毕业设计（论文）-茶园物理除虫机管道模拟设计.docx

全日制普通本科生毕业论文茶园物理除虫机管道模拟研究SIMULATION STUDY ONPIPELINE FOR TEA GARDENPHYSICAL DEINSECTIZATION MACHINE学生姓名：学 号： 年级专业及班级：2008级机械设计制造及自动化 (5)班指导老师及职称： 副教授学 部： 理工学部提交日期：2012年5月全日制普通本科生毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文作者签名： 年 月 日目 录摘要1关键词11 前言22 茶园风力（物理）除虫研究进展33 茶园物理除虫机出风管道与计算流体力学的分析63.1 流动模型的建73.1.1 物理模型73.1.2 网格划分73.2 计算方法83.2.1 质量守恒方程83.2.2 动量守恒方程93.2.3 能量守恒方程93.2.4 湍流控制方程93.2.5 边界条件133.2.6 材料设置133.3 模拟结果与数据分析133.3.1 气流速度和涡流分析133.3.2 气体压力湍流分布163.3.3 气体轨迹分析174 茶园物理除虫机的除虫实验184.1 选虫184.2 除虫实验205 结论23参考献23致谢24茶园物理除虫机管道模拟研究摘 要：针对现在利用化学合成农药防治茶叶病害虫的危害，采用了一个利用风力和少量水的吹风式物理除虫装置，特点是无污染。结合流体力学雷诺时均N-S方程，采用Simple流场求解算法、湍流模型，利用Fluent软件对该装置的主要部分通风管道进行了数值模拟计算，得出了中亚风机在空载状态下通风管道内部流场特征。包括速度矢量图、压力分布图、以及压力和湍动能的变化。通过数值模拟计算分析知，在考虑原模型各已知条件不变的情况下，得到了较好进风口位置，为通风管道的改进和优化提供了一定的参考价值。 关键词：风力除虫机；通风管道；数值模拟；Fluent软件。Simulation study on pipeline for tea garden physical deinsectization machineAbstract: In view of the present utilizing chemical synthesis pesticide on tea pest harm, this design adopted a blowing type physical deinsectization device that use wind and little water. The features no polution.This design combining the fluid mechanics RANS equation of N-S, using Simple algorithm for solving the flow field, turbulence model, using Fluent software to the main portion of the apparatus of ventilating ducts are numerically simulated calculation of wind machine. This design obtained under no-load condition ventilation pipe interior flow field characteristics, including the velocity vectors, pressure distribution, and the pressure and turbulent kinetic energy change. Through the numerical simulation and analysis of knowledge, in considering the