双凸翼型茶园防霜机设计与试验研究

摘要

防霜风机是一种基于逆温气流扰动的机械化防霜装备，随着国外技术产品引进和国内自主研发，一种小型的茶园防霜扇在国内得到一定范围的推广应用。但其防霜面积小、安装维护量大、相对成本较高。为进一步提高防霜效果，降低单位面积的防霜成本，面向丘陵地区茶园的大规模应用，在农业部公益性行业科研专项“茶园综合作业机械化技术与装备研究”的资助下，本论文试验研究茶园近地更高范围内逆温的变化动态，建立双凸翼型茶园防霜系统模型并进行作用过程仿真，设计开发了一种大型高架防霜风机系统，并进行样机的性能和防霜效果测试。主要研究内容与结果如下:
　　(1)茶园近地高空气流扰动防霜作用分析在典型霜冻条件下，试验测试了茶园近地上方16m高空范围内空气温度场变化动态。结果表明:在此高度范围内，气温随着高度的增加而升高，其中在9～10 m高度范围内，平均气温增幅最大，为0.75℃/m;而在10～16 m高度范围内，平均气温虽继续升高，但增幅变小。为达到较为理想的防霜效果，气流扰动的中心高度应在近地约10m处。
　　基于此气流扰动中心高度，设定入口气流俯角分别为7°、14°、21°和28°，进行防霜作用的CFD数值模拟。初始条件为:入口风速9m/s，入口气温3.85℃，近地1m高度的茶树冠层处气温-2.15℃。对仿真结果进行比较分析可知，俯角为14°时的气流扰动综合效果最好，此时在近地1m高度的水平面上，风速不低于2 m/s的覆盖范围为近似纺锤形，其纵向最大长度约为80 m;在此覆盖范围内，气流扰动后气温均升高3℃以上，使茶树冠层高度处气温维持在0.85℃以上，从而可满足防霜要求。
　　(2)双凸翼型茶园防霜机叶轮设计与仿真在防霜机总体设计的基础上，建立其核心部件—双凸翼型叶轮的实体模型。首先针对NACA8h12翼型，通过平面绕流数值计算，分析其不同来流攻角下的气动特性。结果表明:在0～18°的来流攻角范围内，升力系数和阻力系数均随攻角的增大而增大，但当攻角为18°时，叶片尾部附近开始出现分离涡流，从而导致失速。
　　然后在工况下对双凸翼型叶轮进行CFD仿真，分析其表面压力分布特征。结果表明:在叶片的吸力面和压力面，最大的动压和静压均分布在叶轮的两端，且远小于叶轮材料所能承受的拉伸和弯曲强度;对动压分布区域进行概率统计可知，0～800Pa范围的动压值占总体分布的97％以上，而其中0～200 Pa范围的动压值占总体分布的50％以上。
　　(3)双凸翼型茶园防霜机基本性能及防霜效果测试自主设计并研制了双凸翼型茶园防霜机样机，其主电机功率45 kW，叶轮直径4.44 m，转速265 rpm，安装高度10m，安装俯角14°。
　　首先，在无风条件下，进行了防霜机无摆动时风速分布特征测试。结果表明:在茶树冠层高度平面上，其风速分布呈近似纺锤形，而防霜机正前方11m范围为无风的盲区;随着距离的增大，防霜机正前方20～40 m范围为强风区，风速可达到3～4m/s;40～65 m范围内仍维持1～3 m/s的较高风速;但之后随着距离的增大，风速迅速降低，至80 m处风速约为0.6 m/s。在防霜机正前方两侧、茶树冠层高度平面上，风速分布基本对称;在防霜机正前方50～60 m范围内，覆盖的最大宽度约为32 m。该防霜机在360°摆动运行时，可覆盖面积约2 ha。
　　然后，于2014年早春进行了茶园防霜效果试验。结果表明:该防霜机的有效防霜范围超出防霜机正前方75 m，其正前方12m范围内为防霜盲区;该防霜机有效地打破茶园近地逆温层，显著提高了茶树冠层处的气温，防霜效果明显。在防霜机的作用区域，4∶00～6∶20时段内茶树冠层处的气温比对照平均提高了3.51℃;此外，在防霜机的强风区域内茶树冠层处的空气相对湿度平均为71.8％，比对照的99.5％，有显著降低。
　　本论文设计和研发的双凸翼型茶园防霜机，达到了预期的防霜效果，防霜面积较传统防霜机大幅提高，单位面积的防霜成本明显降低，适合于进行大规模地推广应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究内容与方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．4 本章小结

第2章 茶园近地高空气流扰动防霜作用分析

2．1 近地高空逆温测试

2．1．1 辐射逆温特点

2．1．2 试验材料与方法

2．1．3 试验结果与分析

2．2 气流扰动防霜作用CFD仿真

2．2．1 气流扰动过程的控制方程

2．2．2 系统作用过程CFD仿真

2．2．3 仿真结果与分析

2．3 本章小结

第3章 双凸翼型茶园防霜机设计

3．1 总体设计

3．1．1 设计方案

3．1．2 叶片选型

3．2 选型叶片气动性分析

3．2．1 翼型空气动力学

3．2．2 计算模型

3．2．3 网格划分及边界条件

3．2．4 计算过程监视与收敛性

3．2．5 仿真结果分析

3．3 叶轮性能分析

3．3．1 计算模型

3．3．2 网格划分及边界条件

3．3．3 计算过程监视与收敛性

3．3．4 仿真结果分析

3．4 本章小结

第4章 双凸翼型茶园防霜机性能试验

4．1 研制样机技术规格

4．2 性能测试试验

4．2．1 试验材料及方法

4．2．2 试验结果与分析

4．3 田间防霜效果试验

4．3．1 试验材料及方法

4．3．2 试验结果及分析

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 研究总结

5．2 研究展望

致谢

参考文献

附录

硕士期间发表论文、专利申请及参与科研工作