防霜风机扰动气流特性研究与翼型优化设计

摘要

基于逆温层强制混流的高架防霜风机，在茶果园中逐渐得到应用。其扰动气流特性决定了防霜性能的优劣，并为防霜风机翼型设计提供依据。本文在农业部公益性行业科研专项“茶园综合作业机械化技术与装备研究”的资助下，引入自由射流理论分析两类不同叶片的防霜风机的扰动气流特性;试验对比研究其防霜风机的扰动气流特性和防霜效果，确定研发的目标叶片;通过正交试验设计，基于Profili软件平台优化设计出一种凹凸翼型;最后对凹凸翼型防霜风机的扰动气流性能进行仿真和试验研究。主要的研究内容和结果如下:
　　(1)防霜风机扰动气流特性分析
　　在圆弧板和翼型叶片的防霜风机典型安装条件下，基于自由射流理论，分析了防霜风机扰动气流在防霜对象冠层高度的分布特性。结果表明:在距离地面1m高度平面上，圆弧板叶片和翼型叶片防霜风机扰动气流入射点的风速、风量和射流直径分别为2.63m/s、20.6m3/s、14.8m和2.4m/s、1961.82m3/s、88.9m。两类风机叶轮产生的射流核心距离均远小于射流的起始距离，在农作物冠层的作用范围均处于射流的主体区域;扰动气流特性与叶片形状密切相关。
　　(2)圆弧板和翼型叶片防霜风机扰动气流特性对比试验研究
　　对古田、松下及国产三种圆弧板叶片防霜风机和NACA8H-12翼型叶片防霜风机进行扰动气流特性及防霜效果的对比试验。结果表明:三种圆弧板叶片防霜风机在中轴线各段间的风速无明显差异，最大风速均在中轴线12m处测得，最大风速分别为:3.6、4.0、4.6m/s; NACA8H-12翼型叶片防霜风机最大风速在42m处测得，为4.9m/s;与自由射流理论分析结果相比，试验测得的最大风速位置及气流宽度与自由射流理论分析结果相近，而最大风速高于射流理论分析的入射中心风速;三种圆弧板叶片防霜风机在12m处的风速稳定性分别为61.6％、56.4％、71.7％;NACA8H-12翼型叶片防霜风机在42m处的风速稳定性为75.0％。
　　利用灰度关联分析法，从最大风速、风速稳定性、平均温升幅度、噪声水平、单位功率防霜面积5个指标进行综合评价，评价结果表明翼型叶片防霜风机较其他三种防霜风机性能更优，防霜效果更好。
　　(3)防霜风机凹凸翼型优化设计
　　分别对NACA5412、NACA8H-12、N631A612三种翼型进行气动性能分析，确定用于优化设计的初始翼型;基于Profili翼型设计平台，采用正交试验设计方法，对初始翼型进行优化。优化结果表明:上翼面外凸，下翼面内凹的翼型升力更高、升阻比更大，更适合防霜风机叶轮产生强气流推力的要求;翼型最大弯度的增大，翼型最大弯度位置的后移及翼型最大厚度位置的前移，可有效提高翼型的升力系数及升阻比的大小，并改善翼型的失速性能;优化翼型与初始翼型相比，攻角α=5°时，升力系数提高了15.48％，升阻比提高了8.34％;攻角α在-4～13°范围内最大升力系数由1.46提高到1.65。
　　(4)优化翼型防霜风机扰动气流性能研究
　　在优化翼型的基础上，对防霜风机的扰动气流性能进行数值模拟，并进行田间测试。仿真结果表明:叶轮扰动产生的气流在地面的入射中心位于距风机20～40m范围内，气流在其入射中心处风速最大，然后贴着地面呈鸭梨状向前扩散;扩散过程中，部分气流发生折射;风速随距离的增加而减小。田间测试结果表明，试验风速变化趋势与仿真结果类似;新翼型防霜风机的气流射程为95m左右，最大风速为3.2m/s;扰动气流覆盖面积高于NACA8H-12风机。
　　本文通过理论分析、仿真优化和试验，设计开发了一种具有更高扰动气流特性的防霜风机新翼型，该翼型叶片防霜风机可有效提高防霜面积和效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 防霜风机研究现状及发展趋势

1．2．2 扰动气流研究方法

1．2．3 Profili软件在翼型设计中的应用

1．3 研究内容与方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．4 本章小结

第2章 防霜风机扰动气流特性分析

2．1 扰动气流防霜原理

2．1．1 辐射逆温

2．1．2 防霜风机作用过程

2．2 防霜风机气动性能要求

2．3 防霜风机气流扰动特性

2．3．1 射流原理

2．3．2 射流特性

2．3．3 防霜风机射流参数计算

2．4 本章小结

第3章 圆弧板与翼型叶片防霜风机性能对比试验研究

3．1 防霜风机技术参数

3．1．1 圆弧板叶片防霜风机

3．1．2 NACA8H-12翼型防霜风机

3．2 材料与方法

3．3 结果与分析

3．3．1 轴向风速对比

3．3．2 风速稳定性对比

3．3．3 防霜性能对比

3．4 基于灰理论的防霜风机性能评价

3．4．1 灰色关联度分析法

3．4．2 灰色关联分析法评价模型

3．4．3 防霜风机性能评价

3．5 本章小结

第4章 防霜风机二维翼型优化设计

4．1 优化方法

4．1．1 正交设计

4．1．2 优化设计的流程

4．2 冀型理论

4．2．1 翼型几何参数

4．2．2 翼型升力原理

4．2．3 翼型空气动力特性

4．3 优化仿真模型与参数

4．4 初始翼型选取

4．4．1 三种翼型形状对比

4．4．2 三种翼型气动性能分析

4．5 翼型优化设计

4．5．1 优化参数

4．5．2 正交试验方案及结果

4．5．3 极差分析

4．5．4 因素与水平趋势分析

4．5．5 优化结果

4．5．6 优化前后翼型性能对比

4．6 三维叶片造型

4．7 本章小结

第5章 优化翼型防霜风机扰动气流性能研究

5．1 CFD基本控制方程

5．2 计算模型

5．2．1 模型简化

5．2．2 入口模型

5．3 网格划分及边界条件

5．3．1 网格划分

5．3．2 边界条件确定

5．4 数值求解过程

5．5 计算结果分析

5．5．1 冠层风速分布规律

5．5．2 空间风速分布规律

5．6 扰动气流性能田间试验

5．6．1 试验方法

5．6．2 试验结果与分析

5．7 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

硕士期间发表论文、专利申请及参与科研工作