影响负压反馈射流喷头水力性能的重要参数正交试验

为了探究影响负压反馈射流喷头水力性能的重要参数对水力性能的影响程度,并选出综合水力性能最优下的重要参数组合,首先设计了4因素3水平正交试验,并根据试验要求分别加工出3种长度(4.2,5.6,7.0 cm)的喷管、3种直径(3,4,5 mm)的喷嘴,以及射流进口宽×深为4 mm×8 mm、位差1.80 mm、侧壁夹角20°、劈距28.0 mm、3种喷射仰角(20°,30°,40°)的射流机构,用于水力性能测试.采用综合评分法和极差分析法对正交试验结果进行处理,并引入了射程和喷灌均匀系数对试验结果进行评价.结果表明:影响喷头综合水力性能的重要参数,影响程度由大到小依次为喷射仰角、主副喷嘴直径、工作压力、主副喷管长度.得到了在此射流机构下的最优重要参数组合为工作压力0.35 MPa、主×副喷嘴直径5 mm×4 mm、喷射仰角30°、主×副喷管长度4.2 cm×4.2 cm.试验结果可为该型国产喷头的产品化和未来工程应用提供理论数据支撑.     

全圆旋转射流喷头设计与水力性能试验

为了提高农业节水灌溉效率,提出了一种全圆旋转射流喷头。确定了喷头的CFD数值模拟方法,选取深宽比、位差比、劈距比、侧壁倾角作为试验因素,以射流附壁切换频率和流量振幅为指标,通过正交试验得到了喷头内流道的优化结构。通过高速摄影技术对喷头的射流附壁切换频率进行测定,同时监测喷头的进口流量,结果表明,模拟所得的流量压力关系与试验结果基本一致,相对误差范围为2. 1%～4. 0%,射流附壁切换频率随进口压力的变化趋势基本相同,相对误差范围为7. 7%～22. 2%。当进口压力为0. 15、0. 20、0. 25 MPa时,分别研究了PY210A型摇臂式喷头和射流喷头的水力性能,其中射流喷头的流量较小(1. 19～1. 53 m3/h)、射程较远(13. 0～15. 7 m)、平均喷灌强度较小(2. 85～3. 63 mm/h),转动周期较短(81～105 s),摇臂式喷头的喷洒水量呈"马鞍形"分布,射程近处和远处的喷洒水量相对较大,射流喷头的喷洒水量呈"三角形"分布,喷洒水量随射程增加而减小。     

“槽型”驱动板对射流脉冲喷头水力性能的影响试验研究

为改善射流脉冲喷头的径向水量分布,基于射流脉冲喷头的“双驼峰”式水量分布以及挡水板结构的特点,创新了一种“槽型”驱动板结构,并进行了正交试验,得到一种新型结构的射流脉冲喷头.发现“槽型”驱动板的各结构因素对射流脉冲喷头喷灌均匀度影响的主次顺序及最优结构为内槽倾角13°、驱动板长度16 mm、槽宽3 mm、侧驱动板倾角17°、驱动板宽度11 mm.当进口压力为 0.15,0.20,0.25,0.30 MPa 时,开展了“槽型”射流脉冲喷头、原射流脉冲喷头与摇臂式喷头水力性能对比试验.试验结果表明:在0.15~0.30 MPa的进口压力下,新喷头进口流量相比原喷头进口流量减小0.12~0.17 m³/h,相比摇臂式喷头进口流量减小0.07~0.16 m³/h.“槽型”射流脉冲喷头喷灌均匀度比原射流脉冲喷头提高 1.25%~7.43%,比摇臂式喷头高 7.84%~14.42%.综合分析表明“槽型”驱动板结构设计合理,对射流脉冲喷头的喷灌均匀性改善显著.研究可为该型国产喷头后续研发和工程应用提供可借鉴的理论参考与数据支撑.     

