毛管射流三通结构参数优化与试验验证

为了提高毛管射流三通的脉冲特性,采用正交设计方法,选取喷嘴宽度、喷嘴深度、控制管宽度、位差、劈距、侧壁夹角6个因素,每个因素取5个水平参数,设计了共25组不同结构的毛管射流三通模型.采用CFX数值模拟技术,对25组三通模型进行模拟计算.以脉冲频率、水头振幅和压差作为试验评价指标,通过极差法分析了结构参数对脉冲特性的影响规律,确定影响各因素的主次顺序;利用方差法确定影响因素显著特性,确定最优结构尺寸模型.经过试验验证,结果表明在进口压力为50~120 kPa下,与4 mm喷嘴宽度射流三通相比,优化模型射流三通脉冲频率提高了3~10次/min,水头振幅(压力)提高了3.2~11.1 kPa,灌水均匀系数提高了0.53%~1.94%,流量偏差率降低了0.81%~5.33%.优化射流三通模型可提供持续稳定脉冲水流,脉冲特性得到较大提高,可有效改善灌水均匀度.     

基于射流脉冲三通的滴灌带试验研究

基于射流脉冲原理,设计并加工了一种结构简单的射流脉冲三通,能够利用射流反馈振荡技术在滴灌带内形成脉冲水流,有益于提高滴灌系统的灌水均匀度,降低流量偏差率。在分析射流脉冲三通工作原理的基础上,通过水力性能试验,分析射流脉冲三通进口压力与振幅及出口流量的关系,研究滴灌带对射流脉冲三通振荡水流的响应特性,并对滴灌带脉冲频率、振幅与灌水均匀度及流量偏差率进行了试验研究,与相同条件下的普通三通作了试验对比。结果表明,射流脉冲三通2个出口能够产生强烈的振荡水流,并可在滴灌带内形成具有一定脉冲频率与振幅的脉冲水流,在20~80kPa工作压力下,与普通三通相比,灌水均匀度提高0.75%~1.99%,流量偏差率降低3.73%~10.76%。     

基于喷嘴宽度对射流三通水力性能试验与模拟

为提高毛管脉冲三通的水力性能,应用计算流体动力学单向流模拟方法分析射流三通6种进口宽度对其脉冲频率、振幅及水力性能影响,通过水力试验进行验证,制造模型进口宽度为3,4,5 mm的射流三通,以长度70 m滴灌带确定灌水均匀度、脉冲频率、流量偏差率及出口流量的关系,与同等条件下普通三通做了试验对比.结果表明:模拟喷嘴宽度4 mm的射流三通脉冲振幅大、频率高、相比其他喷嘴稳定性好;试验中宽度为4 mm的射流三通灌水均匀性好,均匀系数均值为94.88%,比普通三通提高了0.65%;随着压力水头的增大,灌水均匀性减小,但与普通三通之间的差值和幅度也在增大.研究结果为射流三通结构及滴管抗堵塞系统提供了理论基础.     

射流脉冲三通结构参数数值模拟与优化

基于CFX数值模拟技术,对射流脉冲三通的内部结构进行设计.首先通过控制变量法,得到了射流三通的稳定振荡区间,其中各关键结构参数的设计范围分别为分流劈距20~45 mm,位差1.1~2.1 mm,侧壁倾角6°~16°.在该结构范围内进行4因素3水平正交试验设计,4组因素分别为位差比、侧壁倾角、劈距比、喷嘴深宽比,3组水平分别为脉冲频率、水头振幅和流量振幅,得到了各因素对性能指标的影响主次顺序和最优模型设计方案.对比优化模型与普通模型的脉冲效果,模拟结果表明优化模型的脉冲频率提高了0~2.5 Hz,水头振幅提高了0~20 kPa.对普通三通和射流三通的脉冲效果进行水力性能试验,其中射流三通的脉冲频率为2.0~4.0 Hz,比模拟结果偏小,水头振幅为17~53 kPa,比模拟结果偏大.与普通三通相比,不同压力条件下,射流三通的单侧出口流量均较大,说明射流三通能够提供稳定的脉冲水流.     

