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植物叶片蒸腾作用模拟

作　者: 袁智
导　师: 林其钊
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 工程热物理
关键词: 仿生叶片蒸腾作用叶片温度活性碳纤维布浸渍法吸水机理膨胀石墨
分类号: Q945.172
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

蒸腾作用是植物的一项基本生理活动,蒸腾作用产生的蒸发潜热对植物叶片温度有重要影响。要想模拟植物叶片的热红外辐射特性,必须实现蒸腾作用这一生理过程的模拟。为深入理解植物蒸腾作用,我们首先研究了植物叶片的传热传质过程；实测了长江中下游流域7种典型植被的气孔阻力、叶片温度以及蒸腾耗水；选择蒸腾耗水旺盛的樟树为研究对象,建立了单个樟树叶片的传热传质模型,并利用气孔阻力和叶片温度的实测值验证了模型；将实测气孔阻力拟合成Jarvis模型,结合南京地区典型气象年气象参数计算了夏季樟树叶片温度、蒸腾耗水以及三种方式(对流换热、辐射换热和蒸腾作用潜热)的散热量,并分析了蒸腾作用潜热对叶片温度带来的影响。结果表明：叶片日平均温度受环境空气日平均温度影响,而其蒸腾耗水则由太阳辐照主导；叶片蒸腾作用潜热在叶片散热体系中具有重要作用,蒸腾潜热占叶片总散热量的比例超过30%；蒸腾作用对叶片温度有重要影响,且影响程度与气象条件有关,无风条件下影响程度要高于有风天气。基于对植物叶片传热传质过程的研究,我们提出了一种能模拟植物叶片蒸腾作用且具备植物叶片相似热特性的仿生叶片原理结构,该仿生叶片由表面涂层、保水层、吸脱附层和吸脱附速率控制层组成。复合／混合吸附剂是仿生叶片制备的关键材料。我们分别利用浸渍法和压块法制备了活性碳纤维布-氯化钙复合吸附剂和膨胀石墨-氯化钙混合吸附剂,并测试了复合／混合吸附剂的吸水性能和关键热物性,着重研究了浸渍法制备活性碳纤维布复合吸附剂时活性碳纤维布吸附氯化钙的机理以及复合／混合吸附剂吸水机理。浸渍过程中钙离子会通过离子交换被活性碳纤维布表面含氧官能团吸附,氯化钙会由于范德华力被活性碳纤维布微孔吸附。对于复合吸附剂的制备过程,表面官能团对钙离子的吸附作用可以忽略。微孔对氯化钙的吸附能用Polanyi吸附势理论和D-R方程描述。氯化钙在活性碳纤维布孔道中的填充方式为逐层覆盖。当活性碳纤维布的微孔被氯化钙完全填充满时,复合吸附剂的吸水作用完全由氯化钙决定。当活性碳纤维布的微孔没有被完全填充满时,复合吸附剂的吸水作用是活性碳纤维布与氯化钙共同作用的结果。活性碳纤维布的物理吸附过程受复合吸附剂的有效微孔容积影响,满足D-A方程。分散于孔道中的氯化钙在水合和潮解阶段化学性质发生改变,具体表现在水合和潮解压力降低,且复合吸附剂中氯化钙含量越低,其水合、潮解压力越低。膨胀石墨-氯化钙混合吸附剂的吸水完全由氯化钙发挥作用。活性碳纤维布复合吸附剂吸附速率快,其表面扩散速度系数为0.027-0.041s-1。但活性碳纤维布复合吸附剂的导热系数低,最大值仅有0.063W/(m·K)。膨胀石墨混合吸附剂吸附速率慢,其表面扩散速度系数为2×10-5s-1,但膨胀石墨混合吸附剂具备优异的导热性能,其导热系数能达到5W/(m·K)。基于实测的复合/混合吸附剂吸水性能和热物性,我们建立了仿生叶片的传热传质模型,并通过实验验证了模型,再利用模型完成了仿生叶片的设计计算。结果表明：保水层对仿生叶片温度影响很小,可以去掉保水层；影响仿生叶片上表面温度的关键因素是吸附脱附层的导热系数,应当选取高导热系数的膨胀石墨-氯化钙混合吸附剂来制备仿生叶片,且由于膨胀石墨-氯化钙混合吸附剂吸附速率慢,可以去掉吸脱附速率控制层；当膨胀石墨-氯化钙混合吸附剂中氯化钙含量达到40%时,仿生叶片便能很好地模拟真实叶片的热特征。基于理论分析结果,利用压块法将表面涂层粉末和混合吸附剂压制到一起,制备了氯化钙含量为50%的仿生叶片原理样品,并实测了仿生叶片与真实叶片的辐射温度。结果表明：该仿生叶片能很好地模拟真实叶片的热红外辐射特性,其辐射温度与真实叶片辐射温度差值在2℃以内。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-40
  1.1 植物仿生技术的发展现状  12-22
    1.1.1 利用植物仿生技术制作超疏水材料  12-16
    1.1.2 利用植物仿生制造仿生迷彩  16-18
    1.1.3 模拟植物叶片光谱特征的仿生叶片  18-21
    1.1.4 植物仿生研究状况总结  21-22
  1.2 吸附材料的研究现状  22-31
    1.2.1 吸附作用  22-23