射流三通连接滴灌带的水力性能沿程变化规律

为了探究滴灌带沿程水力性能的变化规律,在射流三通进口流量为0.1~1.2 m³/h的范围内,开展射流三通进口流量与出口水头振幅的水力性能试验,发现射流三通连接脉冲滴灌系统的流量阈值为0.2~0.8 m³/h;在脉冲滴灌系统流量阈值的范围内,开展射流三通连接滴灌带沿程脉冲参数试验,研究射流三通连接60 m滴灌带沿程脉冲性能的变化规律,发现当滴灌带进口水头振幅大于1 m时,沿程水头振幅的衰减速率存在突变点,沿程脉冲频率先增大后减小,射流三通在整条滴灌带上均能产生脉冲水流的进口流量设计范围是0.5~0.8 m³/h.在射流三通进口流量的设计范围内,开展稳压滴灌和脉冲滴灌的同台对比试验,结果表明,射流三通连接滴灌带内的水头损失比普通三通连接滴灌带内的降低62.5%~83.3%,灌水均匀系数提高了0.6%~0.9%,流量偏差率降低了1.2%~4.1%;进口流量为0.7 m³/h时,射流三通连接滴灌带灌水均匀度最高.     

负压反馈射流喷头主副喷嘴直径及流道结构参数的优化

负压反馈射流喷头是一种基于射流脉冲特性设计的全圆旋转灌溉喷头。喷头的主副喷嘴尺寸组合对该型喷头脉冲特性和水力性能影响较大。为确定主副喷嘴直径的设计区间及各流道结构参数对喷头性能的影响,首先利用单因素数值模拟方法确定具有良好脉冲效果的主副喷嘴直径设计区间,再以进口流量和射程为评价指标,进行了九因素四水平正交试验。采用极差分析法和相对影响指数评价法处理正交试验结果,得到了喷头主副喷嘴最佳尺寸组合与内部最优流道参数,加工优化后样机进行优化前后喷头水力性能对比试验和数值模拟验证试验。结果表明,在0.15～0.30 MPa工作压力范围内,主、副喷嘴直径的设计区间分别为4.0～4.5 mm、3.5～4.5 mm,最优流道结构具体参数为位差比0.475、侧壁倾角12.0°、劈距比9.0、深宽比2.5、相对曲率半径比3.0、主副喷管相对长度组合8 cm×6 cm、主副喷嘴组合4.5 mm×3.5 mm、仰角30°。优化后的样机比优化前的进口流量降低了12.1%～14.6%、射程增加了6.5%～9.4%,优化后喷头的中近程降水深较优化前减小,远处降水深增加。优化后试验值与模拟值的归一化均方根误差指标分别为4.2%和6.7%,说明优化效果较好,水体模型精度较高。研究提出的最优流道结构参数及研究过程可为喷头后续设计提供参考。     

射流三通产生的脉冲波对灌水器水力与抗堵塞特性的影响

该文应用CFD两相流模拟与水力试验相结合的方法,研究射流三通产生的脉冲水流对灌水器流道水力性能和抗堵塞性能的影响。进行射流三通水力性能试验,获取其脉冲参数(振幅、周期),用以生成波动压力,为数值模拟提供参考;对比射流三通、普通三通下定制灌水器出口流量的模拟值与实测值,验证模拟方法的可行性;数值模拟研究不同时刻脉冲条件下含沙量在流道的分布情况和不同密度、不同粒径颗粒的运动路径及速度变化。结果表明,射流三通产生的波形与同参数正弦波波形类似,可由正弦波代替射流三通波进行模拟。射流三通波形压力和恒压下的流量的实测值与模拟值之间的相对误差在7%以内;脉冲条件下灌水器流道的主流区和漩涡区都具有脉冲性能。脉冲条件下流道最大含沙量低于恒压条件下的22%。同一密度不同粒径条件下,恒压条件高于脉冲水流下颗粒路径的1.21%~26.9%,同一粒径不同密度条件下,恒压高于脉冲水流条件颗粒路径的3.25%~9.6%。综上,射流三通产生的脉冲波能够提高水流的挟沙能力和抗堵塞性能。     

喷管仰角和长度对负压反馈射流喷头水力性能的影响

负压反馈射流喷头(简称射流喷头)是中国自主研发的新型中程灌溉喷头。喷管是喷头的重要组成部分,对喷头水力性能影响重大。为针对性研究喷管参数(仰角、长度组合)对射流喷头水力性能的影响,寻找最优喷管参数,开展了不同喷管参数下射流喷头与PY_210摇臂式喷头水力性能对比试验。结果表明,在相同主喷嘴尺寸时,不同工作压力和不同喷管参数下,射流喷头均同比摇臂式喷头射程远1～2.5 m;射流喷头水量分布中近程呈现较好的"三角形"分布,远处出现水量"凸峰"。最后对试验数据采用综合评分法和熵权法进行分析,同时综合考虑实际喷头野外抗风性能和单一造价,确定最优综合评分下的主副喷管参数为:主副喷管长度组合4.2 cm×4.2 cm,工作压力为0.20～0.30 MPa时,主副喷管仰角40°×40°;工作压力为0.35 MPa时,主副喷管仰角30°×30°。     