original model of the known condition changeless circumstance falls, obtain better air inlet position, the improvement and optimization of ventilation pipe to provide a certain reference value. Key words: wind insecticide machine；ventilation pipe；numerical simulation；FLUENT.1 前言随着科技的迅速发展，社会文明程度的提高和日益提升的物质生活水平，极大的改变了人们的生活状况，一方面与此同时引起的肥胖等各种疾病也成为了人们健康的主要问题之一，是导致了是引发冠心病、糖尿病、高血压等各种疾病的主要原因。而茶内含有咖啡碱、茶多酚、蛋白质、矿物质、生物碱等物质。常喝茶具有保健作用，能提神抗菌、除臭降血、利尿促消化等功能。于是喝茶已成为当下人们的生活习惯，茶已成为社会生活中不可缺少的健康饮品和精神饮品。另一方面由于工业的发展，由此产生的环境恶化、资源、能源的短缺、工厂大量排放的废气、废水、废物以及农产品农药、化肥等化学物质的广泛使用，更是加剧了生态环境的恶化。与此引起的污染物恶化通过不断的往复循环例如空气、食物、水资源直接影响着人们的健康1。 爱喝茶的人，几乎都少不了会买茶叶，不管您是买红茶、绿茶、包种茶、铁观音、乌龙茶或是高山茶，都与茶叶有关，因为这些茶类都是由茶农用茶叶制造出来的。然而茶叶的安全问题在坊间很少人会去提及，绝大多数的人都着重在保健功能，未曾去留意这经过冲泡后的茶叶，每人所喝下去的茶汤，对健康尚有有哪些负面影响。它是否安全、是否卫生，又是绝大多数人所避讳去谈及与讨论的禁忌地带，因为一谈下去，不仅争议丛生，也很可能导致极大的反弹声浪。 有机茶是在有机农业和有机食品的概念下提出的，它要求经过有关严格规定，在生态环境优良，没有污染的地方，依照有机农业生产体系和方法生产的青叶，在加工、包装、贮藏、运输、销售等系列过程中不受化学物品污染，并经有机食品认证机构审查、办证的茶叶，有机茶是真正的纯天然、富营养、高质量保健饮品2。然而在茶叶生产过程过去的一段很长的时间里，由于农药和化学肥料的不断的开发使用和茶叶市场的不断短缺和对利益的追逐，使得生产上生产者盲目片面的追求高产量以满足市场需求，化学肥料、农药的使用在生产上大量的使用，造成了茶园栽植者在防治茶园病虫害时对化学肥料、农药的严重依赖性，加剧了茶叶品质与残毒污染的矛盾。茶树病虫害的防治是一门综合知识，在茶树遭受病虫害时，为了达到防治目的，一些茶叶生产者对掌握茶叶栽植技术和对病虫害防治上知识不足和方法的局限性的情况下，即是任凭感觉和习惯，在不明情况和病害虫种类的情况下加大农药的用量来控制病虫害，这样就加剧了短期的利益与可持续发展、新的经营理念和传统的经营意识的矛盾，制约了有机食品的产业化的进程3。有机茶作为一种高品质的保健饮品，在物质生活水平迅速提高的今天，人们对食品健康、安全消费的要求越来越高。种植有机茶不仅可以提高企业产品竞争力，增加出口，而且成为我国南方广大的山区茶农脱贫致富的和增加当地政府税收的重要途径之一4。由此可见，有机茶园病虫害的无害化控制技术要求越来越明显，一方面可以减少农药、化肥、除草剂等化学物质的使用对环境、生态造成的污染和破坏，减少作物农药的残存量，提高人们食品的食用的安全。另一方面可以提高企业经济效益，节省资源，在当今资源匮乏、环境污染严重的今天显得格外重要。因此，提高有机茶的质量安全被提到越来越重要的位置。为了实现农场品安全生产，各种害虫的安全防治方法也不断被使用，风力除虫机就是其中一种。上世纪80年代，国内有人根据吸尘器原理制成吸虫器，用风力来吸捕茶叶的害虫，却得了一定的效果，但是由于受到功率和茶园中环境地形等因数影响，这种吸虫器满足不了实际生产的需求。