Applicability of similarity theory to soil temperature

Öz

Similarity theory can help to interpret of experimental data with determining dimensionless components of some variables, in this case help to solution of heat conductivity equation expressing soil temperature. In this study, soil temperature values along the soil profiles of Vertisol, Iceptisol and Entisol in Çarşamba District of Samsun were measured and heat diffusivity coefficients were estimated. Dimensionless temperature function was obtained according to similarity theory, also π similarity criteria values were determined depend on soil depth, time and heat diffusion coefficient. It was determined that dimensionless temperature function varied between 0.27 and 0.69, while π similarity criteria varied between 0.221 and 0.323. The significant regression coefficient (R=0.593) between dimensionless temperature function and similarity criteria shows that the similarity of soil temperature change in different soil horizons can be determined using similarity criteria values.

Anahtar Kelimeler

• Soil horizon,temperature,dimensionless temperature function,similarity theory,similarity criteria value

Benzerlik teorisinin toprak sıcaklığına uygulanabilirliği

Öz

Benzerlik teorisi bazı değişkenlerin boyutsuz bileşenlerinin belirlenmesiyle deneysel verilerin yorumlanmasına, bu nedenle toprak sıcaklığını ifade eden ısı taşınımı denkleminin çözümüne de yardımcı olabilmektedir. Bu çalışmada, Samsunun Çarşamba ilçesindeki Vertisol, Inceptisol, Entisol topraklarda profil boyunca sıcaklık değerleri ölçülmüş ve ısısal yayınım katsayıları hesaplanmıştır. Boyutsuz sıcaklık fonksiyonu benzerlik teorisine göre oluşturulmuş, aynı zamanda toprak derinliğine, zamana ve ısısal yayınım katsayısına bağlı olarak, π benzerlik kriteri değerleri belirlenmiştir. Boyutsuz sıcaklık fonksiyonunun 0.27 ve 0.69 arasındaki değişimine karşılık, π benzerlik kriterinin 0.221 ve 0.323 arasında değiştiği saptanmıştır. Boyutsuz sıcaklık fonksiyonu ile benzerlik kriteri arasında belirlenen önemli düzeydeki regresyon katsayısı (R=0.593), benzerlik kriteri değerlerinden yararlanarak toprakların farklı horizonlarındaki sıcaklık değişimine ait benzerliğin belirlenebileceğini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Toprak horizonu,sıcaklık,boyutsuz sıcaklık fonksiyonu,benzerlik teorisi,benzerlik kriteri değeri

Kaynakça

1. Afify AA, 2009. Similarity solution in MHD: Effects of thermal diffusion and diffusion thermo on free convective heat and mass transfer over a stretching surface considering suction or injection. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation 14: 2202–2214.
2. Arias-Penas D, Castro-Garcia MP, Rey-Ronco MA, Alonso-Sanchez T, 2015. Determining the thermal diffusivity of the ground based on subsoil temperatures. Preliminary results of an experimental geothermalborehole study Q-THERMIE-UNIOVI. Geothermics 54: 35–42.
3. Blasius H, 1908. Grenzschichten in flüssigkeiten mit kleiner reibung. Z. Math. Phys. 56: 1–37.
4. Bridjmen PV, 1934. Analiz razmernostey. ONTİ Press, Moskova-Leningrad, 119 s.
5. Buckingham E, 1914. On Physically Similar Systems: Illustrations of the Use of Dimensional Analysis. Phys. Rev. 4: 345.
6. Correia A, Vieira G, Ramos M, 2012. Thermal conductivity and thermal diffusivity of cores from a 26 meter deep borehole drilled in Livingston Island, Maritime Antarctic. Geomorphology 155(156): 7–11.
7. Dengiz O, Erel A, Erkocak A, Durmuş M, 2012. Kuşkonağı Havzası Temel Toprak Özellikleri, Sınıflandırılması ve Haritalanması. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi 49(1): 71-82.
8. Dengiz O, Kızılkaya R, Erkocak A, Durmus M, 2013. Variables of Microbial Response in Natural Soil Aggregates for Soil Characterization in Different Fluvial Land Shapes. Geomicrobiology Journal 30: 100-107.

