基于ANSYS的淺層土壤溫度場特征模擬分析

于譚峰 廉琦 韓國鑫 辛元明 張乃夫

摘要通過分層安裝溫度傳感器采集黑龍江省大慶市某地區(qū)的淺層土壤溫度值，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對地下1 m內(nèi)土層進(jìn)行相應(yīng)的模擬分析，探究地下淺層土壤溫度場的變化特征。結(jié)果表明：地下土壤深度為70～100 cm范圍內(nèi)的溫度變化趨向比較相近，整年白天的地表最高溫度在7月，最低在12月，3—5月、7—9月的地表溫度變化趨向均高于地下淺層土壤溫度，土溫整體是呈地表向地下逐漸降落的趨向；整年黑天的最高地表溫度在7月，最低在12月，4—5月、7月的地表溫度變化趨向均大于地下淺層土壤溫度，土溫隨深度的增加呈地表向地下逐漸增高-降低-增高的趨向。

關(guān)鍵詞土壤溫度場； ANSYS軟件； 模擬分析

中圖分類號S151.9+5文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）35-0102-03

AbstractIn order to explore the change of soil temperature field in shallow layer of soil in this paper， temperature sensor was stratified installing to collect the shallow soil temperature in an area of Daqing， Heilongjiang. Simulation analysis of the surface temperature was carried out by mainly using the finite element analysis software ANSYS. The results showed that： Soil temperature variation in the range of underground 70-100 cm was close. The maximum surface temperature of the annual day was in July， the lowest was in December， the surface temperature change trend in March -May and July - September were greater than the shallow underground soil temperature， the soil temperature of the ground surface to underground showed a downward trend ； The highest surface temperature of the annual night was in July， the lowest was in December， the surface temperature transformation trend in April -May and July was greater than the shallow underground soil temperature， with the increase of depth， temperature increased firstly， then decreased and increased gradually from surface to underground of soil.

Key wordsSoil temperature field；ANSYS software；Simulation analysis

土壤溫度作為影響農(nóng)作物生長的重要因素之一，有著十分重要的研究意義。適宜的土壤溫度有利于農(nóng)作物的種植，使得農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。地表溫室大棚的熱傳遞受外界氣候條件的影響，而地下或半地下溫室大棚不僅受外界氣溫的影響，而且還受土壤深埋或地下土壤溫度的影響[1]。賈紅等[2]運(yùn)用傳統(tǒng)數(shù)值分析方法研究日光溫室的土壤溫度變化特征，但傳統(tǒng)數(shù)值方法可能存在較大的計(jì)算量。吳鳳日等[3]運(yùn)用人工控溫法，研究不同土壤類型、不同土壤溫度梯度對大豆、玉米種子出苗率的影響，得出大豆、玉米的出苗率和土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系，但人工控溫可能需要大量的勞動力。商厚勝[4]運(yùn)用ANSYS軟件研究人工凍土凍結(jié)、強(qiáng)制解凍溫度場的變化。劉饒[5]運(yùn)用ANSYS軟件模擬地埋管的換熱特征以及土壤的溫度場變化。

在以往的研究中，ANSYS軟件分析主要應(yīng)用于工程模擬中，在農(nóng)業(yè)發(fā)展方面的研究比較有限。由于ANSYS具有分析結(jié)果清晰、直觀等優(yōu)點(diǎn)，因此，運(yùn)用ANSYS軟件對淺層土壤溫度場進(jìn)行建模分析，得出土壤溫度的變化規(guī)律及趨向云圖，為日后研究溫室大棚內(nèi)部微環(huán)境熱分析方面做出相應(yīng)的前期理論支持。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料選取

研究黑龍江省大慶市某地區(qū)地下淺層土壤溫度場，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集相應(yīng)地下1 m內(nèi)，不同時間、深度的土壤溫度值，0～1 m共地埋7組傳感器，該研究所采取的溫度傳感器具有形態(tài)較小、硬件價格較低、抗外界干擾能力較強(qiáng)、精準(zhǔn)度較高等特點(diǎn)，測量溫度誤差大約為1 ℃。