为了提高风力除虫的效果，人们不断进行研究和改进，如草原蝗虫吸捕器、气吸式草原捕集机和吸风式风力除虫机等等，但是本文所要研究的不同于这些吸风式的除虫器，而是利用风机吹出的强力风把害虫吹离嫩芽后用回收袋捕获或压死的送风式风力除虫机。2 茶园风力（物理）除虫研究进展化学合成农药被广泛地应用于茶叶病害虫防治，这种方法先是将农药用大量的水稀释然后再喷洒到茶树上，但这样不仅会给茶农增加劳动负担还很容易把农药洒到茶树以外的农作物上，并且大量的农药也会对茶农的身体造成伤害。此外，越来越多的消费者呼吁茶叶作为一种健康饮料应尽量减少农药使用或是采用无农药栽培技术。所以不管是生产者还是消费者都要求开发能减少农药使用的茶叶害虫防治技术5。国际有机农业运动联盟（IFOAM）就主张在进行农产品生产过程中遵循客观自然规律和生态原理，通过减少或者抑制化学肥料、农药、杀虫剂等其他化学药剂的使用对外界作物的影响，提高土壤的肥沃力，通过自然界本身的规律提高农业作物的产量且使作物对人类和环境不造成危害。同时世界卫生组织（WHO）叶规定了绿色和有机食品（茶叶）（AA级）的农药残留相关标准。国内外对有机茶园病虫害无害化控制技术的研究取的了很大的进展，在改革传统物理除虫的研制方面取的了很大的突破，在物理除虫技术的开发和利用取得了有益探索和明显成效，越来越多的物理除虫技术应用到了有机茶园对茶叶的病害虫的捕杀和防治上，目前国内外有机茶园风力除虫研究进展体现在：1) 由湖南农业大学李明等提出了对灌木经济作物环保物理除虫法送风式茶园物理除虫机，采用风力和水力联合除虫。该除虫法设备主要由1调节开关，2风机，3水泵，4水箱，5压力阀，6水管开关，7水管，8喷雾头，9捕虫袋，10，风机口等组成，其示意图如（图1）。该物理除虫法包含风力除虫和水力除虫。出风管道在该除虫法的应用主要体现风力除虫部分。它大概工作状况如下：风力除虫是装有风机2，风机2输出一定压力的风，通过出风管道出风口的调节开关1输出大小合适的风力，考虑到许多害虫躲藏在叶面的背面，为提高除虫率，风机口10从作物底部倾斜向上吹风；利用足够的风力吹走部分害虫。该设计发明由于出风管道中的出风口安装在作物底部，能实现环保除虫的目的，执行原理简单，节省能源，但由于未作出实验样机进行测试，该除虫法除虫率得不到保证。2) 由黄树长，廖冬晴，熊伟建，韦禄民等根据吸尘器的原理研制的吹吸式风力除虫机，该除虫机利用涡轮风机强大的吸风力和吹风力，将害虫吸入吸盘内击杀，再排出除虫机指定位置。该除虫机主要由：1为固定支架、2为动力机构、3为涡轮风机、4为吸盘、5为杀虫旋桨及甩绳、6为风管组成，7为高速空气束流，8为作物，9为害虫。它结构如（图2）所示。除虫机出风管道6主要由风管活接口6-1、内接风管6-2、弹力夹片6-3、弹力夹支架6-4、弹力夹手柄、外套风管直段6-6、外套风管弯段6-7、吹风口6-8等组成。该风力式除虫机节省能源，性能稳定可靠，操作简单，安全耐用和无污染等优点。可以广泛运用到丘陵、山区、平地有机茶园茶叶风力除虫，为茶叶的安全生产提供了一种可靠的途径和方法6。但由于该吹吸式除虫机是采用背负式，当它工作时其出风管道的出风口的位置具有随意性，加之害虫的依附茶树的随机性，可能造成资源的浪费和除虫率不确定等缺点。3) 由日本深山大介与寺田股份有限公司共同研制出了乘坐型吹风式捕虫机（图3），该乘坐型吹风式捕虫机装在采茶机上，它主要由产生强制风的鼓风部，产生水雾风的辅助装置以及捕获害虫的捕获机等三部分构成。通过出风管道输出鼓风部的强风以及水雾风等辅助装置强行吹落茶叶上的害虫，并通过设置好的捕获袋收集害虫。由于该乘坐型吹风式捕虫机出风管道分开直接架在茶树上，吹风覆盖范围大，所以该乘坐型吹风式捕虫机除虫率相对较高，方便可靠，使用范围较广20。但由于属于乘坐式的结构较大，出发管道设计较复杂。通过对有机茶园目前风力除虫机进行调查和分析，和对相关论文的查阅可知，目前风力物理除虫机的正处于开发研究阶段，目前市场上的风力除虫机还存在以下问题：一、除虫率相对较低。二、价格相对较贵7。