CC BY
16
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. АГРОИНЖЕНЕРИЯ
УДК: 631.67:581.55
DOI: 10.32786/2071-9485-2019-04-24
МОДЕЛЬ ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМЕ «АГРОФИТОЦЕНОЗ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА» С РЕГУЛЯТОРАМИ
HEART TRANSFER MODEL IN THE SISTEM «AGROPHYTOCENISIS -ENVIRONMENT» WITH REGULATORS
В. В. Бородычев, доктор сельскохозяйственных наук, академик РАН М. Н. Лытов, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
V. V. Borodychev, M. N. Lytov
Federal State Budget Science Center «All-Russian Scientific Research Institute of Hydrotechnics and Land Reclamation named after A.N. Kostyakov»
Исследование выполнено в рамках актуальной проблематики современной аграрной науки, предполагающей теоретическое обоснование и разработку новых технологий регулирования гидротермического режима агрофитоценоза как условия оптимального развития сельскохозяйственных растений и комплексной протекции посевов от климатических рисков. Цель исследования сводится к изучению механизмов теплопередачи и построению модели теплообмена в системе «агрофитоценоз-окружающая среда» с интегрированными технологиями - регуляторами процесса. Объектом исследования является система «агрофитоценоз-окружающая среда» для посевов сельскохозяйственных культур открытого грунта. В качестве регуляторов рассматриваются исключительно гидромелиоративные технологии, а также элементы и функции, им соответствующие. В методологическом отношении модель сформулирована на основе единого концептуального «кластера», включающего источник как объект, от которого направлен вектор рассматриваемого процесса, факторы, процесс, объекты и состояние. Внутреннюю систему агрофитоценоза образуют растительный покров, приземный слой атмосферы в границах объема, занимаемого растительным покровом, поверхность и корнеобитаемый слой почвы. Такие объекты, как почвогрунт, расположенный ниже корнеобитаемого слоя почвы, грунтовые воды, атмосфера и солнце, являются объектами окружающей среды. Процессы теплообмена сгруппированы относительно трех известных в природе механизмов теплопередачи, которые задействованы в формировании теплового баланса агрофитоценозов. Описаны процессы передачи тепла излучением, конвекцией и теплопроводностью, для каждой из этих групп показан состав процессов теплообмена, так или иначе взаимодействующих с системой агрофитоценоза и оказывающих влияние на ее тепловой баланс. Рассмотрены физика процессов и основные физические модели, решающие задачи теплового и массо-энергетического переноса. В модель интегрирована система регуляторов, позволяющих оказывать направленное воздействие на процессы тепло-массопереноса в системе агрофитоценоза, а также на тепло-массообмен с объектами окружающей среды. Раскрыты возможности использования различных гидромелиоративных технологий для регулирования этих процессов.
The study was carried out within the framework of the urgent problems of modern agrarian science, which involves the theoretical justification and development of new technologies for regulating the hydrothermal regime of agrophytocenosis as a condition for the optimal development of agricultural plants and the integrated protection of crops from climatic risks. The purpose of the study is to study the mechanisms of heat transfer and build a heat transfer model in the system «agrophytoceno-sis-environment» with integrated technologies - process controllers. The object of research is the sys-
ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова
Дата поступления в редакцию 8.11.2019 Received 8.11.2019
Дата принятия к печати 20.12.2019 Submitted 20.12.2019
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
tem «agrophytocenosis-environment» for sowing agricultural crops of open ground. Only irrigation and drainage technologies, as well as elements and functions corresponding to them, are considered as regulators. In methodological terms, the model is formulated on the basis of a single conceptual "cluster", including - the source, as the object from which the vector of the process under consideration is directed, factors, process, objects and state. The internal system of agrophytocenosis is formed by vegetation, the surface layer of the atmosphere within the boundaries of the volume occupied by vegetation, the surface and the root layer of the soil. Objects such as soil below the root layer of the soil, groundwater, the atmosphere and the sun are objects of the environment. Heat transfer processes are grouped relative to three heat transfer mechanisms known in nature that are involved in the formation of the heat balance of agrophytocenoses. The processes of heat transfer by radiation, convection and thermal conductivity are described; for each of these groups, the composition of heat transfer processes is shown that interact in one way or another with the agrophytocenosis system and affect its heat balance. The physics of processes and the basic physical models that solve the problems of heat and mass-energy transfer are considered. A system of regulators is integrated into the model, which make it possible to have a directed effect on the processes of heat and mass transfer in the agrophyto-cenosis system, as well as on heat and mass transfer with environmental objects. The possibilities of using various irrigation and drainage technologies to regulate these processes are disclosed.
