Введение к работе
Актуальность проблем. Климатические услоЕПя аридных зотт характеризуются резкой коіггинеятальностью н засушливость?), возрастающей к югу; эти зоны подвержены часто повторяющимся засухам и суховеям, в большинства своём обладают высокой степенью'засоленности почв, что в комплексе оказывает губительное влияние на сельскохозяйственное производство.
Важнейаш и регаащпм сродством повышения устойчивости сельскохозяйственного производства, при учёте экологических перспектив, является пирокод применение и развитие научно обоснованных оптимальных способов орошения. Из вышеуказанно- го становится ясным, что речь идёт именно о системном анализа в ого конкретном проявлении как инструменте проектирования водохозяйственных систем.
Научные метода л приёмы, если их соответствующим образом развивать и использовать, могут значительно рационализировать процесс планирования, и искусство принятия решений. Требуются решительные концентрированные усилия для того, чтобы использовать их полный потенциал для решения сложных проблем.
Одной из таких проблем.является постоянно нарастающий да-фпцит водных ресурсов, Иі в частности, нерациональность их использования при орошении сельскохозяйственных культур. В условиях высоких температур п интенсивной солнечной радиации (аридные зоны) в орошаемых районах возникает необходимость экономного использования родных ресурсов, оптимизации существующих поливных технологий, а'тагаэ разработки новых перспективные способов орошения, когорвд могли бы обеспечить нужный для растений водно-глздуиннй роякм почв при гогпккэль-ной затрате поливной вода. Для достижения этих целей необходимо иметь инструмент, позволяющий рассчитать оптимальные ха~ .ракторпсттга (норма и. врзгш полипа, .длительность меяполявпого периода п т.д.) того глй иного способа орошения сельскохозяйственных культур, иоторнй л перспективе даст еозг.южиость -создания АСУ ПОЛЙЮ1ЛИ с использованием ЭВМ.
Слодок>т>э,тьно, песбходізто фундаментальное изучение водно-. го баланса почв, в частности, процессов фильтрации вода в зоне азраігси при полной, и особенно неполной насыщенности по-
ристісс сред с учётом специфики орошения, влагообмгпа с окружавшей средой, транспиращш корнями растений и т.д. Для втого должно иметь, прежде всего, достоверные математические надели и комплексы програш} расчёта применительно к разним иерархическим уровням (один источник, система источников, орошаемое поло, район, регион).
В настоящее время, обычно, для расчёта переноса влаги в пористих средах используется модель Клюта, которая основывается на идее Бакли - Леверэтта об однозначной зависимости фазовых прониааемостеи, всасывавдего давления (функция Леверет-та) от насыщенности.
Существующие уравнения, описывающие перенос влаги в поч-Еогрунтах, в общем случае представляют собой сильно нелинейные уравнения параболического типа. Несмотря на использование при их формулировке вполне обоснованных физических соображений при выборе зіаіиричеоких зависимостей коэффициентов влаго-пэреноса, диффузии, капиллярного потенциала и трапспиращш от влажности почЕогрунта. в. целом, указаішие уравнения имеют существенно феноменологический или эвристический характер. По этой причине их решения ие;всегда и не вполне адекватно отражает реальные процессы переноса влаги. Решение указанных уравнений не позволяет, в. принципе, объяснить многие специфические особенности этих физических явленна. В связи с этим. возникает вполне обоснованная необходимость создания новых осмысленных предста"влвний и моделей.
Кроме движения влаги в зоне аэрации существует целый ряд фильтрационных процессов, которые описываются краевыми задачами, имевдимд много общего с исследуемыми. Получаемые нелинейные уравнения имеют аналоги в математических моделях самых разнообразных явлений и процессов в механике, физика, технологии, биологии, экологии и многих других областях знаний. Так, например, аналогичные уравнения могут быть использованы для описания начальной стадии нестационарных процессов переноса в гетерогенных средах в случае существенно различных свойств их фаз и компонент. Такая ситуация возникает, в частности, при нагреве гетерогенной среды, когда теплопроводность и теплоёмкость одной фазы отличаются от аналогичных характеристик другой. Математические постановки задач, возникающих
при изучении процесса влагопереяоса, имеют мюго общего с таковыми,- появляющимися при разработке тре^иновато-порпстих нефтяных и газовых пластов, проницаемость которых сильно зависит от давления в трещинах. К задачам такого рода мояно отнести также процесс поршневого вытеснения нефти водой, задачи нагнетания флюидов в коллекторы и многие, другие.