送风式茶园物理除虫机将会引进市场上日本生产的乘坐型风力式除虫机，通过优化出风管道的机构，从而提高有机茶园风力式除虫机的除虫效率。今后减少制造成本，提高有机茶园风力除虫率将是风力是除虫的一个发展趋势。 1调节开关 2风机 3水泵 4水箱 5压力阀 6水管开关 7水管 8喷雾头 9捕虫袋 10，风机口图1 送风式物理除虫机示意图Fig.1 blowing type physical deinsectization machine diagram1固定支架 2 动力机构 3涡轮风机 4 吸盘 5 杀虫旋桨及甩绳 6 风管组成 7为高速空气束流 8为作物 9为害虫风管活接口6-1 内接风管6-2、弹力夹片6-3、弹力夹支架6-4、弹力夹手柄、外套风管直段6-6、外套风管弯段6-7、吹风口6-8图2 国内研制的吹吸式风力除虫机Fig.2 the development of domestic blowing and sucking wind insecticidal machine图3 乘坐型吹风式捕虫机Fig.3 riding type blower insect-catching machine3 茶园物理除虫机出风管道与计算流体力学的分析茶园物理除虫机的提出和研制开发，为解决短期的利益与可持续发展、新的经营理念和传统的经营意识的矛盾，提供了一定的方法和依据。目前国内外对有机茶园病虫害的物理防治措施主要有人工捕杀和摘除，利用害虫的趋光、色、味的习性将其诱杀。其中风力式物理除虫机是机茶园物理除虫机重要组成部分，风力式物理除虫机主要是利用吹、吸风力将害虫从茶树或者茶叶上吹落，利用捕虫袋将吹落得病虫害收集并将其捕杀。在风力式物理除虫机的开发研制上，出风管道作为设计风力物理除虫机的最后执行部件，其设计的好坏和安装位置的得当与否直接影响到除虫机的除虫率。在茶园里利用化学合成干扰剂来防治害虫的方法是比较实用的，不过像茶树假眼小绿叶蝉和茶小绿叶蝉这类幼芽破坏性害虫很难依靠它们的天敌来控制密度，也没有什么防治技术能代替农药的效果，所以为此会再专门针对这些害虫重新考虑捕获方法。现在也有人利用吸尘器来捕捉害虫，但这种方法单位面积耗能太多，操作时间太长而且容易损坏幼芽，因此考虑先用风把这些害虫吹离茶树再捕捉，而不是把害虫吸走。这种物理除虫方法如图1示，先用鼓风机吹出的风（即强制风）和含有水滴的风（即水雾风）将害虫吹离嫩芽，再把吹走的这些害虫用回收袋捕获或压死。这些机器还处于研发阶段。为了保证茶叶叶面风速、流量、水雾分布均匀，提高除虫效果，产生强制风的出风部出风端形状至关重要。本茶园风力除虫装置的通风管道由两个进风口通风，通风管道内部流场之间相互干扰，而且工作介质是粘性的，这就会导致在通道内部流道壁面上产生边界层，由此还会引起旋涡、二次流、脱流等异常情况。因此对于定常、不可压缩的通风管道内部流动进行三维计算非常困难。然而随着计算机的发展和计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）的发展，它将数值计算方法和数据可视化技术有机结合起来，对流动、换热等相关复杂物理现象进行模拟分析，是当今除理论分析、实验测量之外，解决流动与换热问题的又一种技术手段8。本文就是利用Fluent软件来分析该茶园风力除虫装置通风管道内部流场进行数值模拟和分析。对茶园物理除虫机的模型进行一定的简化处理的基础上建立几何模型，采用一定的方法来划分网格，从之前选择的计算方发以及相关条件求解控制方程，得到仿真结果并进行分析具体过程如图3所示：图5 流体流动仿真计算过程Fig.5 flow simulation calculation3.1 流动模型的建立3.1.1物理模型本茶园风力除虫机通风管道根据茶园宽度和特点设计而成，通风管道进风口管径为60mm，高度为80mm，出风口管径为20mm，高度为40mm，整个通风管道宽度为1200mm。材料全部采用厚度为2mm的不锈钢。进风口风量由两台流量为19m3，转速为2900转/分，压力为1200pa的中压风机提供。