支管射流三通结构优化与试验

为了提高支管射流三通水力性能,改善滴灌的灌水均匀性,基于CFX数值模拟技术,对进口宽度为15 mm的支管射流三通进行结构优化.选取位差、劈距、劈尖半径和侧壁倾角为影响因素,通过四因素三水平正交设计了9组模型,边界条件设定为进口压力100 kPa.选取支管射流三通出口设计流量为评价标准,支管射流三通最优结构尺寸为位差5.5 mm、劈距113 mm、劈尖半径13 mm、侧壁倾角10°.此结构尺寸参数下的支管射流三通水力性能试验结果表明:在进口水压为100 kPa时,支管射流三通脉冲频率为148次/min,水头压力振幅为37.9 kPa,水头压力损失为16.7 kPa,出口流量为0.698 L/s;支管射流三通所接滴灌带长度为60 m时,与普通支管三通相比,支管射流三通的灌水均匀系数提高了2.78%,流量偏差率降低了4.72%.该研究可为射流技术在脉冲滴灌系统的研究、开发与应用提供理论依据.     

射流脉冲三通毛管灌水均匀性试验研究

为了提高低压滴灌系统灌水均匀性,基于附壁与切换原理发明了射流脉冲三通发生器,试验研究了不同压力工况下脉冲频率、脉冲振幅2种因素对灌水均匀系数、流量偏差率的影响,并分析了脉冲条件下毛管铺设长度和进口压力对灌水均匀性的影响.结果表明:在毛管铺设长度相同时,不同低压下射流脉冲三通灌水均匀系数的平均值比普通三通提高了0.65%,流量偏差率明显低于普通三通,平均降幅为3.62%;低压条件下产生脉冲频率高于200次/min,脉冲振幅高于2.5 m;相同压力条件下,灌水均匀系数随毛管铺设长度的增大而降低,流量偏差率随毛管铺设长度的增大而显著增大;毛管铺设长度相同时,灌水器流量随进口压力增大而增大,进口流量也会随之增大.     

射流三通对灌水器抗堵塞特性的影响

为探明射流三通应用射流附壁与切换技术形成的脉冲水流对滴灌灌水器抗堵塞能力的影响和原因,采用筛分法,分选出6种小于0. 1 mm的泥沙粒径段,配置成3种泥沙级配组合和0. 5、1. 0、1. 5 g/L含沙量浑水,总进口压力为0. 1 MPa,分析射流三通和普通三通条件下滴灌测试系统的抗堵塞特性。结果表明:射流三通产生脉冲振幅为27 k Pa和振荡频率为236次/min左右的脉冲水流,对粒径为0. 03～0. 05 mm和0～0. 03 mm的泥沙抗堵塞能力较为显著,对粒径为0. 05～0. 10 mm的泥沙颗粒随着含沙量的增大抗堵塞能力呈减弱趋势;射流三通测试系统发生堵塞的灌水次数平均比普通三通测试系统多3～8次;不同含沙量下射流三通测试系统相对平均流量和灌水均匀性都高于普通三通,射流三通产生的高频脉冲水流是灌水器抗堵塞能力强于普通三通的主要因素。     

双喷嘴射流喷头数值模拟和射程试验研究

介绍了一种新型旋转式喷头——双喷嘴射流喷头结构形式和工作原理.首先对进水口公称直径为10 mm的射流喷头进行数值模拟研究,得到了主喷嘴和副喷嘴出口的压力和流量变化和射流脉冲频率.通过对宏观和微观条件下的喷头内部流动进行研究,分析了射流喷头的工作机理,主要有控制管内压力水流的流动状态和射流空间的低压涡流的变换过程.对双喷嘴射流喷头的射程进行初步试验研究,在0.05~0.25 MPa条件下,选用6.0,4.0,2.5,1.5 mm的喷嘴进行组合喷灌,结果表明射流喷头的射程范围为6~16 m,射程最远的为喷嘴直径4.0 mm×2.5mm的射流喷头,其次为喷嘴直径2.5 mm×1.5 mm的射流喷头,射程最近的为喷嘴直径6.0 mm×6.0 mm的射流喷头,喷头的射程能满足喷灌要求.     

