茶园防霜风机的气流扰动与温度变化解析

吉 毅

（武昌工学院，湖北武汉 430065）

茶园防霜风机的气流扰动与温度变化解析

吉 毅

（武昌工学院，湖北武汉 430065）

为了能够更好地研究受风机影响三维流场和温度场的状况，采用计算动力学的方式开展数值计算，进一步分析气流的温度变化以及扰动特征。经过详细计算得出：在xyz方向，风机出口角速度的分量比例呈现固定状态，就是定值，并不会因为角速度的变化而变化；在角速度增加到一定的临界值时，就会在三维流场的中间形成一个单边宽度为1.5米，直径为4至6米的类似于三角形的螺旋涡，这个漩涡的中心气流速度会因为角速度增加而不断增大，但风机和漩涡中心之间的距离并没有出现明显的增加。在离地面约1.2米的茶树冠的地方，因为长期受到辐射和蒸发的影响，风速最大的区域和温度升高的最大区域之间存在着一定的偏差。如果采用平均法在温度最高的区域选取相应的监测点，如果角速度达到1150r/min时，则这个监测点的温度升到最高。通过空间流线变化的分析，从而得出安装风机的最合适的位置是在35.5度这个角度左右，下文将详细分析这一问题。

茶园；三位流场；风机；CFD

茶叶种植受自然灾害的影响较大，最为明显的是霜冻灾害，对茶树伤害很大，因而导致很多产茶区域损失惨重。我国作为产茶大国，茶叶种植面积广泛，如果能够研究出防霜冻的办法，对茶叶种植将产生积极影响。近年，以江苏大学为首的研究团队立足于我国产茶地区的地形、气候等基本条件，重点研究了茶树的防冻害问题，并有一定的进展。他们认为关于风机防霜冻的理论主要为：一是要保证茶树冠层地方的温度，需要将逆温层的空气对流下来；二是要把茶树冠层地方的低温空气派送到逆温层。在这些理论的支撑下，很多人开展了相关实验，分别开展了对流场、风机的研究。

在CFD风机作用下，很难有资料能够查到气流的温度以及流场所发生的变化。之前相关学者是通过实验来研究防霜冻机的，所以采用CFD数值来进行研究则被视作是一种新兴研究方式，有效的补充了实验研究。采用数值研究茶园防霜冻问题，是笔者创造的一种新型研究方式。本文主要利用的是计算流体动力学的方式，在考虑了温度、湿度以及辐射等因素的情况下，通过控制风机的转速，模拟风积作用下的流畅的情形。并进一步分析，在变化的转速下，气流和温度之间的关系是怎么样的。经过分析以后发现，只有确立了最合理的转速，才能够确定最佳的安放风机的角度，这可以有效规避实验研究产生的系列问题。利用有效的理论指导，提升风机的运行效果，能够最大限度的发挥放霜冻作用。

1 计算具体数值

1.1 理论研究

风机的主要作用就是将上层逆温层高温度空气吹响低温度区，从而保护茶树冠层，最终使整个茶园都能够经受住霜冻的伤害。但是，风机所输送的气流大小要适宜，其防霜冻的效果都不会太理想，有时甚至会增加霜冻的危害性。以茶园农业知识、气象力学、传热学等科学知识作为指导，通过具体的数值来进行计算，继而研究温度変化、气流同具体空间分布的相关关系。整个运行过程主要涉及到了能量守恒原理，无论是逆温层还是低温曾，两者的温度总和是恒定的。

1.2 数值模型

本文主要研究的模型是NK-1028YD型号的风机，采用实验的方式研究安放角、掠角等对风机的风量以及风速等的影响，并且进一步优化设计。选择了风机的作用区以后，依照茶园实际情况确定如何安装风机，选择合适的行距，再选则合适的长宽高，一般为20米、10米。因此，将风机安装在了离地面6米高的、倾斜角为15度的位置。

1.3 网格划分

利用商业用的CFD软件ICEM，采用网格划分的形式将风机作用区域和旋转区域划分开来。经过比较，风机旋转区域的网格数量都比较少，而且密度很大。与之相对，风积作用区域的网格数量则比较多，而且对网格的划分也很频繁。通过模拟计算可以发现，主要网格的质量好，则会影响很多因素，比如说数据的精准性、稳定性和效率都会提升，而网格的质量往往会决定最后的网格数。经过计算，最终的网格数为2401783，而风机区域的网格数则为160028,，风机起作用的区域网格数则为2242656。在此之下，网格质量基本都比较稳定，处于最好状态，计算所得出的结果也精准无误。为了更好研究流场分布，主要选择的是K-e模型。将片叶以及风机旋转区域都设置成为开放的形式。这种计算方式的创新之处主要在于能够测出的参数来确定最终的数据，而且最终得出的结果是可靠的。