除虫机装置与通风管道具体设计尺寸图6所示。3.1.2网格划分整个通风管道包括进风口、主通风管道、出风口。本文采用CAD2007建立好通风管道三维物理流动模型，利用Fluent前处理软件Gambit2.3.16对通风管道进行体网格划分，进风口和出风口采用结构化网格划分，主通风管道采用非结构化网格划分，并对通风管和出口处创建边界层进行网格局部加密处理。网格模型如图7所示。图 6茶园风力除虫机通风管道外形图Fig.6 the outline of ventilation pipe of wind insecticide machine图7 通风管道数值模型Fig.7 numerical model of ventilation pipe3.2 计算方法任何流体的流动都要受到物理守恒定律，基本的守恒定律流包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，因为本风力除虫机出风通道内流场属于湍流流动，必须加上湍流控制方程。3.2.1 质量守恒方程任何流动问题都必须满足质量守恒定律，该定律可表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入微元体的净质量。在流场中取一封闭空间，同时也会通过另一部分控制面流出控制体，在这期间控制体内部的流体质量也发生变化。按照质量守恒定律，流入的质量与流出的质量之差，应该等于控制体内部流体质量的增量8-17。由于空气可视为不可压缩流体，密度为常数，则有： （1）式中：,，是速度矢量在,三个方向的分量。质量守恒方程常常被称为连续方程(continuity equation)。3.2.2 动量守恒方程 动量守恒定律也是也是任何流体流动都必须满足的基本定律。该定律可表述为：微元体中流体的动量对时间变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和，该定律其实是牛顿第二定律在流体上的反映。动量守恒方程也称作运动方程，还称作纳维-斯托克斯方程。粘性流体的运动方程首先由Navier于1827年提出，只考虑了不可压缩流体的流动，Poisson在1831年提出了可压缩流体的运动方程，Stokes在1845年分别独立提出粘性系数为一个常数的运动方程，现均称为N-S方程。茶园物理除虫机管道出风口内部中流体为空气，属于牛顿型流体，并假设空气的粘性不随在出风通道里旋转时温度的改变而改变，选择粘性为定值的不可压缩流体、三维稳态湍流流动的动量方程： （2） +=+ （3）+=+ （4）式中：为动力粘度；、为动量方程的广义源项；,，为速度矢量在,三个方向的分量。对于不可压缩流体而言，能量方程不与速度项耦合，而是独立于质量守恒方程和动量守恒方程之外，在绝大多数工程应用中，常常忽略了系统温度的变化，因而不需要求解能力方程。经常把连续方程和动量方程合在一起称为N-S方程组，这是不可压缩流体的最基本方程组。3.2.3能量守恒方程量守恒定律也是也是任何流体流动都必须满足的基本定律。该定律可表述为：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。这就是能量守恒定律，如今被人们普遍认同。能量守恒定律是具有热交换的流动系统必须满足的基本定律。由于本文研究的是不可压缩流体，其热交换量很小，可以忽略不计，因此可以不考虑能量守恒方程。3.2.4 湍流控制方程 自然界中的流体的运动可以分为两种不同的类型，一种是很光滑的流动，即流体的速度、压力等物理参数随时间空间的变化很平滑，这种流动称为层流（laminar flow）。另外在一种在运动过程中流体质点具有不断的互相混掺现象，速度和压力等物理量在空间和时间上具有随机性质的脉动值，这种流动称为湍流（turbulent flow），当流体的雷诺数（Reynolds Number）超过零界值时，流体会从层流过度为湍流。