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.     

射流三通组合的水力性能试验研究

【目的】探究支管射流三通与毛管射流三通组合下灌水系统的水力性能。【方法】根据3种支管射流三通进口压力水头(10、12、14 m)和3种滴灌带单侧铺设长度(60、70、80 m)设置9组试验,建立了射流三通水头振幅、脉冲频率、进口流量与水头损失的非线性拟合关系式,并分析了不同射流三通组合对灌水系统灌水均匀度的影响。【结果】水头振幅与水头损失、脉冲频率与水头损失均呈对数函数关系,流量与水头损失呈线性函数关系,且相对误差均小于1%;当支管毛管均采用射流三通时,灌水系统的灌水均匀系数提高了0.43%～0.92%,流量偏差率降低了5.32%～6.68%。【结论】可选择能够提高灌水均匀度的支管射流三通与毛管射流三通的最佳组合,并精确地预测3个模型下灌水系统水头损失的变化规律。     

双喷嘴负压反馈射流喷头水力性能研究

为简化摇臂式喷头结构、提高其水力性能,通过负压反馈技术设计了一种双喷嘴射流喷头,包括射流元件、主副喷管、旋转密封机构等,其主副喷管长度分别为5.6mm和4.8mm、喷头仰角为30°,左右喷管里产生的间歇脉冲水流能够驱使喷头步进式全圆旋转。在0.20、0.25、0.30、0.35MPa进口压力下,以射程、平均喷灌强度和喷灌均匀度为评价指标,通过加权评分法,对比了4种不同主副喷嘴直径组合（4mm×3mm、4mm×4mm、5mm×4mm和5mm×5mm）射流喷头与摇臂式喷头的水力性能。结果表明：在上述4种进口压力下,主副喷嘴直径分别为5mm和4mm时的射流喷头综合性能最好,其水量分布呈“三角形”,射程在13.2~13.7m之间,平均喷灌强度在3.81~4.38mm/h之间,喷灌均匀性系数在82.5%~86.0%之间。     

“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.     

缩放型喷嘴空化射流空泡云演化规律的试验研究

基于高速摄影技术对缩放型喷嘴进行空化射流试验,以揭示不同进口压力下空化射流流场特性,分析进口压力对空泡云演化规律的影响.结果表明:淹没式空化射流形成的泡云呈周期性变化,即在1个周期内包含空化初生、发展、脱落、溃灭4个不同阶段,并在空泡云脱落时达到最大的空泡面积、密度和宽度.由于随着射流入口压力的增大,喷嘴形成的射流速度加快,在射流边界层内速度梯度增大、射流核心区与伴随流的剪切作用增强,高速射流所产生的空泡云长度、面积和密度均呈增大趋势.同时,随着进口压力的增大,边界层内湍动能增大,加剧了部分流体的不规则运动,导致空泡云边界更加模糊且呈交错分布,空泡云的脱落频率不断增大.研究结果对提高空化射流在金属材料强化和石油钻井、破岩等领域的应用具有重要的理论意义和指导价值.     