    1.2.2 常见的物理吸附剂  23-24
    1.2.3 化学吸附剂  24-25
    1.2.4 复合/混合吸附剂的配制  25-28
    1.2.5 复合吸附剂吸附机理的研究  28-30
    1.2.6 吸附材料研究状况总结  30-31
  1.3 本文的研究工作  31-33
  参考文献  33-40
第2章典型植被蒸腾机理研究  40-62
  2.1 前言  40-41
  2.2 单个叶片传热传质模型  41-45
  2.3 典型植被的选取  45-48
  2.4 叶片传热传质模型的验证  48-52
    2.4.1 叶片表面辐射特性的测量  48-50
    2.4.2 叶片传热传质模型的验证  50
    2.4.3 气孔导度的Jarvis模型  50-52
  2.5 南京地区计算结果  52-58
    2.5.1 夏季计算结果  52-54
    2.5.2 典型气象日计算结果  54-58
  2.6 仿生叶片原理模型的设计  58-59
  2.7 小结  59-60
  参考文献  60-62
第3章复合/混合吸附剂的制备  62-86
  3.1 前言  62-63
  3.2 活性碳纤维布氯化钙复合吸附剂的制备  63-78
    3.2.1 活性碳纤维布表面化学特征  63-64
    3.2.2 等温吸附线测量方法  64-67
    3.2.3 活性碳纤维布的孔隙结构特征  67-68
    3.2.4 活性碳纤维布-氯化钙复合吸附剂配制方法  68-70
    3.2.5 浸渍时间以及氯化钙溶液浓度对复合吸附剂中氯化钙含量的影响  70-71
    3.2.6 活性碳纤维布吸附氯化钙的机理  71-76
    3.2.7 氯化钙在活性碳纤维布孔道中的填充规律  76-78
  3.3 膨胀石墨氯化钙混合吸附剂的制备  78-81
    3.3.1 膨胀石墨的膨胀工艺  78-79
    3.3.2 膨胀石墨混合吸附剂的制备工艺  79-81
  3.4 小结  81-82
  参考文献  82-86
第4章复合/混合吸附剂关键性能测试  86-114
  4.1 前言  86
  4.2 复合/混合吸附剂吸水性能测试方法  86-88
  4.3 活性碳纤维布-氯化钙复合吸附剂的关键性能测试  88-106
    4.3.1 复合吸附剂的等温吸附线  88-89
    4.3.2 氯化钙的吸水过程  89-91
    4.3.3 活性碳纤维布吸水过程  91-95
    4.3.4 活性碳纤维布-氯化钙复合吸附剂的吸水机理  95-100
    4.3.5 活性碳纤维布复合吸附剂吸附速率  100-103
    4.3.6 活性碳纤维布复合吸附剂的吸附热  103-104
    4.3.7 活性碳纤维布复合吸附剂的导热系数以及比热容  104-106
  4.4 膨胀石墨-氯化钙混合吸附剂关键性能  106-110
    4.4.1 膨胀石墨-氯化钙混合吸附剂平衡吸附量  106-107
    4.4.2 膨胀石墨-氯化钙混合吸附剂吸附速率  107-108
    4.4.3 膨胀石墨-氯化钙混合吸附剂热物性  108-110
  4.5 小结  110-111
  参考文献  111-114
第5章仿生叶片的传热传质模型  114-122
  5.1 前言  114
  5.2 仿生叶片总体模型  114-121
    5.2.1 总体传热传质模型  114-115
    5.2.2 吸脱附速率模型  115-117
    5.2.3 吸脱附速率控制层的传质阻力  117-118
    5.2.4 总体模型的验证  118-121
  5.4 小结  121-122
第6章仿生叶片的设计和效果验证  122-132
  6.1 前言  122
  6.2 仿生叶片的设计计算  122-126
    6.2.1 保水层对仿生叶片温度的影响  122-123
    6.2.2 吸脱附速率控制层的作用  123-124
    6.2.3 吸脱附层对仿生叶片温度的影响  124-126
  6.3 仿生叶片效果验证实验  126-130
  6.6 小结  130-132
第7章总结与展望  132-136
附录a 利用BET模型计算比表面积  136-138
附录b 利用BJH模型计算中孔孔径分布  138-140
附录c 利用HK模型计算微孔孔径分布  140-142
在读期间发表的学术论文和取得的研究成果  142-144
致谢  144

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