Ключевые слова: агрофитоценозы, гидротермические режимы агрофитоцено-зов, теплообмен, теплопроводность, регуляторы теплообмена, система «агрофито-ценоз-окружающая среда».
Key words: agrophytocenosis, hydrothermal regime, heat exchange, heat conduction, convection, radiation, heat transfer regulators.
Цитирование. Бородычев В. В., Лытов М. Н. Модель теплообмена в системе «агрофитоценоз -окружающая среда» с регуляторами. Известия НВ АУК. 2019. 4(56). 192-203. DOI: 10.32786/2071-9485-2019-04-24.
Citation. Borodychev V. V., Lytov M. N. Heat transfer model in the system «agrophytocenosis - environment» with regulators. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2019. 4(56). 192-203 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2019-04-24.
Исследование выполнено в рамках финансирования государственного заказа по заданию № 0573-2019-0017 «Разработать научные основы и технологические приемы комплексного регулирования агрофитоценоза для повышения природно-ресурсного потенциала, создания новых конструкций гидромелиоративных систем и автоматизированных комплексов машин для производства мелиоративных работ»
Введение. Проблематика исследования посвящена решению многогранной задачи системного регулирования гидротермического режима агрофитоценоза как условия оптимального развития сельскохозяйственных растений и комплексной протекции от климатических рисков. Формирование гидротермического режима агрофитоценоза является результатом сложно организованной совокупности процессов, определяющих в совокупности тепловой и водный режимы и составляющих рассматриваемый ценоз растений [1, 3, 6, 9]. Важным моментом, имеющим прямое отношение к формированию гидротермического режима агрофитоценоза, является то, что определяющие его процессы не всегда можно описать только с позиций физики. Ведь основным рассматриваемым в рамках решаемой задачи объектом являются растения, а значит, имеет место биологическое регулирование процессов. Требование учета биологических механизмов в регулировании процессов, определяющих гидротермический режим агрофитоценоза, усложняет задачу, так как требует изучения и нормирования физиологических реакций растений [11, 13, 15].
Проблема качественных и количественных оценок формирования гидротермического режима агрофитоценоза, вообще говоря, комплексная, то есть процессы его формирования тесно взаимосвязаны, в ряде случаев это стороны одного физи-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ческого явления [12]. В то же время важно изучить каждый из этих процессов в отдельности, оценить его вклад в формирование гидротермического режима, а также условия, в которых процесс реализуется и которые определяют его направленность и динамику. В этой связи мы приняли решение рассматривать процессы теплообмена и водообмена в рамках системы «агрофитоценоз - окружающая среда» отдельно, предполагая возможность их алгебраического сложения. Цель настоящего исследования сводится к изучению механизмов теплопередачи и построению модели теплообмена в системе «агрофитоценоз-окружающая среда» с интегрированными технологиями - регуляторами процесса.
Материалы и методы. Особенностью разрабатываемой модели теплообмена в системе агрофитоценоза является введение в нее регуляторов. Регуляторы в этом плане рассматриваются как самостоятельные технологии либо сопутствующие функции технологий, оказывающие влияние на динамику процессов (как совокупности, так и одного процесса), определяющих формирование теплового режима агрофитоценоза. Регуляторы теплового режима агрофитоценоза предполагают реализацию в самых разнообразных технологиях. В этом плане могут (и должны) рассматриваться элементы классической агротехники сельскохозяйственных культур, специальные агротехнические приемы, оказывающие влияние на динамику теплообмена в системе [8]. Однако в контексте настоящего исследования в качестве регуляторов рассматриваются исключительно гидромелиоративные технологии, а также элементы и функции, им соответствующие.
Гидротермический режим агрофитоценоза является по определению динамической характеристикой условий формирования урожая сельскохозяйственных культур [3]. В связи с этим процессы, определяющие формирование теплообмена в системе агрофитоценоза, составляют основу разрабатываемой модели. Вместе с тем процесс не существует сам по себе, а имеет прямое отношение к вовлеченным в него объектам, изменяющимся в результате факторам, параметрам состояния. Поэтому в методологическом плане важно учитывать все это качественное многообразие показателей со взаимосвязями и причинно-следственными отношениями, описание которых предпочтительно представить в единой форме. Такого рода «кластер» модели формирования теплового режима агрофитоценоза включает (рисунок 1):
- источник. Это объект, от которого направлен вектор рассматриваемого процесса, является источником тепло- и массообмена в системе, определяет факторы и направленность процесса. В качестве источника могут рассматриваться как объекты системы, так и внесистемные объекты окружающей среды;
- факторы. Под факторами здесь подразумеваются те природные явления, как исключительно физического плана, так и обусловленные биологией возделываемых культур, посредством которых реализуется процесс. К примеру, в процессе переноса тепла солнечной энергии такими факторами являются прямая или рассеянная солнечная радиация.
