온도가 지속적 이었기 때문에 증발을 구동하는 몇도 따뜻한, 대기 수요가 높은 것 때문에 건조 약간 빠른 속도있을 것입니다.

도 7은 시간의 함수로, 풍속, 1.22 m / 초의 평균값을 나타낸다. 풍속에서 관찰 정현파 일주 경향은 대기압과 공기 밀도 대기 조건의 변화의 결과이다. 평균 풍속 모델링 노력 하였다 diur의 효과 때문에대기 변수의 최종 변동은 본 연구의 초점이 아니었다. 그러나 이것은 그 시간 의존 데이터를 사용할 수없는 것은 아니다. 증발 실험의 시리즈의 일환으로, 네 가지의 평균 풍속을 적용 하였다 요약 표 3 참조. 본 연구의 모든 실험에서 계산 레이놀즈 수는 층류와 천이 류 체제 내에 있었다. 그러나, 잘 표면 난류 증발율 ^{(16)에 영향을} 미칠 수 있으며, 앞으로의 연구에서 해결되어야한다는 것을 알아야한다.

그림 7 : 시간에 따른 1.22 m / 초 평균 값으로 토양 표면 풍속 ^{- 1} (이 그림은 Davarzani 등 ^5에서 수정되었습니다.).

기류의 효과누적 증발에 무료 유체 영역 (즉, 분위기) 그림 8에 표시됩니다. 누적 증발이 0.50, 1.20, 3.00 및 3.60 m / sec의 네 가지 자유로운 흐름 평균 풍속 (폭스 바겐)에 대해 그려집니다. 결과 풍속 상이한 증발 단계 동안 누적 증발에 매우​​ 현저한 효과 및 수분 손실의 양을 갖는 것을 보여준다. 바람 속도를 증가,도 8에 도시 된 바와 같이 총 증발을 증가시킨다. 곡선의 기울기를 비교하여 가장 큰 영향은 초기 증발 속도이며, 여기서 1 증발 종종 높고 상대적으로 일정한 증착 속도 ^(17)에 의해 정의되고, 주로 대기 수요보다는 토양 조건에 의해 영향을 받는다 스테이지 1 스테이지로 지칭 . 풍속이 상기 3.6 m / 초 (3)으로부터 증가함에 따라, 증착 낮은 풍속에서의 변화를 관찰 하였다보다 풍속 증분 변화에 덜 종속 관계를 보여준다. 증가동시에 II ⁵ 단계로 스테이지 I에서 전이 시간을 감소시키면서 풍속 스테이지 I의 증착 속도를 향상시킨다. 증발에 풍속의 영향은 다공성 매질에 의해 주로 제어되는 스테이지 II 증발 덜 중요하다. 이 단계에서, 증발 물이 대기 수요보다는 확산을 통해 토양 표면에 전달 될 수있는 속도에 의해 제어된다.

그림 8 : 누적 증발에 다른 평균 풍속의 효과는 (.이 수치는 Davarzani 등 ^5에서 수정되었습니다).

이 프로토콜의 목적은 열에 대하여 및 물질 전달 프로세스와 토지 대기 상호 작용 연구를 위해 필요한 높은 공간 및 시간 해상도 데이터의 생성을위한 실험 장치 및 관련 절차를 개발하는 것이다. 실험 장치는 적절한 토양 및 대기 변수 (측정 용 센서의 배열이 장착 된 둘 토양 탱크와 작은 풍동, 이루어져 기술 된 예를 들면, 풍속, 상대 습도, ​​토양, 공기 온도 및 토양 수분 ). 다음은 본 연구에서 제시된 프로토콜의 가장 중요한 구성 요소의 일부이다.

탱크 치수 및 위치 센서는 특히 센서의 각 샘플 부피를 차지하면서 채용 센서의 수를 최대화하기 위해 선택되었다. 센서의 첫 번째 행으로 인해 VO로 정의 된 각 센서의 샘플 볼륨 (로 토양 표면 아래 2.5 cm이고환경 조건의 변화)이 센서 판독에 영향을 미친다 내에 센서, 주변 토양 LUME. 센서 와이어가 토양 자체 내에 있지 않도록 NPT 피팅에 배치 센서, 토양 탱크의 벽을 통해 수평으로 설치되며 모든 센서 와이어는 물 채널링 방지, 탱크의 외부이다. 온도와 토양 수분 센서의 대규모 네트워크의 설치는 이러한 변수의 수평 및 수직 분포가 좋은 공간 해상도로 측정 할 수 있습니다.

가중 규모에 토양 탱크를 배치하면 누적 수분 손실과 연관된 증착 속도는 상기 물 질량 균형 접근법을 사용하여 측정 할 수있다. 이들 값은 다음과 같은 열병합 펄스 및 Trautz 외에 채용 현열 밸런스 법 등의 다른 방법을 사용하여 얻은 증착 률과 비교 될 수있다. ⁽¹⁸⁾

appar의 풍동 부분상류 하류 및 중간 부분 - ATUS은 세 부분으로 구성되어있다. 상류 섹션이 온도 제어 시스템의 도움으로 중간 부분에 토양 탱크 위에 그려진되기 전에 공기를 가열하는데 사용된다. 풍동의 중간 섹션은 온도, 습도 측정을위한 센서 기술이 장착된다. 풍동의 하류부는 피토 정전기 튜브를 사용하여 모니터링되는 풍속을 제어하기위한 인 - 라인 덕트 팬 및 댐퍼를 포함한다.

상기 토양 탱크 풍동 장치의 적용은 증착 속도에 바람 속도의 효과 실험 사례 연구에서 증명되었다. 결과는 풍속의 증가는 증가 된 증착 속도 및 단축 스테이지 I 증발 구간에 이르게 것을 보여준다. 그러나 3m / 초 이상으로 바람의 속도를 증가, 무대 나 증발에 약간의 추가 영향을 보여줍니다. 속성 O에 의해 주로 지배 스테이지 II 증발,다공성 매질 F를 독립적으로 또는 약간 바람 속도에 의해 영향을받을 것으로 보인다.

이 실험 프로토콜은 토양 조건에서의 변화 (즉, 다른 토양 포장 구성, 식물, 및 도시 환경), 기후 경계 조건 (온도, 풍속, 침전) 또는 서브 표면 조건을 포함하는 다양한 환경 조건 (예를 들면 가변 물에 적용 할 수있다 테이블 수준). 설명 된 장치의 크기 및 배치는 센서 다른 실험의 요구를 해결하기 위해 수정 될 수있다. 상기 포장 방법은 유사하게 같은 다양한 다공성 조건으로 토양 이질성으로 포장 다른 구성을 설명하기 위해 변형 될 수있다.

저자는 그들이 더 경쟁 재정적 이익이 없다는 것을 선언합니다.

이 연구는 미 육군 연구 사무실 상 W911NF-04-1-0169, 공학 연구 개발 센터 (ERDC)와 국립 과학 재단 (National Science Foundation) 부여 EAR-1029069에 의해 투자되었다. 학부 연구의 여름 프로그램 광산의 콜로라도 학교를 부여하여 또한,이 연구가 지원되었다. 저자는 자신의 공헌 라이언 Tolene와 폴 슐츠을 감사드립니다.