在实际中遇到的多数情况都是湍流，从物理结构上说，可以把湍流看作是各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小和旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡旋主要由流体的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要是粘性力所决定，其尺寸可能只有流场尺度的千分之一的量级，是引起高频率脉动的原因。大尺度的涡旋不断的从主流中获得能量，通过涡旋间的相互作用，能量逐渐向小尺度涡旋传递，最后由于流体粘性的原因小尺度涡旋不断消失，机械能就耗散为流体的热能，同时由于边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋不断产生，这就构成了湍流运动。关于湍流运动的数值模拟，是母亲计算流体力学与计算传热学中研究的热点之一。目前湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非直线数值模拟方法，前者是直接求解瞬时湍流控制方程，后者则是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流做出某种程度的近似和简化处理，依赖所采用的近似和简化方法的不同，非直接数值模拟可以分为大涡模拟、统计平均法和雷诺时均法。湍流模拟的数值方法的分类如图4所示，其中统计平均法由于利用相关函数和谱分析的方法来研究湍流结构，工程应用不很广泛，故未将其列出。目前的数值模拟放个主要有一下三种: 1） 直线数值模拟法（Direct Numerical Simulation，DNS）这种方法是直接用三维非稳态的N-S方程对湍流进行求解计算。DNSD的最大好处是无需对湍流流动进行任何简化或近似，理论上可以得到相对标准的计算结果。但是如果要对高度复杂的湍流运动进行直线数值计算，必须采用很小的时间和空间步长，才能分辨出湍流中详细的空间结构及剧烈变化的时间特性，所以，直接模拟对内存空间及计算速度的要求非常高，目前还无法用于工程数值计算，随着计算机技术，特别是并行计算技术的飞速发展，这种方法可能在不久的将来用于实际工程计算。2) 大涡模拟（Laege Eddy Simulation,LES）为了模拟湍流流动，一方面要求计算网格的尺度应小到足以分辨最小涡流的运动。但是就目前的计算机能力来讲，能够采用的计算网格的最小尺度仍比最小涡流的尺度大许多倍。因此，目前只能放弃对全尺度范围上涡流运动的模拟，而只将比网格尺度大的湍流运动通过N-S方程直接计算出来，对于小尺度的涡流对大尺度的涡流运动的影响则通过建立近似的模拟来考虑，大多数模型都是把湍流脉动所造成的影响用于一个湍流粘性系数，及涡粘性来描述，这种模拟方法沪油事故大涡模拟。总替而言，LES方法对计算机内存及运算速度的要求仍比较高，但远低于DNS方法对计算资源的要求。目前，早工作站和高档PC机上已经可以开展LES工作，近年来应用也广泛应用3) 雷诺时均法（Reynolds-averaging Equations,RANS）多数观点认为，虽然瞬时的Navier-Stokes方程可以用于描述湍流，但Navier-Stokes方程的非线性使得用解析的方法精确描写三维时间关系的全部细节极端困难，即使能真正得到这些细节，对于解决实际问题也没有太大的意义，因为从工程应用的观点上看，重要的是湍流引起的平均流场的变化，是整体的效果。所以，人们很自然地想到求解时均化的Navier-Stokes方程，而将瞬态的脉动量通过某种模型在时均化的方程中体现出来，由此产生了雷诺时均法。雷诺时均法是目前使用广泛的湍流数值模拟方法。将非稳态控制方程对时间作平均，所得的关于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知量，于是方程的个数小于未知量的个数，导致方程组不封闭，而且不可能依靠进一步的时均处理控制方程封闭。