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基于“束水+导水”复相介质的渗灌流体动力学研究
杜红梅
出版年2019
学位类型博士
学位授予单位中国矿业大学(北京)
中文摘要荒漠化是当今全球面临的一个严重问题。针对荒漠化问题,国内外相继提出了治理措施,其中最根本的措施是植被恢复。由于荒漠化地区水资源严重匮乏,年蒸发量是年降水量的几十至几百倍,导致苗木因缺水而难以成活。由此,节水灌溉是解决荒漠化问题、实现植被有效恢复的关键,而渗灌技术更是以其高效的水分利用率和苗木成活率成为各国学者研究的热点。本论文针对传统“孔式”渗灌技术存在的渗灌孔堵塞、渗水不均匀和土壤盐渍化等不足,研制出了一种新型的基于“束水+导水”的复相介质水流体渗灌技术,将该技术应用于解决荒漠化地区植被恢复,使苗木成活率得到了大幅提高。本论文在前人工作的基础上,分别从复相介质设计、水流体热力学、水流体动力学、水流体结构动力学、渗灌器3D制造、自调节土壤湿度特性和现场应用等多个角度着手开展工作,系统研究了复相介质水流体渗灌动力学理论并应用于现场实际生产和应用,取得了显著效果。本论文所取得的主要成果如下:(1)基于复相介质中高吸水性树脂和钠基蒙脱土对水分吸脱附性能的差异性,构建并制备了基于“束水+导水”的复相介质材料,其中高吸水性树脂趋于“束水”特性,钠基蒙脱土趋于“导水”特性。采用多种材料分析测试手段对复相介质材料的微观结构进行表征,确定了复相介质组分间的结合方式和最佳配比。在此基础上,对复相介质的特征参数,如水分特征曲线、导水率特征曲线、含水率-距离曲线等进行了测定分析,得到了与实际测量值拟合度高的理论方程。(2)分析建立了复相介质水流体热力学方程,明确了沿导水纤维复相介质-水体系的水势梯度变化是导致介质自发传水的动力,提出了“束水+导水”双相结构导致的“高含水率态”和“低含水率态”的差异化是影响水势梯度变化规律和传水程度的主要因素,这一结论在实验室试验和现场试验中均得以证明。(3)按照“束水+导水”双相结构特征和水势梯度变化规律,分别从扩散和渗流两个角度建立了“高含水率态”和“低含水率态”流体动力学方程,在基于导水速率理论方面两个方程具有结构归一性,并归整出了统一的动力学方程,分别采用分离变量法和有限差分法对不同含水率条件下的动力学方程进行求解,求解的结果与实测数据基本相一致,证明了推导建立的复相介质-水体系流体动力学方程的正确性。(4)在基于导水速率的结构动力学方面,对复相介质在传水过程中的微观结构特征及变化规律进行了深入细致的研究,结果表明,复相介质-水体系具有结构自动态调节功能。当土壤湿度低于复相介质所设定的土壤最佳湿度时,“束水”相聚丙烯酰胺脱水,“导水”相蒙脱土“桥接”,使得渗水速率加快;相反,当土壤湿度高于复相介质所设定的土壤最佳湿度时,“束水”相聚丙烯酰胺吸水溶胀,“导水”相蒙脱土“断桥”,使得渗水速率减慢或停止。这一结论在实验室土壤试验中运用MATLAB软件建立的基于经典控制理论上的数学模型与实测值也取得了较好的一致,进一步证明了结构动力学研究的正确性。将该动力学研究用于沙漠现场规模化接种肉苁蓉种取得显著成效。(5)为更加体现导水单纤维束的动力学优势,本研究提出了一整套纤维表面处理、纤维涂层化、光固混合液制备、3D 打印、后处理等新的渗灌器加工工艺路线,克服了前人浇铸法制作导水纤维芯片中的渗灌器纤维不均匀问题,3D打印技术所生产的渗灌器在沙漠现场接种肉苁蓉种应用中表明质量稳定。综上所述,本论文通过深入剖析基于“束水+导水”复相介质的渗灌流体动力学,得出了与实测数据相一致的理论热力学方程和动力学方程,揭示了复相介质的结构动力学变化规律。将复相介质渗灌技术应用于接种成功率极低的沙漠肉苁蓉种植,使肉苁蓉接种成功率由传统的15%提高到了 90%以上,生长量具有明显优势。本论文工作和研究成果对解决荒漠化治理中树苗难以成活的问题,具有重要的理论指导意义和实际应用价值。
中文关键词复相介质 ; 导水 ; 自动态调节 ; 流体动力学 ; 材料制备
语种中文
国家中国
中图法分类号S275.9
来源机构中国矿业大学(北京)
资源类型学位论文
条目标识符http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/337428
作者单位中国矿业大学(北京)
推荐引用方式
GB/T 7714		 杜红梅. 基于“束水+导水”复相介质的渗灌流体动力学研究[D]. 中国矿业大学(北京),2019.
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