- процесс. В рамках разрабатываемой модели рассматриваются процессы теплообмена. Учитывается, что существуют разные способы передачи тепла и каждому из них присущи свои физические особенности. Процессы, имеющие различную физическую природу, рассматриваются отдельно. Кроме того, процессы требуется дифференцировать по природе источника, что определяет совокупность присущих им характеристик и направление вектора. Это определяет многообразие тех процессов, которые необходимо учитывать при составлении теплового баланса аг-рофитоценоза;
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
- объекты. Под объектами здесь подразумеваются элементы системы, подвергающиеся воздействию в результате осуществления процесса. В общем случае источники для одних процессов могут рассматриваться в качестве объектов воздействия в других процессах;
- состояние. Состояние определяется количественным соотношением характеризуемых его параметров либо какого-то одного характеристически превалирующего параметра. При этом параметры изменяются под воздействием процесса.
Рисунок 1 - Структура одновекторного кластера модели формирования теплового режима агрофитоценоза
Figure 1 - The structure of a one-vector cluster model of the formation of the thermal regime of agrophytocenosis
Результаты и обсуждение. Поскольку задача сводится к моделированию теплообмена в системе агрофитоценоза, естественно, что ключевым объектом модели должны стать сельскохозяйственные растения, сообщество которых и образует указанный выше ценоз (рисунок 2).
Однако здесь необходимо учитывать и средовое положение отдельных частей и органов растений, которое определяет физику процесса теплообмена. Так, например, корневую систему растений, имеющую, безусловно, важнейшее физиологическое значение с точки зрения теплообмена, вряд ли стоит дифференцировать от среды ее расположения - почвы. Температура корней растений напрямую соотносится с температурой почвы, в которой они располагаются. Поэтому в модели было целесообразно выделить в качестве объекта корнеобитаемый слой почвы, предполагая, что температура корня будет такой же, как и температура среды его размещения.
Теплообмен надземной части растений со средой ее размещения принципиально иной, что требует выделения растительного покрова как самостоятельного объекта модели. Среда размещения растительного покрова - это атмосфера. Однако, с точки зрения физики процессов, важно выделить тот приземный слой атмосферы, который непосредственно ограничивается объемом, занимаемым растительным покровом. В предложенной модели это самостоятельный объект, также как и, собственно, атмосфера, с которой теплообмен осуществляется, преимущественно посредством конвективного теплопереноса.
Другими объектами модели являются поверхность почвы, почвогрунт, то есть тот слой почвы и подстилающих ее пород, который располагается ниже уровня размещения корневой системы растений, грунтовые воды. Модель теплообмена, безусловно, включает и солнце, лучевая энергия которого является основным источником тепла для всех рассмотренных выше уровней модели.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
нз1¥л\ / уШа
***** ИЗВЕСТИЯ *****
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Таблица 1 - Экспликация обозначений к рисунку 2 _Table 1 - Explication of notation to figure 2_
№ п/п
Элемент/ Designation
Значение / Value
Передача тепла излучением / Heat transfer by radiation
Излучение в окружающую среду / Emissions to the environment
Теплота фазового перехода воды / The heat of the phase transition of water
Кондуктивный теплообмен (теплопроводность) / _Thermal conductivity_
Передача тепла конвекцией / Convection heat transfer
Передача тепла посредством агента обмена: воды / Heat transfer _through an exchange agent: water_
Нагрев объекта / Object heating
Охлаждение объекта / Object cooling
Регулятор процесса / Process controller
10
DaTM
Агент: мелкокапельная и транспирационная влага / Agent: _droplet and transpiration moisture_
Вода как компонент среды, присущий каждому из перечисленных выше объектов, рассматривается как агент теплообменных процессов [2, 10]. Действительно, вода в той или иной форме содержится и в атмосфере, и в приземном ее слое, и в почве, увеличивая динамику теплообменных процессов, являясь их проводником в физически существенно различающихся средах. В частности, это и позволяет использовать гидромелиоративные технологии в качестве регуляторов теплообмена в системе «агрофи-тоценоз-окружающая среда».