要使方程组封闭，必须做出假设，及建立模型。根据对雷诺应力做出的假设或处理方法的不同，可以将其分为雷诺应力，模型和湍流模型。湍流模型也叫涡粘模型，它不直接处理雷诺应力项，而是引入湍流粘度（Turbulent Viscosity),或称为涡粘系数（Eddy Viscosity）,把湍流应力表示成湍流粘度的函数，这是基于Boussinesq提出的涡粘假设，根据确定湍流粘度微分方程个数，涡粘模型可以分为零方程模型、一方程模型和两方程模型。零方程模型是指不使用微分方程，而是代数关系式，把湍流粘度与时均值联系起来的模型，只对某些特定的简单流动有效，不能用于模拟带有分离和回流的流动，在实际工程中应用较少，一方程模型则是湍流时均连续方程基础上，建立一个湍动能Kd 运输方程，从而使方程封闭，但是由于其中长度比尺不易确定，难以得到推广应用。目前在工程中使用广泛的是两方程模型，最基本的方程模型就是标准的模型，即分别引入关于湍动能k和耗散率的方程。该标准湍流模型为典型的两方程模型，它在湍动能方程的基础上，再引入一个湍流耗散率方程，便是模型，其控制方程为：+=+ （5）+=+()+ （6）式中:为湍流脉动动能；为脉动能耗散率；为流体动力粘度；t为时间变量；为由平均速度梯度引起的湍动能的产生项；为可压缩湍流中的脉动扩张项；为湍流粘度系数，=；=0；=1.44；=1.92；=0.09；=1.3；=1.0。 （7）图4 湍流的数值模拟方法Fig.4 turbulent numerical simulation method273.2.5边界条件 通风管道两个进风口入口条件均为速度入口（velocity inlet），用风速仪测得中压风机出风的平均风速为40m/s。模型下面为出口，并将出口条件设定为压力出口（pressure-outlet），其压力为一个标准大气压。3.2.6 材料设置 假设通风管道内的气流为理想气体。物理参数为等效温度下的常量，则流道内流体的流动满足连续性方程和动量方程。空气的物理属性参数：密度=1.125kg/，动力粘度=1.7894×。3.3模拟结果与数据分析采用标准的模型，求解器定义为基于压力求解器（分离求解器）隐式求解。压力速度耦合采用目前工程上应用最为广泛的流场算法simple算法，如图8所示：经过132次迭代后计算收敛11。图8 迭代次数Fig.8 Cruves of iterations3.3.1 气流速度和涡流分析 在通风管道入口平均速度为40m/s时，对通风管道内部流场进行数值计算模拟计算，得到在XY和YZ截面上的速度矢量图见图9所示。图9a和图9b表明当两台中压风机的气流从进风口，并通过进风口管引导气流进入主通风管道后，流速在XZ平面(水平方向)和YZ平面（高度方向）两个方向均逐渐降低，在水平方向降低的尤为明显，主要是由于主通风管道为渐扩结构，截面类似梯形。截面在高度方向上逐渐增大，主通风管道宽度不变，气体逐步扩散，流速逐渐降低，而当气流靠近主通风管道底部时，一部分气流反弹回主通风管道内部，另一部分通过出风口流出，由于其出风口截面小，气体流速逐渐增大。图9a和图9b及图9c表明，在主通风管道内部中间底部位置存在四个明显的涡流区，同时在进风口端进入主通风管道气流两侧同样存在两个涡流区，这些涡流区不利于气体从出口流出，会导致与之接近的出口的流速的降低。这一现象在后续进行的出口流速试验中得到了证实。通风管道内部两进口的气体碰到底部后上升，在中间形成一道相互参杂的气流。使整个内部流场变得很复杂。使得与之相对的出口气体流速略有降低，此时的气体湍流也是比较强烈，这在后述的气体湍流强度分布图得到了验证。图9d为在两台中压风机无载时，出风口速度试验数据与模拟计算结果对比,最大误差不超过。从图可以看出，在出风口号码7和13处的速度比其他出风口处号码略大。8和11号由于处于通风管道中间位置，存在涡流现象，速度略有降低。