1.2試驗(yàn)方法

首先選取數(shù)據(jù)庫中某年整年的土壤表層及地下1 m內(nèi)土壤溫度進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理，以某日日平均值為開始，每間隔1個月進(jìn)行散點(diǎn)的錄入，分別用試驗(yàn)深度0、10、30、50、70、85、100 cm繪制散點(diǎn)圖，模擬某年整年晝、夜地下1 m內(nèi)不同土層的溫度大致分布趨向；同時，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對地下1 m內(nèi)的土壤溫度進(jìn)行模擬分析，得到相應(yīng)的晝、夜溫度分布云圖。

2結(jié)果與分析

2.1整年白天、黑天的土壤溫度趨向模擬

以某年整年地表與地下土壤溫度為例，首先，以某日日平均值為起始點(diǎn)，每間隔1個月進(jìn)行散點(diǎn)錄入，模擬的土壤溫度場深度為地表至地下1 m。通過圖1、圖2的土壤溫度分布趨向圖，可以直觀得出地下土壤深度70～100 cm的溫度變化趨向非常相近；整年白天的最高地表溫度在7月，最低溫度在12月，溫度差大約為46.01 ℃，3—5月、7—9月的地表溫度均高于地下各層土壤溫度，12月地表溫度與100 cm的溫度差最大，為17.5 ℃；整年黑天的地表最高溫度在7月，最低溫度在12月，溫度差大約為45.06 ℃，4—5月、7月的地表溫度均大于地下各層土壤溫度，12月地表溫度與100 cm的溫度差最大，為18.95 ℃。

2.2土壤溫度場的物理模型建立

2.2.1土壤溫度分布。

環(huán)境溫度的變化會對土壤表層溫度產(chǎn)生一定的影響，這種影響通常呈周期性變化，并具有一定的變化特性，應(yīng)用相關(guān)學(xué)者研究的土壤溫度場耦合熱傳導(dǎo)-對流方程[6]：

Tt=k2Tz2+（-cwcgwθ）Tz（1）

式中，T為土壤的溫度，t為時間，k為土壤的熱擴(kuò)散率，cw為土壤液態(tài)水的體積熱容量，cg為土壤體積熱容量，z為土壤深度，w為土壤液態(tài)水的垂直運(yùn)動速度，θ為土壤的含水量。

按照區(qū)域差異，可以將主要的參數(shù)值代入上式，即可計(jì)算出土壤不同時間、深度對應(yīng)的土壤溫度。隨著土壤深度的增加，地表溫度變化對土壤溫度的影響會相應(yīng)的減小。

2.2.2地下土壤的不穩(wěn)定溫度場假設(shè)性描述。

為了便于理論分析，將該研究內(nèi)容簡化為2維剖面圖，并做出以下假設(shè)[7]：

研究的地下土壤為平均狀況，且為各方向同性的固體物質(zhì)，其各相關(guān)物理熱參數(shù)均為常數(shù)。

由于地下結(jié)構(gòu)為純土，暫不考慮相應(yīng)的流體反應(yīng)等外界影響因素，因此在進(jìn)行模擬分析時認(rèn)為試驗(yàn)所測得的數(shù)值考慮為實(shí)際土壤溫度，地下土壤環(huán)境為理想狀態(tài)，不考慮因?yàn)橥寥乐泻孔兓鸬臒徇w移。

2.3ANSYS熱分析

熱分析主要適用于計(jì)算某研究系統(tǒng)或部分的溫度分布及另外的熱相關(guān)物理參數(shù)[8]，ANSYS熱分析主要分為2種傳熱狀況，劃分為穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱[9]。