Предполагается, что объекты модели в результате теплообменных процессов изменяют свое состояние, которое может характеризоваться количеством теплоты или (что предпочтительнее с точки зрения физиологии растений) температурой. Поскольку задача ставится относительно гидротермического режима агрофитоценоза, то прежде всего нас интересует состояние объектов, имеющих к нему прямое отношение. Решение задачи относительно этих объектов должно быть максимально точное, тогда как относительно объектов окружающей среды иногда достаточно и качественного определения процесса. Какие же объекты модели имеют непосредственное отношение к формированию гидротермического режима агрофитоценоза? Во-первых, поскольку агро-фитоценоз - это сообщество сельскохозяйственных растений, то растительный покров, без сомнения, один из таких объектов. Но растительный покров не включает корневую систему растений, температура которой в модели приравнена к температуре почвы. Поэтому корнеобитаемый слой почвы также следует отнести к системе объектов, имеющих непосредственное отношение к формированию гидротермического режима агрофитоценоза. Другими объектами системы являются:
- поверхность почвы. Рассматриваемый как плоскость, этот объект играет важную роль в формировании теплообменных процессов с корнеобитаемым слоем почвы, растительным покровом, во многом определяет микроклимат в среде посева;
1
2
3
4
5
6
7
8
9
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
- приземный слой атмосферы. Рассматриваемый в границах растительного покрова, этот объект характеризуется показателями микроклимата посева, имеющими большое значение в формировании вектора и динамики теплообменных процессов аг-рофитоценоза.
Все эти объекты образуют внутреннюю систему, характеризующуюся большим числом внутренних связей, внутренних каналов обмена энергией, заведомо превышающей число связей с объектами внешней среды. Другим характеристическим свойством, позволяющим выделить объекты системы, является высокая буферность окружающих их внесистемных объектов, или объектов окружающей среды. Например, конвективный теплообмен атмосферы имеет большое значение в формировании микроклимата посева, но вряд ли микроклимат посева оказывает заметное влияние на состояние атмосферы. Лучевая энергия солнца является решающим фактором в формировании теплового режима посева, однако трудно себе представить, чтобы тепловое излучение растительного покрова или поверхности почвы имело значение в формировании теплового баланса Солнца.
Рассмотрим подробнее процессы, характеризующие тепловой обмен внутри описанной выше системы, а также с объектами внешней по отношению к этой системы среды. В природе известны три механизма теплопередачи, и все они задействованы в формировании теплового баланса агрофитоценозов. В модели виды теплопередачи используются для группировки процессов, что позволяет в определенной мере использовать общие законы и облегчает решение задачи для всей совокупности процессов. Передача тепла осуществляется излучением, конвекцией и теплопроводностью, и каждому из этих способов присущи свои физические особенности.
Излучение - одна из ведущих статей теплового баланса агрофитоценоза, с точки зрения физики процесса оно предполагает преобразование тепловой формы энергии в электромагнитную с последующим излучением ее в окружающее пространство и обратным преобразованием на границе сред объектов влияния. Характерной особенностью этого механизма теплопередачи является то, что объекты с жидкой или твердой средой поглощают (либо излучают) тепловые лучи в очень тонком слое и практически не пропускают их в своем объеме. К этим средам процесс рассматривается как поверхностный. Характер поглощения в газообразных средах иной - объемный.
Главным источником лучистой энергии на Земле в целом, и в частности для аг-рофитоценозов открытого грунта, является Солнце. Передаваемая с тепловыми лучами энергия поглощается поверхностью почвы и растительным покровом, а также во всем объеме атмосферы, включая имеющий преимущественное относительно решаемой задачи значение приземный слой, ограниченный объемом растительного покрова [4]. Безусловно, поглощается не вся тепловая энергия лучей. В общем случае лучистая энергия одновременно поглощается, отражается, а также может пропускаться объектом. Эти процессы характеризуются, соответственно, поглощательной, отражательной и пропускной способностью объектов.
В свою очередь, нагретая поверхность почвы излучает тепловую энергию, которая частично поглощается растительным покровом, а другой частью излучается в атмосферу и другим объектам окружающей среды. В определенных условиях тепловые лучи продуцирует и растительный покров, излучая их в открытое пространство атмосферы, а также к поверхности почвы. Собственное излучение этих объектов складывается с энергией отраженного излучения, суммируясь в так называемое «эффективное» излучение [14].
