茶園防霜風(fēng)機(jī)的氣流擾動(dòng)與溫度變化解析

吉 毅

（武昌工學(xué)院，湖北武漢 430065）

茶園防霜風(fēng)機(jī)的氣流擾動(dòng)與溫度變化解析

吉 毅

（武昌工學(xué)院，湖北武漢 430065）

為了能夠更好地研究受風(fēng)機(jī)影響三維流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的狀況，采用計(jì)算動(dòng)力學(xué)的方式開展數(shù)值計(jì)算，進(jìn)一步分析氣流的溫度變化以及擾動(dòng)特征。經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算得出：在xyz方向，風(fēng)機(jī)出口角速度的分量比例呈現(xiàn)固定狀態(tài)，就是定值，并不會(huì)因?yàn)榻撬俣鹊淖兓兓?；在角速度增加到一定的臨界值時(shí)，就會(huì)在三維流場(chǎng)的中間形成一個(gè)單邊寬度為1.5米，直徑為4至6米的類似于三角形的螺旋渦，這個(gè)漩渦的中心氣流速度會(huì)因?yàn)榻撬俣仍黾佣粩嘣龃?，但風(fēng)機(jī)和漩渦中心之間的距離并沒有出現(xiàn)明顯的增加。在離地面約1.2米的茶樹冠的地方，因?yàn)殚L(zhǎng)期受到輻射和蒸發(fā)的影響，風(fēng)速最大的區(qū)域和溫度升高的最大區(qū)域之間存在著一定的偏差。如果采用平均法在溫度最高的區(qū)域選取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如果角速度達(dá)到1150r/min時(shí)，則這個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度升到最高。通過空間流線變化的分析，從而得出安裝風(fēng)機(jī)的最合適的位置是在35.5度這個(gè)角度左右，下文將詳細(xì)分析這一問題。

茶園；三位流場(chǎng)；風(fēng)機(jī)；CFD

茶葉種植受自然災(zāi)害的影響較大，最為明顯的是霜凍災(zāi)害，對(duì)茶樹傷害很大，因而導(dǎo)致很多產(chǎn)茶區(qū)域損失慘重。我國(guó)作為產(chǎn)茶大國(guó)，茶葉種植面積廣泛，如果能夠研究出防霜凍的辦法，對(duì)茶葉種植將產(chǎn)生積極影響。近年，以江蘇大學(xué)為首的研究團(tuán)隊(duì)立足于我國(guó)產(chǎn)茶地區(qū)的地形、氣候等基本條件，重點(diǎn)研究了茶樹的防凍害問題，并有一定的進(jìn)展。他們認(rèn)為關(guān)于風(fēng)機(jī)防霜凍的理論主要為：一是要保證茶樹冠層地方的溫度，需要將逆溫層的空氣對(duì)流下來；二是要把茶樹冠層地方的低溫空氣派送到逆溫層。在這些理論的支撐下，很多人開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，分別開展了對(duì)流場(chǎng)、風(fēng)機(jī)的研究。

在CFD風(fēng)機(jī)作用下，很難有資料能夠查到氣流的溫度以及流場(chǎng)所發(fā)生的變化。之前相關(guān)學(xué)者是通過實(shí)驗(yàn)來研究防霜凍機(jī)的，所以采用CFD數(shù)值來進(jìn)行研究則被視作是一種新興研究方式，有效的補(bǔ)充了實(shí)驗(yàn)研究。采用數(shù)值研究茶園防霜凍問題，是筆者創(chuàng)造的一種新型研究方式。本文主要利用的是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方式，在考慮了溫度、濕度以及輻射等因素的情況下，通過控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，模擬風(fēng)積作用下的流暢的情形。并進(jìn)一步分析，在變化的轉(zhuǎn)速下，氣流和溫度之間的關(guān)系是怎么樣的。經(jīng)過分析以后發(fā)現(xiàn)，只有確立了最合理的轉(zhuǎn)速，才能夠確定最佳的安放風(fēng)機(jī)的角度，這可以有效規(guī)避實(shí)驗(yàn)研究產(chǎn)生的系列問題。利用有效的理論指導(dǎo)，提升風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效果，能夠最大限度的發(fā)揮放霜凍作用。

