基于ANSYS的浅层土壤温度场特征模拟分析

于谭峰 廉琦 韩国鑫 辛元明 张乃夫

摘要通过分层安装温度传感器采集黑龙江省大庆市某地区的浅层土壤温度值，运用ANSYS有限元分析软件对地下1 m内土层进行相应的模拟分析，探究地下浅层土壤温度场的变化特征。结果表明：地下土壤深度为70～100 cm范围内的温度变化趋向比较相近，整年白天的地表最高温度在7月，最低在12月，3—5月、7—9月的地表温度变化趋向均高于地下浅层土壤温度，土温整体是呈地表向地下逐渐降落的趋向；整年黑天的最高地表温度在7月，最低在12月，4—5月、7月的地表温度变化趋向均大于地下浅层土壤温度，土温随深度的增加呈地表向地下逐渐增高-降低-增高的趋向。

关键词土壤温度场； ANSYS软件； 模拟分析

中图分类号S151.9+5文献标识码A文章编号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

土壤溫度作为影响农作物生长的重要因素之一，有着十分重要的研究意义。适宜的土壤温度有利于农作物的种植，使得农作物实现高产高效。地表温室大棚的热传递受外界气候条件的影响，而地下或半地下温室大棚不仅受外界气温的影响，而且还受土壤深埋或地下土壤温度的影响[1]。贾红等[2]运用传统数值分析方法研究日光温室的土壤温度变化特征，但传统数值方法可能存在较大的计算量。吴凤日等[3]运用人工控温法，研究不同土壤类型、不同土壤温度梯度对大豆、玉米种子出苗率的影响，得出大豆、玉米的出苗率和土壤温度呈正相关关系，但人工控温可能需要大量的劳动力。商厚胜[4]运用ANSYS软件研究人工冻土冻结、强制解冻温度场的变化。刘饶[5]运用ANSYS软件模拟地埋管的换热特征以及土壤的温度场变化。

在以往的研究中，ANSYS软件分析主要应用于工程模拟中，在农业发展方面的研究比较有限。由于ANSYS具有分析结果清晰、直观等优点，因此，运用ANSYS软件对浅层土壤温度场进行建模分析，得出土壤温度的变化规律及趋向云图，为日后研究温室大棚内部微环境热分析方面做出相应的前期理论支持。

1材料与方法

1.1试验材料选取

研究黑龙江省大庆市某地区地下浅层土壤温度场，采用DS18B20数字温度传感器采集相应地下1 m内，不同时间、深度的土壤温度值，0～1 m共地埋7组传感器，该研究所采取的温度传感器具有形态较小、硬件价格较低、抗外界干扰能力较强、精准度较高等特点，测量温度误差大约为1 ℃。

1.2试验方法

首先选取数据库中某年整年的土壤表层及地下1 m内土壤温度进行初步的数据处理，以某日日平均值为开始，每间隔1个月进行散点的录入，分别用试验深度0、10、30、50、70、85、100 cm绘制散点图，模拟某年整年昼、夜地下1 m内不同土层的温度大致分布趋向；同时，运用ANSYS有限元分析软件对地下1 m内的土壤温度进行模拟分析，得到相应的昼、夜温度分布云图。

2结果与分析

2.1整年白天、黑天的土壤温度趋向模拟

以某年整年地表与地下土壤温度为例，首先，以某日日平均值为起始点，每间隔1个月进行散点录入，模拟的土壤温度场深度为地表至地下1 m。通过图1、图2的土壤温度分布趋向图，可以直观得出地下土壤深度70～100 cm的温度变化趋向非常相近；整年白天的最高地表温度在7月，最低温度在12月，温度差大约为46.01 ℃，3—5月、7—9月的地表温度均高于地下各层土壤温度，12月地表温度与100 cm的温度差最大，为17.5 ℃；整年黑天的地表最高温度在7月，最低温度在12月，温度差大约为45.06 ℃，4—5月、7月的地表温度均大于地下各层土壤温度，12月地表温度与100 cm的温度差最大，为18.95 ℃。

