雙凸翼型茶園防霜機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究.pdf

1、防霜風(fēng)機(jī)是一種基于逆溫氣流擾動(dòng)的機(jī)械化防霜裝備，隨著國外技術(shù)產(chǎn)品引進(jìn)和國內(nèi)自主研發(fā)，一種小型的茶園防霜扇在國內(nèi)得到一定范圍的推廣應(yīng)用。但其防霜面積小、安裝維護(hù)量大、相對(duì)成本較高。為進(jìn)一步提高防霜效果，降低單位面積的防霜成本，面向丘陵地區(qū)茶園的大規(guī)模應(yīng)用，在農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“茶園綜合作業(yè)機(jī)械化技術(shù)與裝備研究”的資助下，本論文試驗(yàn)研究茶園近地更高范圍內(nèi)逆溫的變化動(dòng)態(tài)，建立雙凸翼型茶園防霜系統(tǒng)模型并進(jìn)行作用過程仿真，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種大型

2、高架防霜風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行樣機(jī)的性能和防霜效果測試。主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下:
　　(1)茶園近地高空氣流擾動(dòng)防霜作用分析在典型霜凍條件下，試驗(yàn)測試了茶園近地上方16m高空范圍內(nèi)空氣溫度場變化動(dòng)態(tài)。結(jié)果表明:在此高度范圍內(nèi)，氣溫隨著高度的增加而升高，其中在9～10 m高度范圍內(nèi)，平均氣溫增幅最大，為0.75℃/m;而在10～16 m高度范圍內(nèi)，平均氣溫雖繼續(xù)升高，但增幅變小。為達(dá)到較為理想的防霜效果，氣流擾動(dòng)的中心高度應(yīng)在近地約10m

3、處。
　　基于此氣流擾動(dòng)中心高度，設(shè)定入口氣流俯角分別為7°、14°、21°和28°，進(jìn)行防霜作用的CFD數(shù)值模擬。初始條件為:入口風(fēng)速9m/s，入口氣溫3.85℃，近地1m高度的茶樹冠層處氣溫-2.15℃。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析可知，俯角為14°時(shí)的氣流擾動(dòng)綜合效果最好，此時(shí)在近地1m高度的水平面上，風(fēng)速不低于2 m/s的覆蓋范圍為近似紡錘形，其縱向最大長度約為80 m;在此覆蓋范圍內(nèi)，氣流擾動(dòng)后氣溫均升高3℃以上，使茶樹冠層高

4、度處氣溫維持在0.85℃以上，從而可滿足防霜要求。
　　(2)雙凸翼型茶園防霜機(jī)葉輪設(shè)計(jì)與仿真在防霜機(jī)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立其核心部件—雙凸翼型葉輪的實(shí)體模型。首先針對(duì)NACA8h12翼型，通過平面繞流數(shù)值計(jì)算，分析其不同來流攻角下的氣動(dòng)特性。結(jié)果表明:在0～18°的來流攻角范圍內(nèi)，升力系數(shù)和阻力系數(shù)均隨攻角的增大而增大，但當(dāng)攻角為18°時(shí)，葉片尾部附近開始出現(xiàn)分離渦流，從而導(dǎo)致失速。
　　然后在工況下對(duì)雙凸翼型葉輪進(jìn)行CF

5、D仿真，分析其表面壓力分布特征。結(jié)果表明:在葉片的吸力面和壓力面，最大的動(dòng)壓和靜壓均分布在葉輪的兩端，且遠(yuǎn)小于葉輪材料所能承受的拉伸和彎曲強(qiáng)度;對(duì)動(dòng)壓分布區(qū)域進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)可知，0～800Pa范圍的動(dòng)壓值占總體分布的97％以上，而其中0～200 Pa范圍的動(dòng)壓值占總體分布的50％以上。
　　(3)雙凸翼型茶園防霜機(jī)基本性能及防霜效果測試自主設(shè)計(jì)并研制了雙凸翼型茶園防霜機(jī)樣機(jī)，其主電機(jī)功率45 kW，葉輪直徑4.44 m，轉(zhuǎn)速265

6、rpm，安裝高度10m，安裝俯角14°。
　　首先，在無風(fēng)條件下，進(jìn)行了防霜機(jī)無擺動(dòng)時(shí)風(fēng)速分布特征測試。結(jié)果表明:在茶樹冠層高度平面上，其風(fēng)速分布呈近似紡錘形，而防霜機(jī)正前方11m范圍為無風(fēng)的盲區(qū);隨著距離的增大，防霜機(jī)正前方20～40 m范圍為強(qiáng)風(fēng)區(qū)，風(fēng)速可達(dá)到3～4m/s;40～65 m范圍內(nèi)仍維持1～3 m/s的較高風(fēng)速;但之后隨著距離的增大，風(fēng)速迅速降低，至80 m處風(fēng)速約為0.6 m/s。在防霜機(jī)正前方兩側(cè)、茶樹冠層高度

7、平面上，風(fēng)速分布基本對(duì)稱;在防霜機(jī)正前方50～60 m范圍內(nèi)，覆蓋的最大寬度約為32 m。該防霜機(jī)在360°擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可覆蓋面積約2 ha。
　　然后，于2014年早春進(jìn)行了茶園防霜效果試驗(yàn)。結(jié)果表明:該防霜機(jī)的有效防霜范圍超出防霜機(jī)正前方75 m，其正前方12m范圍內(nèi)為防霜盲區(qū);該防霜機(jī)有效地打破茶園近地逆溫層，顯著提高了茶樹冠層處的氣溫，防霜效果明顯。在防霜機(jī)的作用區(qū)域，4∶00～6∶20時(shí)段內(nèi)茶樹冠層處的氣溫比對(duì)照平均提高