Физика лучистой формы передачи энергии в идеализированном варианте описывается законом Стефана-Больцмана:
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Е0=°о' Т4,
где Е0 - плотность потока интегрального излучения, Вт/м2; Т - температура поверхности объекта, К; о"0 - постоянная Стефана-Больцмана (5,6687*10-8 Вт/м2 К4).
Проблема в том, что закон справедлив для идеального «черного» тела, отражательная способность которого приравнена к нулю. Лучистый теплообмен между поверхностями твердых объектов, с учетом их реальных отличий от идеализированного «черного» тела и использованием эффективных (суммарных) величин излучения, описывается уравнением вида:
Q( 1^2) = £пр • • РрСТ4 -где - вектор теплопередачи, Вт; £пр - приведенный коэффициент черноты системы из
рассматриваемых объектов; Fр - расчетная площадь теплообмена, м2; Тг , Т2 - температура объектов теплообмена, К.
Применительно к системам реального мира, включая рассматриваемую нами систему «агрофитоценоз-окружающая среда», уравнение предусматривает введение граничных условий и решение задачи относительно коэффициентов приведенного уравнения. Кроме того, следует учитывать, что процессы лучистого обмена в природных объектах существенным образом сложнее описываемых уравнением. Например, передача лучистой энергии от поверхности почвы в вегетативным органам растений реализуется через газовую среду приземного слоя атмосферы, которая также (в определенной мере) поглощает энергию тепловых лучей. Другой проблемной задачей является необходимость определения расчетной площади теплообмена, ведь вегетативные органы растений взаимно затеняют друг друга. Как определить реальную площадь взаимодействия? Относительно такого объекта, как солнце, вообще нельзя говорить о теплообмене. Эти особенности необходимо учитывать в реальных расчетных схемах лучистого теплообмена.
Другая значимая группа процессов в системе «агрофитоценоз - окружающая среда» описывается законами конвективного теплообмена. Конвективный теплообмен присущ всем объектам и средам моделируемой системы. Конвективный теплообмен осуществляется между слоями атмосферы, включая приземный слой, ограниченный объемом растительного покрова и характеризуемый показателями микроклимата посева. Конвективный теплообмен осуществляется между корнеобитаемым слоем почвы и подпочвенными грунтами, а также подземными грунтовыми водами. Агент теплообмена здесь почвенный воздух и вода. Вода является активным агентом конвективного теплообмена в рассматриваемой системе. Конденсируясь на поверхности вегетативных органов растений, выделяемое в результате фазового перехода тепло посредством конвективной теплопередачи переходит к растению. При испарении мелкокапельной жидкости или транспирационной влаги с поверхности растений реализуется обратный процесс. Уже в парообразной форме вода участвует в конвективном теплообмене между слоями атмосферы, включая переход «приземный слой атмосферы - атмосфера», может поглощать либо выделять тепло в атмосферу в результате фазовых переходов состояния. Этот процесс реализуется при участии воды не только в виде пара, но и в жидкой форме, например, при выпадении атмосферных осадков. Последнее дает ввести в систему регулятор в форме технологии орошения способом дождевания или аэрозольного распыления. Вода аэрозольного (мелкодисперсного) орошения не только участвует в атмосферных теплообменах (применительно к приземному слою атмосферы), но и является поставщиком мелкокапельной влаги, осаждаемой на вегетативных органах растений, формирующей впоследствии соответствующий вектор теплопередачи. Влага, поступающая в результате работы регулятора, включая все технологии оро-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
шения за исключением аэрозольного, участвует в конвективном теплообмене между слоями почвы. Как уже было отмечено, конвективный теплообмен между слоями почвы, поддерживаемый газожидкостными ее формами, реализуется и без участия регулятора, однако только при использовании последнего возможно направленное формирование вектора теплообмена с заданными количественными характеристиками. Введение регуляторов теплообмена обеспечивает:
- регулирование микроклимата посева. Технологии регуляторов, направленные на решение этой задачи, включают аэрозольное орошение (распыление мелкокапельной влаги активизирует процессы теплообмена в приземном слое атмосферы, подключается механизм фазового перехода воды) и орошение способом дождевания;
- регулирование температурного режима растительного покрова. Осуществляется посредством осаждения мелкокапельной влаги на вегетативные органы растений в результате аэрозольного орошения, а также включает технологию противозаморозково-го дождевания;
- регулирование температуры почвы с корневой системой растений. Может быть реализовано с использованием всех способов орошения, за исключением аэрозольного. Специальные технологии, направленные на регулирование температуры почвы - это освежительные поливы (регулирование температуры поверхности почвы) и утеплительные поливы. Однако и любое насыщение почвы влагой активизирует теплообменные процессы, а также существенно повышает температурную буферность почвы.
