隙控式全射流喷头运转动力学分析

针对隙控式全射流喷头在恶劣工作条件下出现的附壁力小、驱动力矩小等不足,研究了获得射流元件的最大附壁驱动力矩和减小摩擦阻力矩的方法,对射流元件进行优化设计,以保证喷头的正常运转．分析了隙控式全射流喷头的转动驱动力矩和摩擦阻力矩,喷头转动驱动力矩由射流附壁时与射流元件侧壁产生的驱动力矩,射流与出口盖板的作用力矩组成,喷头的摩擦阻力矩由空心轴端面摩擦阻力矩,空心轴与轴套间的摩擦力矩,密封机构摩擦阻力矩组成．根据动量守恒方程推导出附壁射流中心线方程,得到中心线附壁点距离及附壁冲角的计算公式．推导了理论状态下,附壁力矩最大值与结构尺寸之间的关系．由刚体转动定律计算出全射流喷头的力矩公式及全射流喷头步进角度公式．     

全射流喷头内部附壁点距离的计算

阐述了全射流喷头中水射流附壁点的距离是喷头射流元件设计的关键尺寸．基于Bourque理论,采用控制面模型,计算了全射流喷头内射流附壁点的距离,并与试验结果和相关文献进行对比,发现在射流扩散系数取9时,计算值与试验值接近．讨论了影响附壁点距离的各种因素,包括位差、壁面倾角、射流流量、射流扩散系数等．研究发现,可通过增大偏移率,增大壁面倾角来增大射流元件中附壁点距离,其中以改变壁面倾角最为显著,流量的改变几乎不影响附壁距离．研究结果对于改进全射流喷头射流元件的设计具有指导意义．     

全射流喷头水力尺寸对运转可靠性

从研究全射流喷头水力尺寸与可靠性的关系入手，寻找提高产品可靠性的方法。提出了影响喷头工作稳定可靠性的主要因素为主射流的附壁时间及主射流的附壁力。探讨了接嘴插拔深度及其内孔直径、作用区位差S、盖板出口位差H1和H2、出口间隙C等关键水力尺寸及其相互之间配合对主射流附壁时间及主射流的附壁力的影响，进而得出对喷头可靠性的影响。最后得出要使喷头运转稳定可靠，需对喷头的水力尺寸进行深入的研究，找出水力尺寸间的最佳组合。     

大射程全射流微喷头设计与性能试验

利用射流附壁原理,设计一种大射程的全射流微喷头.分析了全射流微喷头旋转驱动力与射流元件作用区结构尺寸的关系,得到两种驱动力的计算公式.通过正交试验得到了最优转速、最远射程时的作用区位差、作用区长度和盖板位差的尺寸组合.对最优结构样机进行了水力性能测试,测试结果与正交试验结果一致.样机水量分布均匀,射程、水滴直径达到设计要求.     

小位差比率射流元件内部流场PIV试验

采用PIV测试技术对小位差比率射流元件内部附壁射流流动进行了测量,得到了射流元件附壁流动速度场分布以及附壁点位置的准确数据,从而为数值模拟研究提供参照和判断。分别研究了流量、位差比率、补气孔距离、盖板尺寸对射流元件附壁流场的影响,并与数值模拟结果进行了对比。结果表明:一定范围内,流量和工作压力对附壁点位置基本无影响;小位差比率下附壁点距离比随位差比率增大而增大,得到了小位差比率下附壁点距离比与位差比率之间的关系式;附壁点距离随补气孔开孔位置变化先减小后增大;位差比率和盖板尺寸对射流元件附壁效果影响较大。     

全射流喷头射流元件附壁频率

基于全射流喷头射流元件的工作原理和内部流动状况,分析射流元件附壁频率的影响因素.利用元件两侧压差大小,建立附壁频率计算式,通过射流元件壁面脉动压力测量获得的附壁频率试验数据,频率计算值与试验值符合较好.计算与试验结果表明,附壁频率随元件腔室容积增大,信号水导管长度的变长而减小,随喷头工作压力增大,信号水流量的增大而增大,对于PXH30全射流喷头射流元件,获得信号水流量与附壁频率的线性关系式.在无因次数计算与分析中,喷嘴雷诺数对斯特劳哈数影响较小,斯特劳哈数随欧拉数的增大而减小.附壁频率的研究能指导射流元件的设计和全射流喷头工作状态的调节.     

全射流喷头内部流场测量实验研究

简述了隙控式全射流喷头的工作原理。介绍了国内外附壁射流现象的研究进展。在国内外现有研究成果的基础上,提出了采用粒子图像测速技术（PIV）对全射流喷头内部流动理论进行研究,并简要介绍了PIV系统的工作原理。设计了全射流喷头附壁射流流场测试实验。针对射流元件内部流动状态和射流控制切换规律,将实验分为静态和动态两部分。静态实验观测稳定状态下的附壁射流流场,动态实验对喷头实际工作状态下的附壁频率、压力分布进行测量研究。对实验中存在的附壁点判断、操作精度控制、运转震荡、观测区尺寸偏小的难点进行了分析,并针对难点提出了相应的解决方案。     

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。     

全射流喷头内部流场计算流体动力学数值模拟

建立了全射流喷头内部流场的CFD数值模型,并对喷头的流量压力关系、喷头附壁情况下附壁点的位置进行了数值模拟计算。CFD计算值与实验测量值对比结果表明,CFD计算得到的3种喷头流量值与实验测量值的平均偏差小于5％,附壁点计算值与实验测量值平均偏差小于5％。说明采用CFD方法能较好地反映喷头的内部流动情况,根据数值模拟最终得到全射流喷头内部流场在直射和附壁状态下的速度矢量图。     

低压射流不同喷嘴参数及压力下破碎过程实验

研究了不同低压下喷头喷嘴直径和喷嘴锥角对射流破碎的影响。采用高速摄像仪对低压圆柱射流的射流核心长度和射流破碎长度进行实验,测量了不同喷嘴结构的流量、射程和末端水滴直径。结果表明:同一压力下,当喷嘴锥角不变时,随着喷嘴直径的增大,喷头流量、射程和喷头末端水滴直径都变大,射流核心长度和破碎长度均增大;当喷嘴直径不变时,随着喷嘴锥角的增大,喷头流量逐渐减小,而喷头射程呈先增大后减小趋势,喷头末端水滴直径也变大,射流核心长度逐渐减小,射流破碎长度先减小后增大。综合考虑射程和雾化效果,直径为5 mm、锥角为45°的喷嘴为最优选择。同时通过对不同Re数和We数的实验和分析,给出了适合低压喷嘴的两种射流特征长度的拟合关联式。