1温度场分析
1.1同一工况下温度场的分析
图3—图5是蓄热温度（恒温水槽的水温）为40oC，初始含湿量为0.133m/m时不同径向方向上各节点的温度变化。从图中可以看出所有节点的变化趋势是一致的。蓄热开始时，近壁面节点首先得到热量，节点温度迅速升高，随着时间的进行各节点温度逐步升高。各节点的温度变化过程可以明显地分为3个部分：温度骤升期、温度渐变期和温度稳定期。与远壁面相比，近壁面节点温度骤升期的温度变化率最大、骤升期时间最短，渐变期的温度变化率最大、时间也最短，温度稳定期时间最长。可得出：随着径向距离的增加，节点温度的变化率逐渐降低，骤升期和渐变期的时间逐渐变长，稳定期的时间变短。另外，由于土壤的延迟现象，远壁面的节点在加热初期并不是直接进入温度骤升期而是之前有一个过渡期，温度变化率相对较小。图6是相同半径下不同角度的节点稳定时的温度比较。从图中可以看出位置低的近壁面节点的温度较低，而远壁面节点的温度则呈现出相反的规律，即位置越高的节点温度越低。在竖直平面内出现这种距离相同节点的温度不同的原因是热湿迁移和重力的综合作用。在重力的作用下，坑槽底部的土壤含湿量相对较大、坑槽底部土壤的热扩散系数较大，因此出现了相同半径下坑槽下部近壁面节点的温度较坑槽上部近壁面节点的温度低、坑槽下部远壁面节点的温度较坑槽上部远壁面节点的温度高。另外从图中可以看出，即便相同半径节点的温度值也不同，但差别很小，原因在于土壤的含湿量较低时，土壤颗粒对水分子的吸附力要大于重力对水分子的影响。因此，土壤的热湿迁移和重力的综合作用造成了土壤竖直平面内温度场分布不均匀。
1.2不同工况下温度场的分析
图7、图8是径向角度为270o的节点在不同初始含湿量下温度随时间的变化情况。从图中可以看出径向不同节点在不同含湿量下的温度呈现出不同的变化状态。近壁面节点：在温度骤升期，随着含湿量的增加温度变化率先升高后降低；渐变期，则出现了交叉现象，即含湿量为0.1时的曲线与其他两条曲线有相交，而其他两条曲线则无相交现象；稳定期，节点的稳定温度随着含湿量的增加而降低。远壁面节点：同样在温度骤升期，随着含湿量的增加温度变化率先升高后降低；渐变期，则没有出现交叉现象；稳定期，节点的稳定温度也是随着含湿量的增加先升高后降低。从图中还可看出该实验中土壤含湿量为0.2时，近壁面节点达到稳定的时间最短、远壁面节点的温升也最大，此时土壤的热扩散系数最大，土壤内各节点的温升趋势最大、坑槽最远处节点的温升也最大。图9、图10是径向角度为o270的节点在不同蓄热温度下温度随时间的变化情况。从图中可以看出各节点的温度都随着蓄热温度的变化而正向变化，在节点温度变化过程中，同一时刻节点的温度随着蓄热温度的增大而增大。另外，从图中还可以看出随着蓄热温度的增大，温度骤升期温度变化率增大、渐变期温度变化率增大、渐变期时间延长。综合图9、图10可见：相同温度、不同湿度下同一节点的温差最大不超过5oC，相同湿度、不同温度下同一节点的温差最大可达15oC，可见蓄热温度对坑槽内整体温度场的影响作用要远大于含湿量的影响作用。蓄热温度越高，坑槽整体的温度场就越高；坑槽整体的温度场越高，坑槽内储存的热量也就越多。因此，坑槽系统用于高温蓄热更有利。
2湿度场分析
2.1同一工况下湿度场的分析