（1）穩(wěn)態(tài)傳熱。

主要應(yīng)用于不變的熱荷載對研究系統(tǒng)或部分的影響分析，假設(shè)系統(tǒng)流入的熱量和系統(tǒng)自己產(chǎn)生的熱量之和與系統(tǒng)流出的熱量值相等：q流入+q生成-q流出=0，那么系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)熱分析能量平衡的方程運(yùn)用矩陣形式表達(dá)為：

[K]{T}={Q}（2）

式中，[K]為傳導(dǎo)矩陣，包括導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包括熱生成。

（2）瞬態(tài)傳熱。

主要應(yīng)用于計(jì)算某系統(tǒng)隨時間變化的溫度場和其他熱參數(shù)。按照能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡運(yùn)用矩陣形式表達(dá)為：

[C]{T}+[K]{T}={Q}（3）

式中，[K]為傳導(dǎo)矩陣，主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；[C]為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；{T}為節(jié)點(diǎn)的溫度向量；{T}為溫度對時間的導(dǎo)數(shù)；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包括熱生成。

2.3.1定義土壤導(dǎo)熱及邊界條件。

研究中所建模型中每個節(jié)點(diǎn)應(yīng)該有獨(dú)一的解的熱平衡方程，因此，有必要對相應(yīng)的邊界條件進(jìn)行設(shè)置[6，10]。

（1）導(dǎo)熱公式：

Tt=（λcg）2Tz2（4）

式中，T為土壤的溫度，t為時間，cg為土壤體積熱容量，λ為土壤的熱傳導(dǎo)率，z為土壤深度。

（2）邊界條件：

T|Γ=T0；T|Γ=f（x，y，z，t）（5）

式中，Γ為物質(zhì)的界限，T0為已知的溫度數(shù)值，f（x，y，z，t）為已知的溫度函數(shù)。

依據(jù)有限元相關(guān)基本原理并建立相應(yīng)的非穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)學(xué)模型，可以對相應(yīng)的土壤溫度場進(jìn)行求解[11]。

2.3.2運(yùn)用ANSYS求解溫度場。

（1）建立有限元模型：首先，設(shè)置working file name、title和unit，進(jìn)入預(yù)前處理器選擇相應(yīng)的Element Type、Material thermal performance parameter等；然后，創(chuàng)建幾何模型，劃分網(wǎng)格[12]。該研究的土壤深度分別設(shè)置為0、10、30、50、70、85、100 cm，（2）施加荷載：定義熱分析類型，施加荷載。

（3）選擇Time/Frequenc選項(xiàng)進(jìn)行相應(yīng)求解，選擇非線性選項(xiàng)，輸出控制。

（4）后處理。

以某年整年大致變換趨向?yàn)槔?，進(jìn)行詳細(xì)研究，初始條件是計(jì)算開始時的土壤導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容，邊界分別為某年晝、夜地表溫度和距離地表1 m處的土壤自然溫度[13-14]。

2.4ANSYS模擬土壤溫度場結(jié)果

2.4.1

某年白天DOF Solution和Thermal Flux云圖輸出結(jié)果。

由圖4可知，整年白天，土壤溫度由地表向地下隨著深度增長而逐漸下降，在地下0～70 cm土層內(nèi)，土壤溫度呈降溫-升溫的趨向，50 cm左右溫度最低，地表溫度值最高，這種現(xiàn)象伴隨著土壤深度而加大，逐漸減弱，在接近100 cm左右的土層，溫度呈由低到高緩升的趨向。由圖5可知，整年的白天，土壤熱通量呈降溫-升溫的趨向，熱通量的最大值普遍位于地表，隨著深度的增加土壤熱通量逐漸在降低，當(dāng)降低到一定深度時，熱通量有逐漸升高-降低-升高的現(xiàn)象，某些土層的熱通量有相似的變化趨向。