喷管结构对环形射流泵流场的影响

为探究喷管结构对环形射流泵流场的影响，对喷管直角转弯与弧形转弯两种条件下的环形射流泵进行了数值模拟研究，对环形喷嘴出口直段开展计算分析。结果表明：喷管直角转弯时流场在喷嘴、喉管和扩散管环周分布不均，喷管弧形转弯时环形喷嘴形成均匀射流，有利于工作液与被吸液的均匀、对称混合及传能，各流量比工况下压力比及效率均有所提升。环形喷嘴出口设置（0.5～1）倍出口宽度的直段可改善环形射流泵的性能，在中低流量比时效率最高可提升1%；同时，直段有助于平稳喷嘴出口的压力，减小喉管入口附近回流区的范围和压降的幅度。研究成果可为环形射流泵全域流场分析、喷管结构设计提供依据和支撑。     

射流自吸式液气两相流喷射泵引射性能试验

针对截面比的大小这一影响射流式喷射泵性能的最重要的因素,通过试验,对不同系统压力下截面比与喷射泵引射性能的关系进行研究.对不同喷嘴尺寸下,不同截面比的喷射泵随进口水压改变时的水流量、引射空气量、引射系数进行试验测试,获得了不同工况、不同结构参数的喷射泵的引射空气试验值.试验结果表明,喷嘴出口直径为5.5 mm的喷射泵在0.40 MPa的系统压力下,系统水流量最大为1 940 L/h,引射空气量最大为1 090 L/h;喷嘴出口直径为4.0 mm的喷射泵在0.60 MPa的系统压力下,系统水流量最大为1 240 L/h,引射空气量最大为1 280 L/h;引射系数随着压力的升高而增大,当增大到一定值后保持不变.在0.40 MPa的系统压力下,喷嘴出口直径为5.5 mm和4.0 mm的喷射泵引射系数分别为0.56和1.07.在射流自吸式液气两相流喷射泵的设计和实际应用中,不仅要提高引射空气量,更要提高引射系数.     

变频二次脉冲喷嘴系统结构设计

【目的】前混合与后混合磨料射流加工技术存在影响表面质量、频繁出现的“水垫效应”,为实现节能环保、进一步降低能耗、持续提高射流束的加工能力及微细化能力。【方法】笔者在变频单脉冲前混合磨料射流喷嘴系统的基础上,研制了一种由双脉冲发生技术、微细直径玻璃喷嘴锻制技术、脉冲频率调节技术、前混合磨料射流技术多元融合的变频二次脉冲前混合磨料射流喷嘴系统。该喷嘴系统各部分结构大幅度创新,增加了侧喷嘴系统和终端微细玻璃喷嘴,并把上游喷嘴直径与下游喷嘴直径分别扩大到5 mm与7 mm,下游喷嘴结构设计为Φ7 mm通孔形式,与微细玻璃喷嘴相连接,形成了新型多功能的超微细喷嘴系统。【结果】最终生成的超微细高压磨料射流束直径为0.01 mm,满足设计预期。【结论】变频二次脉冲喷嘴系统具有节能环保性好、安全性高、加工精度高、加工质量好、加工效率高、加工能力强、技术先进等优点,可应用于超精密微细特种加工全部领域,实现“万能”加工效应,市场应用前景广阔。     

多出口扇形喷嘴干冰喷射速冻蓝莓特性研究

为提高干冰微粒速冻蓝莓的喷嘴雾化特性,优化设计一种多出口扇形喷嘴,喷射出扇形干冰微粒射流,更均匀更快速地冻结蓝莓。建立多出口扇形喷嘴的物理模型及蓝莓速冻干冰射流流场计算模型。基于Fluent软件,采用气固两相动力学模型DPS、Realizable、k-ε湍流模型对多出口扇形喷嘴干冰微粒喷射速冻蓝莓的过程进行数值模拟研究。探究了扇形喷嘴出口不同V形切槽角(60°、70°、80°、90°)在相同的入口流量和出口孔径下,对干冰微粒在速冻腔内的流场分布、蓝莓的冻结速率和冻结均匀性等参数的影响。结果表明：随着V形切槽角的增加,扇形冲击射流宽度降低,冲击射流核心区域内的流速增加。当多出口扇形喷嘴出口V形切槽角为70°时,相比60°、80°、90°速冻腔内整盘蓝莓的冻结完成时间分布最集中,整体的冻结速度快,流场最均匀,为此喷嘴模型(入口孔径30 mm,入口流速0.25 m/s,出口为圆周布置的孔径5.2 mm×6(6个孔径为5.2 mm的出口)和中心布置的孔径2 mm×4的组合)最优出口参数。随后对模拟仿真最优结果进行实验测试,可得整盘蓝莓完成速冻的时间为119 s,冻结速率为0.50 cm/min...     