Рассматривая процессы конвективного теплообмена между объектами рассматриваемой системы, мы упоминали два термина. Это собственно конвективный теплообмен и конвективная теплопередача [5]. Эти процессы имеют разные решения. Конвективная теплопередача относится к классическим задачам теплообмена между объектами с твердой оболочкой и газожидкостными формами вещества, решаемой на основе закона Ньютона - Рихмана:
Ч = а(тш - 7»,
где ц - плотность теплового потока, Вт/м2; (Тш — Т^ - температурный напор, определяемой разностями опорных температур между твердой и текучей фазами, К; а - коэффициент пропорциональности между температурным напором и плотностью теплового потока, Вт/м2-К.
Откуда величина переноса тепловой энергии от объекта с известной площадью поверхности S определится из выражения:
^ = а(Тш — 7»5,
где Qs - передаваемая тепловая энергия, Вт; 5 - площадь поверхности объекта с твердой оболочкой, м2.
Предполагается, что опорные значения температур объектов, для которых считается теплопередача, известны.
Конвективный теплообмен рассматривается как процесс между текучими средами. Для его описания используется система дифференциальных уравнений, включающая:
- уравнение Фурье-Кирхгофа, применяющееся для описания процесса конвективного переноса энергии в жидких и газообразных средах;
- уравнение Навье-Стокса, применительно к трем составляющим вектора скорости движения текучей среды в отдельности;
- уравнение неразрывности.
Решение этих уравнений может быть найдено при четком определении геометрических характеристик расчетного объема, а также расчетного времени процесса, физических характеристик газожидкостных сред, начальных и граничных условий, таких как температура, поле давления и скоростей на начало расчетного периода.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Процессы на основе кондуктивного теплообмена (теплопроводности) всегда сопутствуют конвективному теплообмену, а также в достаточной степени выражены и всегда присутствуют в твердой фазе почвы [7]. Относительно решаемой задачи описания гидротермического режима агрофитоценоза важно учитывать кондуктивный теплообмен между поверхностью и корнеобитаемым слоем почвы, а также между корне-обитаемым слоем почвы и нижележащими горизонтами почвогрунта. Эти процессы определяют прогрев грунта при нагреве поверхности почвы лучистой энергией Солнца или в результате конвективного теплообмена с атмосферой. Конвективный теплообмен с атмосферой определяет и отвод тепла от поверхности почвы с последующим кондук-тивным распространением охлаждения в корнеобитаемый слой почвы и нижележащие горизонты. В общем случае кондуктивный теплообмен в твердых телах описывается дифференциальным уравнением Фурье:
йТ
рс— = • дгайТ),
где р - плотность объекта, для которого моделируется кондуктивная теплопередача, кг/м3; с -массовая теплоемкость объекта, Дж/(кг-К); £ - время процесса, с; А - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); дгаё.Т - градиент температурного поля, К/м; - оператор дивергенции.
Вид уравнений для оператора дивергенции в общем случае определяется принятой системой координат. Для декартовых координат будет справедливо:
= уз ^ ат
где X; - проекция расчетного вектора расстояния между изотермическими областями кондук-тивного теплопереноса, м.
Данное уравнение характеризует количественные связи между временными и пространственными изменениями температуры твердого тела. Как любое дифференциальное уравнение, оно имеет множество альтернативных решений, и чтобы найти верное, должен быть задан ряд параметров. К таким параметрам относятся геометрические характеристики и физические свойства объекта, время, краевые условия относительно начального распределения температурного поля и условий теплообмена на границе расчетной области.
Регуляторы процессов в предложенной модели, охлаждая или нагревая слои почвы, позволяют инициировать процессы кондуктивного теплообмена в заданном направлении.
Заключение. Предложена модель, которая базируется на использовании совокупности объектов, характеризующих систему агрофитоценоза и окружающую его среду. Объекты выделены по их отношению к процессам теплообмена. Внутреннюю систему агрофитоценоза образуют растительный покров, приземный слой атмосферы в границах объема, занимаемого растительным покровом, поверхность и корнеобитае-мый слой почвы. Такие объекты, как почвогрунт, расположенный ниже корнеобитае-мого слоя почвы, подземные (грунтовые) воды, атмосфера (за исключением выделенного, приземного слоя) и солнце, являются объектами окружающей среды. Объекты характеризуются параметрами состояния, которые являются результатом обменных процессов и одновременно условиями, определяющими их осуществление.