射流三通产生的高频压力脉冲对迷宫流道灌水器堵塞的影响

滴头堵塞是滴灌技术发展的主要障碍。为了分析75 kPa射流三通入口压力下形成的压力脉动对迷宫流道灌水器堵塞的影响。该研究以3个压力（恒定压力，射流三通左侧和右侧的脉动压力），采用因素组合，进行了滴灌系统迷宫流道灌水器堵塞试验研究，最后确定射流三通产生的高频压力脉冲与稳压对平均相对流量（Dra）和克里斯琴森均匀性系数（CU）的影响。结果表明，射流三通组的平均相对流量和克里斯琴森均匀性系数分别比普通三通组高10.8%～14.8%和21.1%～44.9%。3种浑水浓度下（0.5，1.0和1.5 g/L），对于普通三通组，在第16、11和7次灌溉运行之后，平均相对流量降低到74%，这被认为灌水器处于严重堵塞的状态。但是，对于射流三通左和右侧组，分别在第18、16、14、13、11和10次运行后，平均相对流量仍高于75%。高泥沙沉积物浓度（1.5 g/L）的平均相对流量和克里斯琴森均匀性系数与低和中泥沙沉积物浓度（0.5和1.0 g/L）的有显着差异（P<0.01）。高浓度（1.5 g/L）时堵塞的可能性迅速增加，但此浓度下射流三通较普通三通依然具有抗堵塞性能。总之，射流三通产生的高频压力脉冲具有稳定的防堵塞性能。建议使用射流三通代替滴灌系统中的普通三通，以防止灌水器堵塞。     

负压反馈射流喷头脉冲特性及其影响规律

脉冲特性对负压反馈射流喷头的水力性能有着重大影响,也是区别于其他类型灌溉喷头的典型特征,为了系统性研究负压反馈射流喷头的脉冲特性,进一步掌握负压反馈射流喷头的设计方法。该文针对负压反馈喷头的工作原理和喷洒机制进行了深入分析,确定了高频率、高压力振幅的喷头结构优化方向。对影响喷头脉冲特性的主要因素(包括位差比、侧壁倾角和劈距比)及其耦合对脉冲特性的影响分别进行了研究,确定了具有较好脉冲特性的喷头结构参数设计区间,并探究了不同因素对脉冲特性的影响规律。结果表明,脉冲频率随位差比、劈距比变化的减缓转折点分别为位差比0.525、劈距9;压力振幅随位差比增加而增加,增缓转折点为位差比0.450、侧壁倾角,劈距比与压力振幅的关系呈先增后减趋势,增转减转折点分别约为侧壁倾角12°、劈距比9。通过正交试验,采用极差分析法,计算相对影响指数,得到影响喷头脉冲特性的因素主次顺序为:位差比、劈距比、侧壁倾角,提出了最优脉冲结构参数:位差比0.450、侧壁倾角10°、劈距比7。研究可为国产新型负压反馈射流喷头后续优化研究提供参考。     

射流脉冲喷头驱动板结构优化对喷头性能的影响研究

目前缺乏对射流脉冲喷头流道结构的整体优化和基于喷洒特点的驱动结构设计与研究。为解决这一问题，推动该型国产喷头产业化进程与后续系列喷头开发，对射流脉冲喷头进行了整体结构优化设计，并针对影响射流脉冲喷头转动和水量分布较大的驱动板结构进行了首创设计与试验研究，解决了驱动机构复杂，弹簧易腐蚀老化的缺陷。同时驱动板结构是影响射流脉冲喷头水力性能的关键因素之一，而当前缺少基于喷洒特点的驱动结构设计与研究，因此，采用四因素三水平水力性能试验与验证相结合的方法，提出“爪形”驱动板结构。正交试验结果表明：“爪形”驱动板各结构因素对射流脉冲喷头喷灌均匀度影响主次顺序为三角形挡板底宽、驱动板长度、驱动板倾角、驱动板宽度；最优结构为三角形挡板底宽7 mm、驱动板长度18 mm、驱动板倾角14°、驱动板宽度11 mm。