基于土壤孔隙结构的热导率和接触热导率标度规律的建立
批准号:
41371231
项目类别:
面上项目
资助金额:
80.0 万元
负责人:
刘刚
依托单位:
学科分类:
基础土壤学
结题年份:
2017
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
刁万英、曹秉帅、常旭培、温敏敏
中文摘要
土壤的热特性(热导率λ,比热c)和土壤水分含量θ是研究地表的能量平衡和水分平衡的关键参数。作为能准确测量土壤热特性和土壤水分含量的主要方法,单针和双针热脉冲探针方法已被广泛使用。但是目前仍有很多机理问题尚未解决。本研究拟通过室内和室外实验,理论建模和计算机模拟解决以下问题。(1). 在λ和接触热导率H有限大小的情况下,完善Jaeger1956年的热脉冲探针理论。在此理论基础上,分析单针和双针方法测量得到λ的差异以及误差来源,并用实验来验证。(2).通过利用同步光源X射线给出的土壤孔隙照片,重构三维土壤孔隙空间结构,结合有限元模拟。得到λ和H对孔隙空间结构参数的标度关系。(3). 加热探针半径以及土壤颗粒的粒径大小,对H的影响。(4). 在野外测量得到不同含水量条件下的土壤λ,H,c,θ。并和基于孔隙尺度的有限元模拟得到的λ和H对孔隙空间结构参数的标度关系对比,来检验相应的标度关系。
英文摘要
Soil thermal properties (heat conductivity λ, heat capacity c)and soil water content θ are key parematers for studying the energy balance and water balance near the surface. Single and dual probe heat pulse method are popularly used for measuring soil thermal properties and soil water content.However, there are some basic theoretical problems that were not solved, yet.In this study, we use indoor and outdoor experiments, theoretical model and computer simulation to solve the following problems.(1). For finite values of λ and contact heat conductivity H, we developed the theory of Jaeger 1956. Based on this theory, we carry out error analysis for single and dual probe method and compared with the experiments results. (2).Using synchrotron X-ray to take photos of soil pores and reconstructure three dimensional soil pores. The soil pores structure was then input into finite element method software for finding out the scaling relationships of λ and H. (3).The influence of the heaters diameters and soil particle size on measured H. (4).To measure λ,H,c,θoutdoor for soil with different water content. Then compared the experiments results with the λ,H values from pores scale finite element simulation, to verify the scaling relationships.
土壤的热特性(热导率λ,比热c)和土壤水分含量θ是研究地表的能量平衡和水分平衡的关键参数。作为能准确测量土壤热特性和土壤水分含量的主要方法,单针和双针热脉冲探针方法已被广泛使用。但是目前仍有很多机理问题尚未解决。. 本研究通过室内和室外实验,理论建模和计算机模拟提高热脉冲探针方法的测量精度,消除实验误差。 我们以能原位矫正双针热脉冲探针间距的理论方法为出发点,结合实验测量,检验并验证了理论模型的可靠性。. 我们通过在同一个温度探针内部,引入三个热敏电阻的双针热脉冲探针,可用于纠正双针热脉冲探针的弯曲形变,我们通过有限元模拟,以及在沙子和石英砂中的探针分别进行了各种弯曲变形实验,来检验该非线性弯曲探针间距的校正方法的适用性。我们的结果显示对于探针倾斜夹角满足介于5.8和6.8度,比热的误差则介于−23% 和 −76%之间,在引入线性实地间距校正之后; 误差减小为 12% 到44%; 而引入我们的非线性间距校方法之后,误差减小到介于 1% 到 8%.因而新的非线性探针间距校正方法有很大的潜力应用于减消双针热脉冲探针变形导致的误差。. 这种间距矫正的方法还可以推广用于树木液流测量,我们从理论上给出了在利用热针方法测量树木液流时,由于探针间距变化导致的测量误差的消减方法。实验结果验证了,针对补偿热脉冲方法,热比率方法,我们的非线性弯曲形变的探针的间距的实地标定方法能有效减小树木液流测量误差。这些成果有三篇以SCI论文,发表在国际知名农业领域杂志Agricultural and Forest Meteorology上。. 有关原位间距矫正方法的相关工作已经被授权美国及国内发明专利各一项:这些发明减少了在实际应用中由于外因导致温度探针或加热探针弯曲变形而产生的,土壤热特性,植物茎流或土壤水流通量测量误差。该装置结构简单,造价低廉,使用方便、测量快速准确。
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A general in situ probe spacing correction method for dual probe heat pulse sensor
双探头热脉冲传感器通用原位探头间距校正方法
DOI:
10.1016/j.agrformet.2016.05.011
发表时间:
2016-10
期刊:
Agricultural and Forest Meteorology
影响因子:
6.2
作者:
[Liu Gang, Wen Minmin, Ren Ruiqi, Si Bing, Horton Robert, Hu Kelin]
通讯作者:
Hu Kelin
DOI:
10.13522/j.cnki.ggps.2017.04.005
发表时间:
2017
期刊:
灌溉排水学报
影响因子:
--
作者:
[刁万英, 刘刚]
通讯作者:
刘刚
DOI:
--
发表时间:
2017
期刊:
光谱学与光谱分析
影响因子:
--
作者:
[刁万英, 刘刚, 胡克林]
通讯作者:
胡克林
Evaluation of a self-correcting dual probe heat pulse sensor
自校正双探头热脉冲传感器的评估
DOI:
10.1016/j.agrformet.2014.09.022
发表时间:
2015-01
期刊:
Agricultural and Forest Meteorology
影响因子:
6.2
作者:
[Wen Minmin, Liu Gang, Li Baoguo, Si Bing C., Horton Robert]
通讯作者:
Horton Robert
The effects of probe misalignment on sap flux density measurements and in situ probe spacing correction methods
探头未对准对液流密度测量和原位探头间距校正方法的影响
DOI:
10.1016/j.agrformet.2016.08.009
发表时间:
2017-01-15
期刊:
AGRICULTURAL AND FOREST METEOROLOGY
影响因子:
6.2
作者:
[Ren, Ruiqi, Liu, Gang, Si, Bingcheng]
通讯作者:
Si, Bingcheng
奶牛步态时空运动稳定机理及早期跛行识别方法研究
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:54万元
