森林生态系统中典型多孔材料的热导率特性研究

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材料的热物性研究一般考虑热导率、比热容、热扩散系数三个主要参数,这些参数通常用来表征材料的导热能力及其规律。其中热导率作为衡量物体传热能力的基本物理参数,是研究森林生态系统中植物蒸散发以及热通量的重要基础参数。本研究选取的实验材料是森林生态系统中两类具有典型代表性的多孔介质,分别是木材和土壤。木材是各向异性的多孔材料,木材热导率是研究植物蒸散耗水变化趋势、了解最佳森林防火林带树种的基础数据。而土壤是另一类多相多孔材料,大孔隙中存在着许多细微颗粒,研究土壤热导率在植物生长发育、营养汲取、森林小气候等方面都有重要意义。随着研究的深入,测量时间短、对材料影响小、准确度高的瞬态法被广泛认可。瞬态法中的热脉冲探针技术,特别是单探针制作和使用起来都非常简单,携带方便。本次实验利用单探针热脉冲技术,测定不同含水率和不同纹理方向上的木材热导率以及不同气压下的土壤热导率。通过热脉冲探针技术研究森林生态系统中两种典型多孔介质的热传递规律,为森林生态系统中林分通量的相关分析提供数据参考。木材的热导率测定可探究林火对树木的伤害程度以及树木温度对植物呼吸生长等生理活动的影响。变化气体压力下的干土热导率测定可作为阐明土壤孔隙微结构的有效工具,意在探究空气分子与土壤颗粒碰撞传热及其与土壤孔隙线程之间的互作机制。具体结论如下:(1)本文测定杨树(Populus tomentosa Carr)和泡桐(Paulownia sp.)两种木材的热导率,研究结果表明横顺纹方向上两种木材的热导率在绝干状态时最小,并且随着含水率的增加而不断增大。(2)同一含水率下,顺纹方向上的热导率比横纹方向上的热导率大,杨树顺纹方向热导率约是横纹方向热导率的1.4-2倍,泡桐顺纹方向热导率约是横纹方向的1.5-1.8倍。(3)密度较大的杨树木材在横顺纹方向上的热导率均高于泡桐热导率,最大相差0.087 W.m-1.K-1。(4)本文测定两种土壤和一种玻璃珠的干气两相热导率随气压的变化。结果表明,土壤的孔隙特征长度值d和颗粒平均间距D值相差3个数量级,但在玻璃珠上无量级差异,说明d值只能表征土壤团聚体间的平均孔隙结构,不能反映团聚体内部及粘土颗粒内部的微细孔隙结构。热传输法不能计算土壤的总比表面积,可能只能代表土壤的外表面积。
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