Математические модели переноса влаги являются краевыми задачами для нелинейных уравнений параболического и гиперболического типов. При исследовании влаголераяосэ в зоне орошо-пия учёт переменных во времени фронтов смачиваемости приводит к многофронтовым задачам с передвигающийся неизвестными границами, общая теория которых на создана. В сачзи с этим для каждого класса таких задел приходится изучать их свойства, разрабатывать и обосновывать методы нахождения регаений. Развитие аналитических методов реления нелинейных задач указанных типов даст возможность провести физический анализ изучавшее явлений, а сами репепия можно использовать для обоснования достоверности численних методов решения. Разработка численных мэтодов решения задач влагоперекоса даст возможность провеЬти числешгае эксперимента по определении оптимальных параметров полива раствняй, а также создать автоматизированные система управления орошепием.
Цель работы. Анализ состояния дел в рассматривавши области приводит к следующим основным целя»* и задачам исследования:
-разработать новую физико-математическую модель течения но-смевшващихся флюидов.в пористой средо, свободную от некоторых недостатков существующих моделей и более адекватно описывающую изучаемый проносе;
исследовать инфильтрацию жидкости в среда с двойной пористостью, ?лэделирушив кемкотчатне почвогрунтн;
изучить моя'рэзовнй массоо<5мен и транеппрзпию влаги в среде с двойной пористостью с целью получения зависимостей их характеристик от физических и резишшх параметров;
изучить, па осново имеющихся моделей, распространение влаги от погруяогапк в грунт источников разного типа с учётом суммарного иевдреш'л и разработать рекомендации по создагогэ .новой тегшии оройвїшя, способствующей экономии шшшной
. во.да;
5.
получить удобпыо расчётаио формули для функции влаги, координат меняющихся по времени границ области орошения и дру-і'шс вагішх характеристик процесса орошения;
провести чкслшшис експерименти инфильтрации нидхости в почвогруит с поверхности земля, а такие с погруженных источников влаги на основе различных моделей;
последовать закономерности распространения влагя в почво-грунт при поливах в режимах с обостренном и разработать па этой осново рекомендации по расчёту, организации и оптимизации процесса орошоїшя.
Поставленные цели и задачи исследования требовали:
создания новой иатематсчоской модели точения смесей в пористой среде и развития гидродинамической теории влагопвре-поса в зоно аэрации иочвогрутаа;
развития методов решения нелинейных задач о переносе влаги в пористих средах;
разработки теоретических методов расчёта основных режимних параметров орошения;
развития иатодов рзлізігея сопрлхізншпе задач переноса влаги в пористих и дисперсних средах.
Объект исследований - фильтрация жидкости и газа в корна-обитаемом слое почшгрунта -при ого полном и неполной насыщении для орошения от погруженных ю грунт увлажнителей и наземних источников шага.
Научная новизна; Разработана новая физическая модель течения несшшивавщихся жидкостей в пористом теле, которая позволяет освободиться от основополагающих допущений теории Мае-кота - Лвворатта к .учесть перетоки жидкости между порами разных размеров. Эту модель можно применять и к многим другіш процессам фильтрационного переноса в пористих средах, в частности, к задачам вытеснения, теории сушки пористых сред и т.д. Простейший вариант отой модели с введением только двух континуумов применен к анализу инфильтрации жидкости в комковатой почва.
Развита физическая модель трапсшірации влаги, основанная па продетав'кнпш о ей поглоцвнии корнями растений й паровой фази; конкротішв «одели получены в двух предельна* случаях: для процесса о ic;m3 скоростью переноса конденсированной влаги, к дія процесса при мглой скорости испареїшя/ц дифузна
пара в гранулах.
