霜冻是一种典型的农业气象灾害,给茶树等园艺作物的生长造成了极大的危害,防霜风机作为一种机械化的防霜装备,较其他技术措施防霜效果好、覆盖面积大、省时省力,也便于实现自动控制,因而在国内得到一定规模的应用。相较于美国等国家的一些大型防霜风机与日本小型防霜风扇,我国丘陵山区等地需要一种防霜面积介于二者之间的防霜风机,但目前国内防霜风机存在着防霜面积较小、防霜成本较高的问题。本研究以优化设计一种送风能力更强、防霜效果更好的圆弧板叶型防霜风机为目标,在分析研究风机防霜气象特征的基础上,进行防霜风机系统设计并验证360°回转防霜风机的可行性,接着对防霜风机圆弧板叶型进行参数优化,最后探究安装参数对防霜面积的影响,以进一步增大防霜面积。主要研究内容与结果如下:(1)茶园霜冻气象特征试验研究霜冻往往伴随着辐射逆温而来,在典型霜冻条件下对茶园近地面11 m高度范围内的温度变化进行测试与分析,结果表明:17:00~次日8:00为逆温现象发生时段,气温随着高度的增加而逐渐增大;21:00~次日6:00逆温现象最为显著,逆温强度较为稳定,11 m处较1 m处温度平均高4.09℃;逆温强度与高度之间存在较为显著的二次多项式关系,选取8~10 m为防霜风机的安装高度。对茶园霜冻微气象数据进行统计分析,结果表明:随着霜冻等级的增加,温度、风速、土壤热通量均有所减小,湿度略微增大,气温降至4℃的时刻明显提前。(2)360°回转防霜风机系统设计及可行性研究在对防霜风机进行总体设计的基础上,基于风机相似设计理论确定所需圆弧板叶片的转速为960 rpm,回转直径为1160 mm,CFD数值模拟与相似设计换算的风量、风压分别相差0.87%、2.98%。设计了一种风机360°回转的齿轮机构,增大了防霜面积,并对360°回转防霜风机的防霜可行性进行了研究,结果表明:气流持续时间随着最大风速的增大而增大,各测点风速呈现上升、波动、衰减的变化趋势,10~40 m为气流扰动有效区域;距防霜风机10 m、20 m处的温升较大,30 m、40 m处的温升较小;夜间茶树冠层温度本身存“上低下高”的现象,防霜风机扰动的气流加重了茶树冠层底部和顶部的温度差异;0~8 m为防霜盲区,8~25 m防霜效果较好,25~40 m防霜效果一般,证实了360°回转防霜风机的有效性和可靠性。(3)防霜风机圆弧板叶型参数优化建立圆弧板叶片结构模型的基础上,选择圆弧板叶片的安装角、掠角和截面圆弧半径3个因素,以风机风量、风压和功率为评价指标,利用正交试验和CFD数值模拟相结合方式进行计算与分析,得到安装角是对各指标影响最为显著的因素,截面圆弧半径次之,而掠角对各指标的影响较小,且各因素之间存在的交互作用较弱。在功率不超过5.5 kW的前提下,得到防霜风机圆弧板叶型最优结构参数:安装角为25°、掠角为87°、截面圆弧半径为1200 mm,优化后较优化前风量增加3.72%,风压增大8.07%。(4)安装参数对防霜面积的影响建立防霜风机气流扰动模型,通过ANSYS软件下的Workbench平台完成前处理、网格划分与设置计算,并通过Tecplot进行数据处理,模拟不同工况下气流扰动有效范围,结果表明:适度减小安装高度与安装俯角可以增大防霜面积,但随着安装俯角的减小,盲区面积随之增大;随着安装高度的较小,防霜范围右端点的值变化不大。叶片设计优化后防霜面积有着较大的提升。最后提出一种防霜盲区弥补方案,通过对辅防霜风机进行合理选型与布置,使主防霜风机的防霜盲区覆盖率达到100%。