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批准年份:2022
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负责人:刘刚
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依托单位:
基于热脉冲探针方法的表层土壤和大气边界层热量交换研究
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批准号:42077008
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项目类别:面上项目
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资助金额:58.0万元
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批准年份:2020
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负责人:刘刚
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依托单位:
土壤重金属溶出伏安检测中腐殖质干扰机理及抑制方法研究
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批准号:32071898
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项目类别:面上项目
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资助金额:58.0万元
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批准年份:2020
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负责人:刘刚
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依托单位:
利用能原位矫正探针间距的TDR-热脉冲多功能探头测量土壤热特性,液态水和冰含量
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批准号:41771257
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项目类别:面上项目
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资助金额:63.0万元
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批准年份:2017
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负责人:刘刚
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依托单位:
土壤重金属溶出伏安快速检测干扰机理研究
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批准号:31671578
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项目类别:面上项目
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资助金额:62.0万元
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批准年份:2016
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负责人:刘刚
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依托单位:
苹果树冠层三维重建及光照分布计算方法
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批准号:31371532
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项目类别:面上项目
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资助金额:82.0万元
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批准年份:2013
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负责人:刘刚
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依托单位:
基于主动成像的苹果采摘机器人果实识别与定位方法研究
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批准号:31071333
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项目类别:面上项目
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资助金额:34.0万元
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批准年份:2010
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负责人:刘刚
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依托单位:
改进热探针方法测量野外土壤水分含量及热特性
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批准号:41071154
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项目类别:面上项目
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资助金额:45.0万元
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批准年份:2010
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负责人:刘刚
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依托单位:
土壤孔隙空间形态结构对扩散和热传导的影响
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批准号:40671085
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项目类别:面上项目
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资助金额:38.0万元
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批准年份:2006
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负责人:刘刚
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依托单位:
用随机方程研究多孔介质的动力学特性
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批准号:40201022
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:6.0万元
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批准年份:2002
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负责人:刘刚
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依托单位:
国内基金
海外基金