毕业设计(论文)-茶园物理除虫机管道模拟设计.docx
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1、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
2、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、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
4、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 us
5、e 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
6、 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
7、 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
8、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
9、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
10、、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
11、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
12、,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
13、)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
14、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,
15、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
16、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
17、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
18、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 diag
19、ram1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
20、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
21、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
22、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
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