2 计算结果分析

2.1 叶片压力分析

风机叶片压力并不是恒定的。转速是快是慢，工作面和背面所面对的压力都是在发生变化的。如果风机的转速增加，则工作面以及背面都会受到更大的压力。从风机出来的风的速度和方向都是一致的，经过具体的计算以后发现，角速度比例变化不会因为转速的变化而变化，所以风机的运行状态是平稳、有序的，没有出现上下波动。当转速升高时，叶片无论是正面还是背面的压力都会增大，除此之外，还有环量强度和升力也在不断扩大，这就有效的推动了空间流体充分发展，高速状态下形成了旋涡，这种状态是满足赫姆霍兹基本定理的。再来看边界条件，在考虑参考压力时，一般都是以一个标准气压作为标准的，主要是看标准气压值。如果高于标准大气压则为正值。与之相对，风机工作压力免和背面所承受的压力情况是相反的，是一正一负。在相同的叶片上，风速和工作面压力、压力差都是呈正相关的，风速越大，则相应区域的压力也是越大。随着转速变化，转速增加，压力差则会不断增大。这些结果符合理论分析，这就表明模拟是具有可靠性的。

2.2 茶树冠层速度、温度变化的分析

从茶树的树冠开始算起，到地面的距离大约在1.2米左右，我们确立这个点就是观测点，用于检测具体的温度，这样可以更加精准的测定速度和温度之间所出现的变化。温度最高区域并不一定绝对是风速最高区域，这中间是存在一定偏差的。通过分析得知，在风速过大时，则会导吸热和蒸发都很快，使得茶树冠层的温度净增量不断减少，而且空气的温度和茶树的温度是呈正相关的。因为受到多个因素的影响，所以温度的变化是呈现曲线的，而不是直线变化。风机转速大小影响了推动空气的流速，而且还会影响上下层的温度，这样使得逆温差进一步缩小，其持续的时间也不断缩短。通过监测在不同转速下风机发生作用得出的温度变化数据，从监测点的数据可以看出，其速度变化是随着风机转速的增加而直线增加，但温度的具体变化是呈曲线状态的。如果增速和转速之间不统一的话，温度反而会下降。要使温度升起来后保持在一个平稳的状态，风速达到1150r/min即可，而达到1250r/min的时候，温度达到最高值。在以后选用防霜机的过程中，要把风机在转动的时候的蒸发问题考虑在内，这一因素对温度有很大的影响，只有都把影响因素考虑全了，才保证风机能够最大限度发挥作用。因为受到角速度影响，风机整个速度和平面速度并不是垂直的，而且具体方向也不收叶片的形状影响，旋转力的方向不会受到转机速度的干扰。风机的转速会呈现不断增加的状态，如果增加到了临界值，就会出现和三角形相似的螺旋流其半径在3米至4.5米之间，其单边宽度则在1.5米左右。漩涡中心并不是一成不变的，会在转动过程中出现偏移，从而形成大约十八度的夹角。如果转的更快，而且气流也在增加，则气流的扰动速度会不断增加。经过检测后发现，这个增长的幅度很大。但是，通过检测发现，螺旋流中心和风机之间距离并没有出现明显的增加。之所以会出现这个现象，其主要原因就在于：螺旋流的出现是受风机转速影响的，螺旋流的具体位置是受风机具体位置决定的。通过计算检测后盾额数据，从而得出最终的结果，将风机安放在35.5度的时候效果是最好的，茶树冠层的温度会显著升高，从而保护茶树免于被冻伤。如果推广到整个产茶区域，则可以解决茶农们的大难题，有利于保障他们的收入。

结语

通过分析发现，在茶树冠层地方，只要茶树的冠层的温度上升，则转速肯定是增加的。而温度是处于变化状态的，具体变化则是先增大后减小。转速大小、茶树冠受到的辐射程度、水分蒸发都会对温度变化产生影响。在考虑了众多的影响因素之后，最终得出风机发挥最大效果的转速是1150r/min。通过比较其他实验研究，这种研究方式的优势体现的非常明显，能够节约大把时间和人力物力。通过精准检测，再进行计算以后从而发展了温度发展变化的规律，最终找到了安放风机的最优位置，从而保证冬季的时候茶树免受霜冻伤害，这无疑是给众多产茶区域带来了福音，为后面在茶园安放风机防霜冻提供参考。

[1]赵镇南.传热学[M].北京:高等教育出版社，2002.

[2]华自强.工程热力学[M].北京:高等教育出版社，1979.