附壁振荡液气射流泵工作性能试验研究

提出一种新的射流工作形式应用于液气射流泵,该射流形式——附壁振荡射流由射流元件产生.在液气射流泵垂直安装的试验装置上,对24种不同尺寸模型泵进行了振荡射流性能试验,并与直射情况对比.试验结果表明,工作水压力对性能影响明显,泵的性能线具有相近的最大压力比h值,随工作水压力的增大,最大流量比q和泵效率η增大.在相同工作压力下,随面积比m的增大,性能线由陡峭变为平缓,也即最大压力比减小,最大流量比增大,此时泵效率增大后减小,因此存在最优m值使效率最高.与直射情况对比,振荡射流形式获得的最大效率约为16%,小于直射情况,但两者具有相近的吸气量,采用振荡射流方式具有增大面积比的作用,随射流振荡频率的增大,压力比增大但小于直射情况.在给定具体工作压力为300 kPa情况下,由试验数据拟合出非稳定液气射流泵性能方程式,用于指导液气射流泵的实际应用.     

叶轮出口宽度对离心泵非定常性能的影响

为了研究设计工况下不同的叶轮出口宽度对离心泵非定常性能的影响,以一台比转速为66的离心泵为研究对象,保证设计模型其他几何参数不变的前提下,对叶轮出口宽度分别为11、12、13、14、15 mm的离心泵模型进行数值模拟计算,分析其外特性、内部流场以及压力脉动的变化规律。结果表明:叶轮出口宽度对离心泵的外特性有显著影响,出口宽度越大,扬程越高,存在一个最佳的叶轮出口宽度使离心泵在设计工况下效率最高,即b=14 mm;随着出口宽度的增大,叶轮和蜗壳的压力增大,叶轮流道内低速区面积增加,湍动能减小;蜗壳流道内监测点的压力脉动幅值随叶轮出口宽度的增加而增加,隔舌和出口处监测点的压力脉动幅值随出口宽度的增加呈先减小后增加的趋势,在b=14 mm时压力脉动幅值最低。综合分析:说明存在一个最佳的叶轮出口宽度使离心泵性能最佳,为比转速为66的离心泵的水力设计提供一定的参考价值。     

水下自激脉冲射流装置流场的数值模拟及试验研究

利用自行研制的淹没射流试验平台进行水下自激脉冲射流试验,得到水下自激脉冲射流驻点压力的径向和轴向分布,通过建立相应的物理模型和数学模型,对水下自激脉冲射流内外流场进行了数值模拟,得到装置内、外流场的压力和速度分布,并对计算结果进行试验验证.结果表明:自激脉冲射流在非淹没条件下,有明显的低频脉冲发生,而在淹没条件下,部分射流能量消耗在淹没水流中,以致在腔室内难以形成空化,没有产生明显的脉冲,且驻点压力大幅度减小;不同水深的径向压力分布曲线基本是相同的,近似服从高斯正态分布;轴向驻点压力均随靶距的增大而减小,其衰减特性与连续射流及非淹没情况相似,只是其在有围压情况下衰减速度更快;水下自激脉冲射流装置的内部流场存在轴心主射流低压区、两个对称的负压区、碰撞高压区,并在靠近碰撞体的腔体处产生漩涡,其外流场和冲击射流流场相似,但不存在射流核心区.