Процессы теплообмена сгруппированы относительно трех, известных в природе механизмов теплопередачи, которые задействованы в формировании теплового баланса агрофитоценозов. Описаны процессы передачи тепла излучением, конвекцией и теплопроводностью, для каждой из этих групп показан состав процессов теплообмена, так или иначе взаимодействующих с системой агрофитоценоза и оказывающих влияние на ее тепловой баланс. Рассмотрены физика процессов и основные физические модели, решающие задачи теплового и массо-энергетического переноса. В модель интегрирова-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
на система регуляторов, позволяющих оказывать направленное воздействие на процессы тепло-массопереноса в системе агрофитоценоза, а также на тепло-массообмен с объектами окружающей среды. Раскрыты возможности использования различных гидромелиоративных технологий для регулирования этих процессов.
Библиографический список
1. Бажа С. Н., Гунин П. Д., Концов С. В. Опыт исследования годового гидротермического режима темно-каштановых почв центральной Монголии // Аридные экосистемы. 2012. Т.18. № 1 (50). С. 47-59.
2. Виноградов Ю. Б., Семенова О. М., Виноградова Т. А. Гидрологическое моделирование: метод расчета динамики тепловой энергии в почвенном профиле // Криосфера Земли. 2015. Т.19. № 1. С. 11-21.
3. Динамическая модель раннеспелого картофеля для регулирования гидротермического режима агроценоза в условиях Волгоградской области / А. С. Овчинников, А. А. Бубер, Ю. П. Добрачев, В. В. Бородычев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2018. № 4 (52). С. 65-76.
4. Дудорова Н. В., Белан Б. Д. Радиационный баланс подстилающей поверхности // Оптика атмосферы и океана. 2015. Т. 28. № 3. С. 223-228.
5. Исследование процесса теплопереноса в ограниченном пространстве / Р. Т. Емельянов, Е. С. Турышева, М. А. Пылаев, М. М. Ходжаева // Вестник КрасГАУ. 2015. № 6 (105). С. 73-78.
6. Макарычев С. В., Гефке И. В. Влияние луковой культуры на гидротермический режим и теплоемкость чернозема выщелоченного в условиях Алтайского Приобья // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2015. № 8 (130). С. 66-71.
7. Микаилсон Ф. Д. О влиянии граничных условий при моделировании теплопереноса в почве // Инженерно-физический журнал. 2017. Т. 90. № 1. С. 73-85.
8. Хоменко И. И., Волошина В. В. Влияние различных мульчирующих материалов на изменения температурного режима и микробиологических процессов в почве при выращивании саженцев яблони на вегетативных подвоях // Российский электронный научный журнал. 2014. № 3 (9). С. 68-77.
9. Шеин Е. В., Трошина О. А. Физические свойства почв и моделирование гидротермического режима комплексного почвенного покрова Владимирского Ополья // Почвоведение. 2012. № 10. С. 1099.
10. Шорина И. В., Гефке И. В. Температурные поля и тепловые потоки в черноземе выщелоченном под бахчевыми культурами // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2016. № 12 (146). С. 26-31.
11. Adler P. B., Salguero-Gomez R., Compagnoni A. Functional traits explain variation in plant life history strategies // Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America. 2014. Vol.111. N2. P.740-745
12. Duan M. X., Jin M. X. Modeling water and heat transfer in soil-plant-atmosphere continuum applied to maize growth under plastic film mulching // Frontiers of agricultural science and engineering. 2019. Vol. 6. N2. P. 144-161.
13. Meinzer F.C., Smith D. D., Woodruff D. R. Stomatal kinetics and photosynthetic gas exchange along a continuum of isohydric to anisohydric regulation of plant water status // Plant cell and environment. 2017. Vol.. 40. N8. P. 1618-1628.
14. Merabtine A., Mokraoui S., Kheiri A. New transient simplified model for radiant heating slab surface temperature and heat transfer rate calculation // Building simulation. 2019. Vol. 12. N3. P. 441-452.
15. Michaletz S.T., Weiser M. D., Zhou J. Plant thermoregulation: energetics, trait-environment interactions, and carbon economics // Trends in ecology & evolution. 2015. Vol. 30. N12. P. 714-724.
