外取水射流喷头结构优化及试验研究

• 作 者: 蒋建园
• 机 构: 江苏大学
• 出 处: 江苏大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 喷灌系统 外取水射流喷头 结构优化 水力性能 均匀系数 流场分析

随着世界能源短缺现象的日益严重，我国的喷灌技术正朝着大幅降低节水灌溉装备能耗和提高灌溉水利用率等方向发展。全射流喷头是一种我国独创的节能降耗的喷灌装备，但在低压条件下存在均匀度较差以及旋转不稳定的问题，对全射流喷头进行改进及优化具有重要的意义。本文通过对全射流喷头结构改进及优化提出外取水射流喷头，采用理论分析、试验研究及数值模拟等方法，对外取水射流喷头进行了系统的研究。　　本文主要研究内容包括:　　(1)通过对全射流喷头结构及工作性能的全面分析，提出低压条件下全射流喷头结构存在的不足，针对全射流喷头工作时喷头取水量不易控制，喷头及连接竖管出现晃动、偏离铅垂线而影响喷洒均匀性等问题，本文创新性的提出了外取水射流喷头的结构，采用外部取水方式、双喷体结构和圆形出口盖板。外部取水信号嘴方便调节，又可以起到分水针的作用，促进射流元件内部高速射流的裂变，提高了喷头喷洒均匀性。双喷体结构使喷头整体结构更加平衡。并通过单因素性能试验对外部取水信号嘴的最佳工作位置进行确定，得到性能良好、工作稳定的外取水射流喷头。　　(2)以优化后的外取水射流喷头为研究对象进行性能试验，得到外取水射流喷头性能参数，并与全射流喷头进行对比研究。结果表明，相同压力下，外取水射流喷头的射程大于全射流喷头，由于外部取水信号嘴对射流的破碎作用，平均雨滴直径比全射流喷头小0.5mm左右，并提出工作压力分别为0.15MPa、0.2MPa和0.25MPa时，外取水射流喷头正方形布置最佳组合间距为R、1.1R和R，组合均匀系数值分别为78.3％、83.9％和87.6％。　　(3)通过详细的理论推导，对喷灌均匀性系数CU和分布均匀系数（1/4低值分布均匀系数DU1q、1/4高值分布均匀系数DUhq、1/2低值分布均匀系数DU1h和1/2高值分布均匀系数DUhh）之间的关系进行了深入的分析，并以外取水射流喷头为研究对象进行均匀性试验，对理论推导结果进行了试验验证。结果表明:DUhq和DUhh始终大于等于CU，DU1h和DU1q与CU的关系与具体试验数据相关。　　(4)采用FLUENT软件对不同压力下射流元件内部射流流动速度分布及漩涡区压力分布进行数值模拟，对外取水射流喷头直射和附壁两种流动状态进行对比研究。应用PIV试验方法对流场分布情况进行分析，并与数值模拟结论进行对比验证。结果表明:主射流流速最大区域位于流道中上游，向下游发展速度衰减，附壁状态有明显的漩涡区存在，直射状态出口平均速度大于附壁出口平均速度，附壁最大速度大于直射状态，且信号水进口处真空度最大。