茶園吸排式防霜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究.pdf

1、近年來(lái)倒春寒晚霜凍害頻繁發(fā)生,給茶產(chǎn)業(yè)造成了巨大損失,防止或減輕霜凍害已成為茶農(nóng)們首要解決的問(wèn)題,而傳統(tǒng)的防霜方法,如煙熏、覆蓋、灌水等,已無(wú)法滿足大規(guī)模、高效的防霜要求。對(duì)于機(jī)械化防霜方法及裝備的研究,國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。國(guó)外的機(jī)械化防霜裝備,制造和使用成本高、安裝維護(hù)不方便,且有防霜盲區(qū);有少量示范應(yīng)用的吸排式防霜風(fēng)筒,其防霜效果尚不明確。因此,本文通過(guò)對(duì)茶園地形逆溫特點(diǎn)、吸排式防霜作用原理、風(fēng)筒建模與CFD仿真、以及整機(jī)田間防霜效

2、果驗(yàn)證進(jìn)行研究,改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案后設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型吸排式防霜裝置。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)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(shí),通過(guò)對(duì)洼地茶園茶樹(shù)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(yàn)結(jié)果表明,地形逆溫多發(fā)生在晴朗無(wú)風(fēng)或是少風(fēng)的夜晚,逆溫現(xiàn)象從22:30持續(xù)到清晨06:30,且坡底比坡頂溫度低;同時(shí),茶園坡底垂直方向上6m逆溫程度最大,最大逆溫差可達(dá)5～6℃

3、,日出后逆溫現(xiàn)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(chǎng)分布,通過(guò)風(fēng)機(jī)擾動(dòng)近地逆溫層空氣,將茶園下方冷空氣經(jīng)強(qiáng)制對(duì)流吸排至茶園上方,阻止下方冷空氣長(zhǎng)期沉積,達(dá)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(xiàn)有吸排式風(fēng)筒防霜效果的可行性研究
　　 通過(guò)建模仿真和防霜效果實(shí)證試驗(yàn),探析現(xiàn)有吸排式防霜風(fēng)筒的可行性。利用Pro/E對(duì)茶園吸排式防霜風(fēng)筒建模,其主要由軸流風(fēng)機(jī)、支

4、撐結(jié)構(gòu)、排風(fēng)筒以及傳動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)等組成。通過(guò)CFD模擬吸排式防霜風(fēng)筒的作用過(guò)程,可知其在有限范圍內(nèi)的最大增溫為5℃。
　　 2011年3月～4月進(jìn)行防霜效果試驗(yàn)的結(jié)果表明,僅以風(fēng)筒為中心半徑5m范圍內(nèi),可以達(dá)到預(yù)定的的防霜效果。分析知影響防霜效果的主要參數(shù)之一是風(fēng)機(jī)揚(yáng)程,而現(xiàn)有結(jié)構(gòu)防霜風(fēng)筒的強(qiáng)制對(duì)流高度僅為20～30m,揚(yáng)程過(guò)低使吸排出的冷空氣迅速下沉,導(dǎo)致防霜區(qū)域處于冷空氣循環(huán)狀態(tài),無(wú)法達(dá)到防霜的目的。因此,現(xiàn)有結(jié)構(gòu)吸排式防

5、霜風(fēng)筒存在嚴(yán)重的技術(shù)缺陷,需進(jìn)一步改進(jìn)其結(jié)構(gòu)和功能。
　　 (3)吸排式防霜風(fēng)筒技術(shù)的改進(jìn)
　　 在結(jié)構(gòu)上提出三種可行的改進(jìn)方案:一是將排風(fēng)筒向上延伸至足夠高度;二是將排風(fēng)筒延展到茶園外部;三是利用吸抽上來(lái)的冷空氣作為新的動(dòng)力源,實(shí)現(xiàn)由上至下的氣流擾動(dòng)防霜。
　　 分別設(shè)計(jì)三種改進(jìn)方案的結(jié)構(gòu)和組成,并根據(jù)其制造成本、安裝維護(hù)性等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和選優(yōu),確定最佳改進(jìn)方案。對(duì)選定改進(jìn)方案進(jìn)行CFD仿真,結(jié)果知其有效的防霜

6、面積可達(dá)7.5畝,在此范圍內(nèi)擾動(dòng)后茶樹(shù)冠層高度處的增溫最大可達(dá)6℃,且不存在防霜盲區(qū)。
　　 (4)吸排式防霜控制技術(shù)研究
　　 采用雙路溫度傳感器,分別安設(shè)于茶樹(shù)冠層處,以及茶園上方;僅當(dāng)茶樹(shù)冠層溫度T0小于臨界溫度Tc,且逆溫差△T存在,同時(shí)大于逆溫差閾值Tn時(shí),吸排式防霜裝置才會(huì)啟動(dòng)運(yùn)行;反之,逆溫差△T小于逆溫差閾值Tn或茶樹(shù)冠層溫度T0大于臨界溫度Tc時(shí),防霜裝置關(guān)閉。在日出之后,設(shè)定延時(shí)關(guān)閉控制。此外還分析了