图9a 对称面上气体速度矢量Fig.9a velocity vector of airflow in symmetry图9b x=200mm时气体速度矢量Fig9b velocity vector of airflow in x=200 mmSection图9c Z=50mm时气体速度矢量Fig.9c velocity vector of airflow in z=50 mmSection图9d 出风口各个端口速度对比Fig.9d comparison of each outlet port speed3.3.2 气体压力湍流分布通风管道内部气体压力分布如图10所示，由图10a可知，从进风口到主通风管道底部一段压力基本保持稳定，这是因为主通风管道的截面设计，有利于减少静压损失，从而减少由于压力损失造成出口风速减少。但在主通风道和出口交界处，出风口截面积减小，压力增大，尤其是正对着进风口的两个出风口周围。当气流从出风口出来后，直接喷射到空气里，形成自由喷射，所以其压力等于大气压。图10b就是通风管道在XZ平面上主通风管道和出风口交界处的压力分布图，验证了上面分析是正确的，这与理论计算也是想符合的。图10c湍流强度分布图，该图表明，气流从进风口进风到主通风管道，湍流强度并不强烈。同时我们可以看到，在有涡流的地方湍流强度比较大，特别是在截面与截面面积发生突变时，湍流强度变化非常明显。该模型由于主通风管道到出口截面变小，造成了气流湍流强度急剧增大，增大了出口流速，但这样可能会导致出口气流不稳定，使得出口速度分布不均。 图10a 对称面上压力分布图 Fig.10a contours of pressure of airflow in symmetry图10b 出风口与主通风管道结合处的压力分布图 Fig.10b contours of pressure of airflow in outlet图10c 对称面上气流湍流强度分布 Fig.10c contours of turbulence intensity of airflow in symmetry3.3.3气体轨迹分析图11为对称位置的气体轨迹分布图，从图中我们可以看到，气流在主通风管道中间位置明显存在旋转涡流，并且打结在一起。从图11主通风管道两侧同样存在强烈的螺旋状涡流，一直延伸到主通风管道右边，这是因为主通风管道梯形截面设置，气流从进风口流入碰到主通风管道底部弹回遇到侧部斜面形成螺旋状涡流，这样有利于减少气体压力损失，均衡主通风管道底部与出风口交界处的静压，从而使得各出风口风速趋于一致，这在后面的实验和模拟对比中得到了验证。图11 对称位置迹线分布图Fig.11 Trajectory of airflow in symmetry通过上述数值模拟结果分析知道，在考虑不改变出风口尺寸以及主通风管道形状变化的情况下，两出风口的分布情况对出风口速度的均衡化以及减少通风管道内部压力损失的影响较大。为此在将两个进风口向中间移动，并配以同样的进口边界条件，经过数值模拟计算知，当进风口移动30mm时，通风管道内部的左右两个涡流逐渐消失了，这样就减少了压力损失，平衡了出口风速。改进后的通风管道速度矢量分布如图12所示图12 模型改进后的气体速度矢量Fig.12 velocity vector of airflow of model improved4 茶园物理除虫机除虫实验4.1选虫据不完全统计，我国已记载的茶树病害有90余种，害虫、害螨约430种。病虫害不仅种类多，而且发生严重，为茶叶生产带来严重威胁。其中我国茶园主要虫害有：茶树假眼小绿叶蝉、茶小绿叶蝉、茶尺蠖、茶橙瘿螨、茶黑毒蛾、茶细蛾、茶卷叶蛾类、茶丽纹象甲、黑剌粉虱、茶蚜，其中茶树假眼小绿叶蝉和茶小绿叶蝉对我国茶园的危害最为广泛18。因此本次实验选用茶树假眼小绿叶蝉和茶小绿叶蝉为研究对象。其中：茶树假眼小绿叶蝉学名：Empoasca vitis Gothe同翅目，叶蝉科。别名假眼小绿浮尘子、小绿叶蝉。俗名叶跳虫等。分布江苏、安徽、浙江、江西、福建、海南、湖南、湖北、广东、广西、四川、贵州、云南、陕西、台湾。主要寄生在茶树、