图11—图13是蓄热温度为40oC、含湿量为0.133m/m时不同径向方向上各节点的湿度变化情况。从图中可以看出各节点的湿度变化趋势是一致的：由初始值增加到最大值，由峰值降低到平稳期。从图中也可以很明显地看出各节点的湿度变化过程可分为：水分增加期、水分减少期和水分平稳期。径向方向上，各节点的湿度变化是一致的，但各变化期的时间和变化期内的湿度变化率不同。远壁面节点的湿度增加速率和湿度降低速率就相对小很多，水分增加期和水分减少期的时间则增加了很多。另外，在蓄热初期各节点的水土势差最大，因此各节点的湿度增加速率越来越小。可以得出：随着径向距离的增加，节点的湿度增加速率和湿度减少速率越来越小，水分增加期和水分减少期的时间越来越长、水分平稳期的时间相应减少。不难发现，由于重力的作用，径向距离相等的节点位置越低的同一时刻的含湿量越大，但差别不大。
2.2不同工况下湿度场的分析
图14、图15是径向角度为o0的节点在不同初始含湿量下湿度随时间的变化情况。从图中可以看出土壤的初始含湿量对各节点的最终含湿量和节点含湿量的变化过程有重要的影响：初始含湿量较大的，节点稳定时的含湿量也大；含湿量的多少对节点含湿量变化过程的各个时期的长度有很大的影响。初始含湿量越大，水分增加期和水分减少期的时间越长，水分稳定期相应向后延迟；初始含湿量越小，水分增加期和水分减少期的时间越短，水分稳定期越靠前。图16、图17是径向角度为o270的节点在不同蓄热温度下湿度随时间的变化情况。从图中可以看出蓄热温度的升高对节点含湿量的变化趋势没什么影响，但对节点含湿量的变化过程的影响较大。蓄热温度越高，节点含湿量所能达到的峰值越高、水分上升期和水分下降期的时间越短，到达水分稳定期的时间越短。反之，蓄热温度越低，节点含湿量所能达到的峰值越低、水分上升期和水分下降期的时间越长，到达水分稳定期的时间越长。蓄热温度越高，近壁面节点水土势差越大，因此近壁面节点含湿量变化较大，湿度梯度也越大。即蓄热温度越高，近壁面稳定含湿量越低、远壁面稳定含湿量越高。
3温湿度场的综合分析
综合以上对温度和湿度的分析可看出：在温度骤升期，水分和温度是同步的，同样处在水分增加期；之后温度进入渐变期，温度增加的速度有所降低，温度渐变期时湿度很快达到峰值，之后湿度迅速下降至水分平稳期；温度稳定期与水分平稳期基本一致。随着径向距离的增加，温度变化率降低、达到稳定的时间增加、稳定的温度降低，同样湿度的变化也存在延迟和衰减现象，随着径向距离的增加，湿度的变化率降低、峰值现象减弱、水分减少期变长。湿度变化的快慢（水扩散率）是由该点的水土势决定的，而该处所考虑的主要动力是温度梯度和湿度梯度，两者共同决定了水分迁移的大小和快慢。随着径向距离的增加，影响水分迁移的推动力减少，热湿迁移的效果减弱，可以推断当距离增大到一定距离时热湿迁移可以不考虑。可以看出，土壤的温度场和湿度场的变化是一个相互影响的过程。由加热引起的温度梯度将会引起水分的变化形成湿度梯度，湿度梯度会引起水分的流动，水分的迁移会带走水中的热量从而影响了温度梯度。因此温度场的变化会影响到湿度场的变化，湿度场的变化同样影响温度场的变化。
4结论
1）蓄热过程中，节点温度场的变化过程可以分为3个阶段：温度骤变期、温度渐变期和温度稳定期。湿度场的变化过程同样分为3个阶段：水分增加期、水分减少期和水分平稳期。2）土壤中水分迁移的动力是由温度梯度和湿度梯度共同决定的，即两者的综合作用决定了水分的迁移程度。3）当土壤含水率不同时，各节点在温度变化的3个阶段的温度变化率不同。温度骤变期，含湿量为0.233m/m时土壤热扩散率最大，温度变化率最大，坑槽内远壁面节点温升趋势最大。随着含湿量的增加，近壁面节点的稳定温度逐步降低、而远壁面节点的稳定温度在含湿量为0.2时最大。4）蓄热温度越高，坑槽内土壤的整体温升越大，越有利于坑槽的蓄热。同时，蓄热温度的变化影响了湿度变化3个阶段的时间和速率。
作者：鹿凯凯 董华 单位：山东同圆设计集团有限公司 青岛理工大学