1 計(jì)算具體數(shù)值

1.1 理論研究

風(fēng)機(jī)的主要作用就是將上層逆溫層高溫度空氣吹響低溫度區(qū)，從而保護(hù)茶樹冠層，最終使整個(gè)茶園都能夠經(jīng)受住霜凍的傷害。但是，風(fēng)機(jī)所輸送的氣流大小要適宜，其防霜凍的效果都不會(huì)太理想，有時(shí)甚至?xí)黾铀獌龅奈：π?。以茶園農(nóng)業(yè)知識(shí)、氣象力學(xué)、傳熱學(xué)等科學(xué)知識(shí)作為指導(dǎo)，通過具體的數(shù)值來進(jìn)行計(jì)算，繼而研究溫度変化、氣流同具體空間分布的相關(guān)關(guān)系。整個(gè)運(yùn)行過程主要涉及到了能量守恒原理，無論是逆溫層還是低溫曾，兩者的溫度總和是恒定的。

1.2 數(shù)值模型

本文主要研究的模型是NK-1028YD型號(hào)的風(fēng)機(jī)，采用實(shí)驗(yàn)的方式研究安放角、掠角等對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量以及風(fēng)速等的影響，并且進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。選擇了風(fēng)機(jī)的作用區(qū)以后，依照茶園實(shí)際情況確定如何安裝風(fēng)機(jī)，選擇合適的行距，再選則合適的長(zhǎng)寬高，一般為20米、10米。因此，將風(fēng)機(jī)安裝在了離地面6米高的、傾斜角為15度的位置。

1.3 網(wǎng)格劃分

利用商業(yè)用的CFD軟件ICEM，采用網(wǎng)格劃分的形式將風(fēng)機(jī)作用區(qū)域和旋轉(zhuǎn)區(qū)域劃分開來。經(jīng)過比較，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量都比較少，而且密度很大。與之相對(duì)，風(fēng)積作用區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量則比較多，而且對(duì)網(wǎng)格的劃分也很頻繁。通過模擬計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，主要網(wǎng)格的質(zhì)量好，則會(huì)影響很多因素，比如說數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性和效率都會(huì)提升，而網(wǎng)格的質(zhì)量往往會(huì)決定最后的網(wǎng)格數(shù)。經(jīng)過計(jì)算，最終的網(wǎng)格數(shù)為2401783，而風(fēng)機(jī)區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)則為160028,，風(fēng)機(jī)起作用的區(qū)域網(wǎng)格數(shù)則為2242656。在此之下，網(wǎng)格質(zhì)量基本都比較穩(wěn)定，處于最好狀態(tài)，計(jì)算所得出的結(jié)果也精準(zhǔn)無誤。為了更好研究流場(chǎng)分布，主要選擇的是K-e模型。將片葉以及風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域都設(shè)置成為開放的形式。這種計(jì)算方式的創(chuàng)新之處主要在于能夠測(cè)出的參數(shù)來確定最終的數(shù)據(jù)，而且最終得出的結(jié)果是可靠的。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 葉片壓力分析

風(fēng)機(jī)葉片壓力并不是恒定的。轉(zhuǎn)速是快是慢，工作面和背面所面對(duì)的壓力都是在發(fā)生變化的。如果風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，則工作面以及背面都會(huì)受到更大的壓力。從風(fēng)機(jī)出來的風(fēng)的速度和方向都是一致的，經(jīng)過具體的計(jì)算以后發(fā)現(xiàn)，角速度比例變化不會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)速的變化而變化，所以風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是平穩(wěn)、有序的，沒有出現(xiàn)上下波動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，葉片無論是正面還是背面的壓力都會(huì)增大，除此之外，還有環(huán)量強(qiáng)度和升力也在不斷擴(kuò)大，這就有效的推動(dòng)了空間流體充分發(fā)展，高速狀態(tài)下形成了旋渦，這種狀態(tài)是滿足赫姆霍茲基本定理的。再來看邊界條件，在考慮參考?jí)毫r(shí)，一般都是以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣壓作為標(biāo)準(zhǔn)的，主要是看標(biāo)準(zhǔn)氣壓值。如果高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓則為正值。與之相對(duì)，風(fēng)機(jī)工作壓力免和背面所承受的壓力情況是相反的，是一正一負(fù)。在相同的葉片上，風(fēng)速和工作面壓力、壓力差都是呈正相關(guān)的，風(fēng)速越大，則相應(yīng)區(qū)域的壓力也是越大。隨著轉(zhuǎn)速變化，轉(zhuǎn)速增加，壓力差則會(huì)不斷增大。這些結(jié)果符合理論分析，這就表明模擬是具有可靠性的。