2.4.2某年黑天DOF Solution和Thermal Flux云圖輸出結(jié)果。

由圖6可知，整年黑天，土壤溫度隨著深度增加是由地表向地下逐漸增溫-降溫-升溫的趨向，在地表-50 cm左右，土壤溫度呈升高的趨向，50 cm左右溫度值最大，50～100 cm土壤深度，土壤溫度隨深度增加呈降低-升高的趨向，同時，黑天土壤有蓄熱的現(xiàn)象。由圖7可知，整年的黑天，土壤熱通量呈逐漸降低的趨向，熱通量的最大值普遍位于地表，隨著土壤深度的加大土壤熱通量降低，當(dāng)降低到一定程度時，熱通量有低值恒溫的現(xiàn)象。

3結(jié)論與展望

溫室大棚內(nèi)的農(nóng)作物種植，作物根莖所需土壤深度由于種植種類不同而有所區(qū)別，比如：根系較深的農(nóng)作物，通常所需土壤深度為40 cm；塊根作物要求土層一般為50～75 cm；谷類作物種植一般需要土壤深度為 25～50 cm。因此，主要研究地下淺層1 m內(nèi)土壤溫度場。

（1）整年白天的地表最高溫度在7月，最低在12月，溫度差為46.01 ℃，3—5月、7—9月的地表溫度變動趨向均比淺層地下土壤溫度高；整年黑天地表最高溫度在7月，最低在12月，溫度差大約為45.06 ℃，4—5月、7月的地表溫度變動趨向均高于淺層地下土壤溫度。

（2）整年白天，土壤溫度隨深度增加呈由地表向地下逐漸下降的趨向，地下0～70 cm的土壤深度內(nèi)，土溫呈降溫-升溫的趨向，50 cm左右深度的土溫最低，在靠近100 cm左右的土層，溫度呈由低到高緩升的趨向，這種現(xiàn)象表明對于

地下土壤溫度的變化也許還存在其他熱參數(shù)的影響，白天地面溫度最高，可能受太陽輻射等外界溫度的相應(yīng)影響；整年的白天，土壤熱通量呈降溫-升溫的趨向，熱通量的最大值普遍位于地表，隨著深度的增加土壤熱通量逐漸降低，當(dāng)降低到一定深度時，可能受土壤中其他環(huán)境因素的影響，熱通量有逐漸升高-降低-升高的現(xiàn)象，某些土層的熱通量有相似的變化趨向。整年黑天，土壤溫度呈由地表向地下逐漸增溫-降溫-升溫的趨向，在地表-50 cm，土溫呈升高的趨向，50～100 cm土壤深度，土溫呈降低-升高的趨勢，這種現(xiàn)象表明對于地下土溫的變化也許還存在其他響應(yīng)熱參數(shù)，同時，黑天土壤有蓄熱的現(xiàn)象，為農(nóng)作物根系生長提供熱能，黑天土壤溫度應(yīng)該也相應(yīng)地受到太陽輻射等其他外界的熱影響，相比白天，可能相應(yīng)的影響有所降低；整年的黑天，土壤熱通量呈降低的趨向，熱通量的最大值普遍位于地表，隨著深度的增加土壤熱通量逐漸降低，當(dāng)降低到一定程度時，可能受土壤中其他影響因子的影響，熱通量有低值恒溫的現(xiàn)象。

該研究主要為地下淺層土壤溫度場特征分析及相應(yīng)云圖模擬，可以較好地掌握溫度變化趨向以及地下土壤溫度對于地表的影響形態(tài)，針對溫室大棚內(nèi)部微環(huán)境相關(guān)研究做出相應(yīng)的前期理論支持。未來的研究主要為針對溫室大棚內(nèi)部微環(huán)境熱分析。該研究處于理想狀態(tài)，對于淺層土壤溫度變化可能還受到其他環(huán)境因子、熱參數(shù)等影響，今后將針對這一問題進(jìn)行詳細(xì)研究，以為溫室大棚內(nèi)部農(nóng)作物種植提供指導(dǎo)。

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