9. Durmuş M, Erkoçak A, Kızılkaya R, Dengiz O, 2011. Alüviyal araziler üzerinde oluşan farklı toprakların katalaz enzim aktivitelerindeki değişimin belirlenmesi. Prof. Dr. Nuri Munsuz Ulusal Toprak ve Su Sempozyumu. 25-27 Mayıs 2011, Ankara, s.153-159.
10. Ekberli İ, Gülser C, Mamedov A, 2015. Toprakta bir boyutlu ısı ietkenlik denkleminin incelenmesinde benzerlik teorisinin uygulanması. Süleyman Demirel Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi 10 (2): 69-79.
11. Gilding BH, 1982. Similarity solutions of the porous media equation. Journal of Hydrology 56 (3–4): 251-263.
12. Guhman AA, 1973. Vvedeniye v teoriya podobiya. Vısşaya Şkola Press, Moskova, 254 s.
13. Ihsak A, 2010. Similarity solutions for flow and heat transfer over a permeable surface with convective boundary condition. Applied Mathematics and Computation 217: 837–842.
14. İsacenko VP, Osipova, VA, Sukomel AS, 1981. Teploperedaça. Energoizdat Press, Moskova, s. 129-146.
15. Kirpiçev MV, Konakov PK, 1949. Matematiçeskiye osnovı teori podobiya. AN SSSR Press, Moskova-Leningrad, 98 s.
16. Kreith F, Black WZ, 1983. Basic heat transafer, Mir Pres, Moskova, s.33-40.
17. Luikov AV, 1967. Teoriya teploprovodnosti. Vısşaya Şkola Press, Moskova, s. 33-43.
18. Moiseev KG, 2004. Application of similarity theory for the study of soil compaction phenomena. Pochvovedenie 8: 934-936.
19. Moiseev KG, İvanova KF, 2000. Primeneniye teori podobiya pri izuçenii sdviga pocv. Pochvovedenie 10: 1233-1237.
20. Okoya SS, 2001. Simılarity temperature profiles for some nonlinear reaction - diffusion equations. Mechanics Research Communications 28(4): 477-484.
21. Rohesenow WM, Hartnett JP, eds., 1973. Handbook of heat transfer, Sec. 3 (by P.J. Schneider), McGraw, New York.
22. Samanta S, Guha A, 2012. A similarity theory for natural convection from a horizontal plate for prescribed heat flux or wall temperature. International Journal of Heat and Mass Transfer 55: 3857–3868.
23. Sedov Lİ, 1967. Metodı podobiya i razmernosti v mehanike. Nauka Press, Moskova, 428 s.
24. Soil Survey Staff, 1999. Soil Taxonomy. A Basic of Soil Classification for Making and Interpreting Soil Survey. U.S.D.A Handbook No: 436, Washington D.C.
25. Sterling AT, Jackson RD, 1986. Temperature. In: Klute, A. (Ed.), Methods of Soil Analysis Part 1. Physical and Mineralogical Methods. Agronomy Monograph No: 9, ASA, SSSA, Madison WI.
26. Trombotto D, Borzotta E, 2009. Indicators of present global warming through changes in active layer-thickness, estimation of thermal diffusivity and geomorphological observations in the Morenas Coloradas rockglacier, Central Andes of Mendoza, Argentina. Cold Regions Science and Technology 55: 321–330.
27. Turcotte DL, Schubert G, 1985. Geodynamics. Applications of continuum physics to geological problems (Volume 1). Mir Press, Moskova, s. 219-320.
28. Xu G, Li Y, Deng H, Li H, Yu X, 2015. The application of similarity theory for heat transfer investigation in rotational internal cooling channel. International Journal of Heat and Mass Transfer 85: 98–109.
29. Yudayev BN, 1973. Teploperedaca. Vısşaya Şkola Press, Moskova, s. 38-52.