На основа решения задач о пореносо влаги от погругопннх в грунт источников, пмптируюлпх процессы впутрлпочЕОНного орошения, получоїш рзсчётнне формули для полой влажности я транспирацгаї, позволяющие описать ПХ ЗПЕЇЇСИГЛОСТЬ ОТ фИЗІШО--мзханпчвскнх характеристик ночвогрунта,. поглощающей способности корневой системи и степени нелинейности процесса. Учёт трапспирапла влаги корнями растений приводит изучение поставленных проблем влагопвроноса к задачам для уравнений параболического типа с поглощением, татем встречащихся при изучо-шга многих фпльтрацяотпис процессов, а именно: в катвютпчос-кзх моделях самых разнообразных явлений и процессов в механике, физике, технологии, биология, экология и многих других областях зяатйй.
Результати проведёшшх числоншес экспериментов п создап-пий комплекс расчётных программ использован при разработке методик расчета и оценки норма полива, метшаливного периода и рацпональшк параметров поливной спстемч.
. Установлено, что даже ори малих значеіглях расхода источника образуется зона с полнил насицёнрен почвогрунта, переш-ценна гранили этой области, как и грашпш зони стачивания, существенно зависит от коэффициента влагоотбора (трзнеппра-ция), структура порпсто'1 среда и способа её обработки.
Для решения многофронтоЕКХ задач переноса влага предлаяе-на модификация конечно-разностного, метода ловли фронта в узэл сетки, которая применена для ре-доншт ряда классических и но-классичоскгос задач стефаповского типа с определением как ис-комнх функций, так и закономерностей перемещения движущихся границ раздела.
Решетш задачи о поливе в ра-пимах с обострением и в импульсных pa-smax, найдеш формули для функции влаги, трзнепп-рацип, координаты фронта наенценил и размвреэ зон увлажнения, позволяющие проводить фактическую оптттязацига полива.
Практическая ценность. Разработанная новая модель течения насмешялагоцкея жидкостей в пористих средах даёт возмояяоеть более ос/нсленно объяснить фнзнческио процессы п явления, пронсходт;"яе в пористом теле при переносе влаги, в процесса Е1ГГ8СНСНИЯГ, ержії .диснер'"чкх материалов и т.д.
Рпзр'їботрннпо ксгодт нсслодогдітял нроцзеса переноса влаги
в пористых средах и комплекс расчётных, программ могут быть
непосредствоішо применены для расчета рациональных царамвтров
орошения, обеспечивавших благоприятный водно-воздушный раким
почвогрукта для роста растений. Полученные формулы и резуль
таты численного эксперимента позволяют рассчитать оптимальный
роюпл орошения и ьламонты техники пол;іва применительно к но
ем перспективным способам орошения (внутрицочвошюе, капель
ное и т.д.), на осново которых можно создать авгалатязироваи-
гло системы управления орошением сельскохозяйственных куль
тур. -
Апробация работы. Основино результаты работы и работа в целом доложены на: Всесоюзной научно-техническом совещании по кгутрипочвошюау и капельному орошениям (Ташкент - Симферополь, 1977), Республиканской конференции молодых учёных и специалистов (Ташкент, 1979), Бсасршной конференции по'механике сплошных сред (Ташкент, 1979), У и УІ Всесоюзных съездах по теоретической и прикладной механика (Алда-Ата, 198Г; Ташкент, 1386), Всесоюзной иколв по механика многофазных сред (Ташюнт, 1982), Всесоионом'зональном совещании ГІШТ "Тепло-и массообмон" (Ташкент, 1383), научно-производственных конфо--ренцшгх ТШСШХ (Таикент, 1983^1989), Республиканской конфе- . ренцип по гидродинамике квогофазних сред и её приложении к нефтедобыче и орошению (Ташкент, 1984), УШ, П Всесоюзных со-ыинарах по численнім методам решения задач фильтрации (Новосибирск, ГЭ86; Якутск, 1Э8Э), Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1988), Всесоюзном семинаре по современным проблемам нефгегазопрошславпй иоханики (Баку, 1988), Республиканской конференции по механике сплошных сред (Таш- ' кент, 1989), коллоквиуме Евромеха № 264 "Волны в насыщенных пористых средах" (Познань, 1920). Диссертационная работа обсуждалась также на многих научных семинарах в Ленинграде, Свердловске, Новосибирске, Ташкенте, Казани, и других городах
Публикации. По теме диссертационной работы опубліковано более 40 научных статей.
Структура' и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения. Основной текст излояан на 306 страницах, нишчает в себя 73 рисунка и список попользованной литературы из 282 наименований.