2.2土壤温度场的物理模型建立

2.2.1土壤温度分布。

环境温度的变化会对土壤表层温度产生一定的影响，这种影响通常呈周期性变化，并具有一定的变化特性，应用相关学者研究的土壤温度场耦合热传导-对流方程[6]：

Tt=k2Tz2+（-cwcgwθ）Tz（1）

式中，T为土壤的温度，t为时间，k为土壤的热扩散率，cw为土壤液态水的体积热容量，cg为土壤体积热容量，z为土壤深度，w为土壤液态水的垂直运动速度，θ为土壤的含水量。

按照区域差异，可以将主要的参数值代入上式，即可计算出土壤不同时间、深度对应的土壤温度。随着土壤深度的增加，地表温度变化对土壤温度的影响会相应的减小。

2.2.2地下土壤的不稳定温度场假设性描述。

为了便于理论分析，将该研究内容简化为2维剖面图，并做出以下假设[7]：

研究的地下土壤为平均状况，且为各方向同性的固体物质，其各相关物理热参数均为常数。

由于地下结构为纯土，暂不考虑相应的流体反应等外界影响因素，因此在进行模拟分析时认为试验所测得的数值考虑为实际土壤温度，地下土壤环境为理想状态，不考虑因为土壤中含水量变化而引起的热迁移。

2.3ANSYS热分析

热分析主要适用于计算某研究系统或部分的温度分布及另外的热相关物理参数[8]，ANSYS热分析主要分为2种传热状况，划分为稳态传热和瞬态传热[9]。

（1）稳态传热。

主要应用于不变的热荷载对研究系统或部分的影响分析，假设系统流入的热量和系统自己产生的热量之和与系统流出的热量值相等：q流入+q生成-q流出=0，那么系统处于热稳态，稳态热分析能量平衡的方程運用矩阵形式表达为：

[K]{T}={Q}（2）

式中，[K]为传导矩阵，包括导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；{T}为节点温度向量；{Q}为节点热流率向量，包括热生成。

（2）瞬态传热。

主要应用于计算某系统随时间变化的温度场和其他热参数。按照能量守恒原理，瞬态热平衡运用矩阵形式表达为：

[C]{T}+[K]{T}={Q}（3）

式中，[K]为传导矩阵，主要包括导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；[C]为比热矩阵，考虑系统内能的增加；{T}为节点的温度向量；{T}为温度对时间的导数；{Q}为节点热流率向量，包括热生成。

2.3.1定义土壤导热及边界条件。

研究中所建模型中每个节点应该有独一的解的热平衡方程，因此，有必要对相应的边界条件进行设置[6，10]。

（1）导热公式：

Tt=（λcg）2Tz2（4）

式中，T为土壤的温度，t为时间，cg为土壤体积热容量，λ为土壤的热传导率，z为土壤深度。

（2）边界条件：

T|Γ=T0；T|Γ=f（x，y，z，t）（5）

式中，Γ为物质的界限，T0为已知的温度数值，f（x，y，z，t）为已知的温度函数。

依据有限元相关基本原理并建立相应的非稳态温度场的数学模型，可以对相应的土壤温度场进行求解[11]。

2.3.2运用ANSYS求解温度场。

（1）建立有限元模型：首先，设置working file name、title和unit，进入预前处理器选择相应的Element Type、Material thermal performance parameter等；然后，创建几何模型，划分网格[12]。该研究的土壤深度分别设置为0、10、30、50、70、85、100 cm，（2）施加荷载：定义热分析类型，施加荷载。

（3）选择Time/Frequenc选项进行相应求解，选择非线性选项，输出控制。

（4）后处理。

以某年整年大致变换趋向为例，进行详细研究，初始条件是计算开始时的土壤导热系数、密度和比热容，边界分别为某年昼、夜地表温度和距离地表1 m处的土壤自然温度[13-14]。