2.2 茶樹冠層速度、溫度變化的分析

從茶樹的樹冠開始算起，到地面的距離大約在1.2米左右，我們確立這個(gè)點(diǎn)就是觀測(cè)點(diǎn)，用于檢測(cè)具體的溫度，這樣可以更加精準(zhǔn)的測(cè)定速度和溫度之間所出現(xiàn)的變化。溫度最高區(qū)域并不一定絕對(duì)是風(fēng)速最高區(qū)域，這中間是存在一定偏差的。通過分析得知，在風(fēng)速過大時(shí)，則會(huì)導(dǎo)吸熱和蒸發(fā)都很快，使得茶樹冠層的溫度凈增量不斷減少，而且空氣的溫度和茶樹的溫度是呈正相關(guān)的。因?yàn)槭艿蕉鄠€(gè)因素的影響，所以溫度的變化是呈現(xiàn)曲線的，而不是直線變化。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大小影響了推動(dòng)空氣的流速，而且還會(huì)影響上下層的溫度，這樣使得逆溫差進(jìn)一步縮小，其持續(xù)的時(shí)間也不斷縮短。通過監(jiān)測(cè)在不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)發(fā)生作用得出的溫度變化數(shù)據(jù)，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以看出，其速度變化是隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而直線增加，但溫度的具體變化是呈曲線狀態(tài)的。如果增速和轉(zhuǎn)速之間不統(tǒng)一的話，溫度反而會(huì)下降。要使溫度升起來后保持在一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)，風(fēng)速達(dá)到1150r/min即可，而達(dá)到1250r/min的時(shí)候，溫度達(dá)到最高值。在以后選用防霜機(jī)的過程中，要把風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候的蒸發(fā)問題考慮在內(nèi)，這一因素對(duì)溫度有很大的影響，只有都把影響因素考慮全了，才保證風(fēng)機(jī)能夠最大限度發(fā)揮作用。因?yàn)槭艿浇撬俣扔绊懀L(fēng)機(jī)整個(gè)速度和平面速度并不是垂直的，而且具體方向也不收葉片的形狀影響，旋轉(zhuǎn)力的方向不會(huì)受到轉(zhuǎn)機(jī)速度的干擾。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)呈現(xiàn)不斷增加的狀態(tài)，如果增加到了臨界值，就會(huì)出現(xiàn)和三角形相似的螺旋流其半徑在3米至4.5米之間，其單邊寬度則在1.5米左右。漩渦中心并不是一成不變的，會(huì)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中出現(xiàn)偏移，從而形成大約十八度的夾角。如果轉(zhuǎn)的更快，而且氣流也在增加，則氣流的擾動(dòng)速度會(huì)不斷增加。經(jīng)過檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，這個(gè)增長(zhǎng)的幅度很大。但是，通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，螺旋流中心和風(fēng)機(jī)之間距離并沒有出現(xiàn)明顯的增加。之所以會(huì)出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象，其主要原因就在于：螺旋流的出現(xiàn)是受風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響的，螺旋流的具體位置是受風(fēng)機(jī)具體位置決定的。通過計(jì)算檢測(cè)后盾額數(shù)據(jù)，從而得出最終的結(jié)果，將風(fēng)機(jī)安放在35.5度的時(shí)候效果是最好的，茶樹冠層的溫度會(huì)顯著升高，從而保護(hù)茶樹免于被凍傷。如果推廣到整個(gè)產(chǎn)茶區(qū)域，則可以解決茶農(nóng)們的大難題，有利于保障他們的收入。

結(jié)語

通過分析發(fā)現(xiàn)，在茶樹冠層地方，只要茶樹的冠層的溫度上升，則轉(zhuǎn)速肯定是增加的。而溫度是處于變化狀態(tài)的，具體變化則是先增大后減小。轉(zhuǎn)速大小、茶樹冠受到的輻射程度、水分蒸發(fā)都會(huì)對(duì)溫度變化產(chǎn)生影響。在考慮了眾多的影響因素之后，最終得出風(fēng)機(jī)發(fā)揮最大效果的轉(zhuǎn)速是1150r/min。通過比較其他實(shí)驗(yàn)研究，這種研究方式的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)的非常明顯，能夠節(jié)約大把時(shí)間和人力物力。通過精準(zhǔn)檢測(cè)，再進(jìn)行計(jì)算以后從而發(fā)展了溫度發(fā)展變化的規(guī)律，最終找到了安放風(fēng)機(jī)的最優(yōu)位置，從而保證冬季的時(shí)候茶樹免受霜凍傷害，這無疑是給眾多產(chǎn)茶區(qū)域帶來了福音，為后面在茶園安放風(fēng)機(jī)防霜凍提供參考。

[1]趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2002.

[2]華自強(qiáng).工程熱力學(xué)[M].北京:高等教育出版社，1979.