Reference
1. Bazha S. N., Gunin P. D., Koncov S. V. Opyt issledovaniya godovogo gidrotermicheskogo rezhima temno-kashtanovyh pochv central'noj Mongolii // Aridnye jekosistemy. 2012. Vol. 18. № 1 (50). P. 47-59.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
2. Vinogradov Yu. B., Semenova O. M., Vinogradova T. A. Gidrologicheskoe modelirovanie: metod rascheta dinamiki teplovoj jenergii v pochvennom profile // Krio-sfera Zemli. 2015. Vol. 19. № 1. P. 11-21.
3. Dinamicheskaya model' rannespelogo kartofelya dlya regulirovaniya gidrotermicheskogo rezhima agrocenoza v usloviyah Volgogradskoj oblasti / A. S. Ovchinnikov, A. A. Buber, Yu. P. Do-brachev, V. V. Borodychev // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. 2018. № 4 (52). P. 65-76.
4. Dudorova N. V., Belan B. D. Radiacionnyj balans podstilayuschej poverhnosti // Optika atmosfery i okeana. 2015. Vol. 28. № 3. P. 223-228.
5. Issledovanie processa teploperenosa v ogranichennom prostranstve / R. T. Emel'yanov, E. S. Turysheva, M. A. Pylaev, M. M. Hodzhaeva // Vestnik KrasGAU. 2015. № 6 (105). P. 73-78.
6. Makarychev S. V., Gefke I. V. Vliyanie lukovoj kul'tury na gidrotermicheskij rezhim i tep-loemkost' chernozema vyschelochennogo v usloviyah Altajskogo Priob'ya // Vestnik Altajskogo gosu-darstvennogo agrarnogo universiteta. 2015. № 8 (130). P. 66-71.
7. Mikailson F. D. O vliyanii granichnyh uslovij pri modelirovanii teplo-perenosa v pochve // Inzhenerno-fizicheskij zhurnal. 2017. Vol. 90. № 1. P. 73-85.
8. Homenko I. I., Voloshina V. V. Vliyanie razlichnyh mul'chiruyuschih materi-alov na iz-meneniya temperaturnogo rezhima i mikrobiologicheskih processov v pochve pri vyraschivanii sa-zhencev yabloni na vegetativnyh podvoyah // Rossijskij jelektronnyj nauchnyj zhurnal. 2014. № 3 (9). P. 68-77.
9. Shein E. V., Troshina O. A. Fizicheskie svojstva pochv i modelirovanie gidrotermicheskogo rezhima kompleksnogo pochvennogo pokrova Vladimirskogo Opol'ya // Pochvovedenie. 2012. № 10. P. 1099.
10. Shorina I. V., Gefke I. V. Temperaturnye polya i teplovye potoki v chernozeme vysche-lochennom pod bahchevymi kul'turami // Vestnik Altajskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2016. № 12 (146). P. 26-31.
11. Adler P. B., Salguero-Gomez R., Compagnoni A. Functional traits explain variation in plant life history strategies // Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America. 2014. Vol. 111. N2. P. 740-745.
12. Duan M. X., Jin M. X. Modeling water and heat transfer in soil-plant-atmosphere continuum applied to maize growth under plastic film mulching // Frontiers of agricultural science and engineering. 2019. Vol. 6. N2. P. 144-161.
13. Meinzer F.C., Smith D. D., Woodruff D. R. Stomatal kinetics and photosynthetic gas exchange along a continuum of isohydric to anisohydric regulation of plant water status // Plant cell and environment. 2017. Vol. 40. N8. P. 1618-1628.
14. Merabtine A., Mokraoui S., Kheiri A. New transient simplified model for radiant heating slab surface temperature and heat transfer rate calculation // Building simulation. 2019. Vol. 12. N3. P. 441-452.
15. Michaletz S.T., Weiser M. D., Zhou J. Plant thermoregulation: energetics, trait-environment interactions, and carbon economics // Trends in ecology & evolution. 2015. Vol. 30. N12. P. 714-724.
Информация об авторах Бородычев Виктор Владимирович, академик РАН, директор Волгоградского филиала федерального государственного бюджетного научного учреждения Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (400002, г. Волгоград, ул. Тимирязева, 9), доктор сельскохозяйственных наук, профессор. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0279-8090. E-mail: vkovniigim@yandex.ru
Лытов Михаил Николаевич, ведущий научный сотрудник Волгоградского филиала федерального государственного бюджетного научного учреждения Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (400002, г. Волгоград, ул. Тимирязева, 9), кандидат сельскохозяйственных наук.
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2743-9825. E-mail: Lytov@yandex.ru
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
