茶園吸排式防霜系統(tǒng)設計與仿真研究.pdf

1、近年來倒春寒晚霜凍害頻繁發(fā)生,給茶產業(yè)造成了巨大損失,防止或減輕霜凍害已成為茶農們首要解決的問題,而傳統(tǒng)的防霜方法,如煙熏、覆蓋、灌水等,已無法滿足大規(guī)模、高效的防霜要求。對于機械化防霜方法及裝備的研究,國內尚處于起步階段。國外的機械化防霜裝備,制造和使用成本高、安裝維護不方便,且有防霜盲區(qū);有少量示范應用的吸排式防霜風筒,其防霜效果尚不明確。因此,本文通過對茶園地形逆溫特點、吸排式防霜作用原理、風筒建模與CFD仿真、以及整機田間防霜效

2、果驗證進行研究,改進結構方案后設計開發(fā)新型吸排式防霜裝置。主要研究內容與結果如下:
　　 (1)茶園地形逆溫特征研究與吸排式防霜原理分析
　　 在晚霜發(fā)生時,通過對洼地茶園茶樹冠層溫度空間分布規(guī)律的研究,確定了地形逆溫下溫度上高下低的分布特征。試驗結果表明,地形逆溫多發(fā)生在晴朗無風或是少風的夜晚,逆溫現象從22:30持續(xù)到清晨06:30,且坡底比坡頂溫度低;同時,茶園坡底垂直方向上6m逆溫程度最大,最大逆溫差可達5～6℃

3、,日出后逆溫現象逐漸消失。
　　 吸排式防霜作用原理主要是利用地形逆溫特有的溫度場分布,通過風機擾動近地逆溫層空氣,將茶園下方冷空氣經強制對流吸排至茶園上方,阻止下方冷空氣長期沉積,達到防霜目的。因此,吸排式防霜原理在理論上具有可行性。
　　 (2)現有吸排式風筒防霜效果的可行性研究
　　 通過建模仿真和防霜效果實證試驗,探析現有吸排式防霜風筒的可行性。利用Pro/E對茶園吸排式防霜風筒建模,其主要由軸流風機、支

4、撐結構、排風筒以及傳動系統(tǒng)和電動機等組成。通過CFD模擬吸排式防霜風筒的作用過程,可知其在有限范圍內的最大增溫為5℃。
　　 2011年3月～4月進行防霜效果試驗的結果表明,僅以風筒為中心半徑5m范圍內,可以達到預定的的防霜效果。分析知影響防霜效果的主要參數之一是風機揚程,而現有結構防霜風筒的強制對流高度僅為20～30m,揚程過低使吸排出的冷空氣迅速下沉,導致防霜區(qū)域處于冷空氣循環(huán)狀態(tài),無法達到防霜的目的。因此,現有結構吸排式防

5、霜風筒存在嚴重的技術缺陷,需進一步改進其結構和功能。
　　 (3)吸排式防霜風筒技術的改進
　　 在結構上提出三種可行的改進方案:一是將排風筒向上延伸至足夠高度;二是將排風筒延展到茶園外部;三是利用吸抽上來的冷空氣作為新的動力源,實現由上至下的氣流擾動防霜。
　　 分別設計三種改進方案的結構和組成,并根據其制造成本、安裝維護性等進行綜合評價和選優(yōu),確定最佳改進方案。對選定改進方案進行CFD仿真,結果知其有效的防霜

6、面積可達7.5畝,在此范圍內擾動后茶樹冠層高度處的增溫最大可達6℃,且不存在防霜盲區(qū)。
　　 (4)吸排式防霜控制技術研究
　　 采用雙路溫度傳感器,分別安設于茶樹冠層處,以及茶園上方;僅當茶樹冠層溫度T0小于臨界溫度Tc,且逆溫差△T存在,同時大于逆溫差閾值Tn時,吸排式防霜裝置才會啟動運行;反之,逆溫差△T小于逆溫差閾值Tn或茶樹冠層溫度T0大于臨界溫度Tc時,防霜裝置關閉。在日出之后,設定延時關閉控制。此外還分析了