2.4ANSYS模拟土壤温度场结果

2.4.1

某年白天DOF Solution和Thermal Flux云图输出结果。

由图4可知，整年白天，土壤温度由地表向地下随着深度增长而逐渐下降，在地下0～70 cm土层内，土壤温度呈降温-升温的趋向，50 cm左右温度最低，地表温度值最高，这种现象伴随着土壤深度而加大，逐渐减弱，在接近100 cm左右的土层，温度呈由低到高缓升的趋向。由图5可知，整年的白天，土壤热通量呈降温-升温的趋向，热通量的最大值普遍位于地表，随着深度的增加土壤热通量逐渐在降低，当降低到一定深度时，热通量有逐渐升高-降低-升高的现象，某些土层的热通量有相似的变化趋向。

2.4.2某年黑天DOF Solution和Thermal Flux云图输出结果。

由图6可知，整年黑天，土壤温度随着深度增加是由地表向地下逐渐增温-降温-升温的趋向，在地表-50 cm左右，土壤温度呈升高的趋向，50 cm左右温度值最大，50～100 cm土壤深度，土壤温度随深度增加呈降低-升高的趋向，同时，黑天土壤有蓄热的现象。由图7可知，整年的黑天，土壤热通量呈逐渐降低的趋向，热通量的最大值普遍位于地表，随着土壤深度的加大土壤热通量降低，当降低到一定程度时，热通量有低值恒温的现象。

3结论与展望

温室大棚内的农作物种植，作物根茎所需土壤深度由于种植种类不同而有所区别，比如：根系较深的农作物，通常所需土壤深度为40 cm；块根作物要求土层一般为50～75 cm；谷类作物种植一般需要土壤深度为 25～50 cm。因此，主要研究地下浅层1 m内土壤温度场。

（1）整年白天的地表最高温度在7月，最低在12月，温度差为46.01 ℃，3—5月、7—9月的地表温度变动趋向均比浅层地下土壤温度高；整年黑天地表最高温度在7月，最低在12月，温度差大约为45.06 ℃，4—5月、7月的地表温度变动趋向均高于浅层地下土壤温度。

（2）整年白天，土壤温度随深度增加呈由地表向地下逐渐下降的趋向，地下0～70 cm的土壤深度内，土温呈降温-升温的趋向，50 cm左右深度的土温最低，在靠近100 cm左右的土层，温度呈由低到高缓升的趋向，这种现象表明对于

地下土壤温度的变化也许还存在其他热参数的影响，白天地面温度最高，可能受太阳辐射等外界温度的相应影响；整年的白天，土壤热通量呈降温-升温的趋向，热通量的最大值普遍位于地表，随着深度的增加土壤热通量逐渐降低，当降低到一定深度时，可能受土壤中其他环境因素的影响，热通量有逐渐升高-降低-升高的现象，某些土层的热通量有相似的变化趋向。整年黑天，土壤温度呈由地表向地下逐渐增温-降温-升温的趋向，在地表-50 cm，土温呈升高的趋向，50～100 cm土壤深度，土温呈降低-升高的趋势，这种现象表明对于地下土温的变化也许还存在其他响应热参数，同时，黑天土壤有蓄热的现象，为农作物根系生长提供热能，黑天土壤温度应该也相应地受到太阳辐射等其他外界的热影响，相比白天，可能相应的影响有所降低；整年的黑天，土壤热通量呈降低的趋向，热通量的最大值普遍位于地表，随着深度的增加土壤热通量逐渐降低，当降低到一定程度时，可能受土壤中其他影响因子的影响，热通量有低值恒温的现象。

该研究主要为地下浅层土壤温度场特征分析及相应云图模拟，可以较好地掌握温度变化趋向以及地下土壤温度对于地表的影响形态，针对温室大棚内部微环境相关研究做出相应的前期理论支持。未来的研究主要为针对温室大棚内部微环境热分析。该研究处于理想状态，对于浅层土壤温度变化可能还受到其他环境因子、热参数等影响，今后将针对这一问题进行详细研究，以为温室大棚内部农作物种植提供指导。

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