隙控式全射流噴頭理論及試驗研究.pdf

1、隙控式全射流噴頭是國家863計劃項目“新型噴滴灌系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的研制與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)(項目號：2004AA224010)”主要研究內(nèi)容之一。 由于全射流噴頭獨特的“附壁”工作原理，使得噴頭具有結(jié)構(gòu)簡單、水力性能優(yōu)秀、多功能的特點，適應(yīng)了噴頭多功能及節(jié)能的發(fā)展趨勢。因此，對全射流噴頭進行射流附壁理論、性能試驗及可靠性試驗等方面的全面、深入、系統(tǒng)的研究，建立全射流噴頭設(shè)計方法，具有重要的理論研究意義及實用推廣價值。 本文從自由紊動

2、射流理論及附壁流動理論出發(fā)，計算分析射流元件內(nèi)附壁點位置及射流核心區(qū)長度，指導(dǎo)噴頭作用區(qū)系統(tǒng)的設(shè)計；研究運轉(zhuǎn)控制理論，設(shè)計噴頭運轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，并對運轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)進行動力學(xué)分析，推導(dǎo)獲得最大驅(qū)動力矩的結(jié)構(gòu)尺寸；總結(jié)影響噴頭性能的主要尺寸，進行大量對比試驗，并結(jié)合正交試驗，分析各種水力性能要求下的最佳尺寸組合；采用CFD軟件對射流元件在直射、正向附壁和反向附壁等運行狀態(tài)下進行二維、三維數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與理論分析、試驗結(jié)果進行對比。通過以上

3、對隙控式全射流噴頭較為深入系統(tǒng)的研究，初步建立了噴頭的設(shè)計方法。 主要研究內(nèi)容和研究成果有： (1)介紹了隙控式全射流噴頭的工作原理及結(jié)構(gòu)特點，制定了1個系列6種規(guī)格噴頭的設(shè)計參數(shù)。全射流噴頭性能參數(shù)的制定高于國家《旋轉(zhuǎn)式噴頭》標準的要求。設(shè)計了噴頭射流元件的穩(wěn)流系統(tǒng)、水封系統(tǒng)、信號接收及輸送系統(tǒng)、作用區(qū)系統(tǒng)，并研制了全射流噴頭獨特的反向機構(gòu)。 (2)分別使用附壁點模型與控制面模型，推導(dǎo)出附壁半徑，以及對應(yīng)各種位

4、差時的附壁距離的計算過程和方法。首次編程對全射流噴頭10PXH、30PXH射流元件的附壁半徑、附壁距離進行了初步計算。并利用木村模型對核心區(qū)域的流動進行了分析。 (3)研究全射流噴頭運轉(zhuǎn)控制理論，指出實現(xiàn)穩(wěn)定切換狀態(tài)關(guān)鍵尺寸的設(shè)計要求。設(shè)計噴頭附壁控制運轉(zhuǎn)系統(tǒng)，分別闡述具體運行參數(shù)，即信號接嘴位置、導(dǎo)水管長度、間隙C寬度等結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計原理。對噴頭轉(zhuǎn)動力矩進行分析，推導(dǎo)出全射流噴頭的附壁驅(qū)動力及力矩、摩擦阻力及力距計算公式。首次

5、利用附壁射流中心線方程及動量方程推導(dǎo)了理論狀態(tài)下，附壁力矩最大值與結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系。并由剛體轉(zhuǎn)動定律得出全射流噴頭的力矩公式，及全射流噴頭轉(zhuǎn)角公式。 (4)建立了基于RS485總線的分布式測試水量分布測試系統(tǒng)。試驗研究工作壓力、主要水力尺寸對水力性能的影響。進行了各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴頭水力性能影響的正交試驗。得到了射程、水量分布、頻率、附壁力矩等最優(yōu)情況下的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。 (5)研制完成了測試全射流噴頭工作穩(wěn)定性的耐久

6、性試驗臺和耐磨損試驗臺，進行了隙控式全射流噴頭的耐久性試驗研究和耐磨損試驗研究。試驗表明，隙控式全射流噴頭耐久性能好，己安全運轉(zhuǎn)2000小時以上，耐磨性能還需進一步深入研究。 (6)采用三維非定常N-S方程作為控制方程，利用標準K-紊流模型封閉雷諾時均方程，并利用VOF方法求解追蹤自由表面的形狀和位置，采用PISO算法耦合速度壓力場，首次對噴頭射流元件內(nèi)部流動的不同運行狀態(tài)進行了二維、三維數(shù)值模擬，初步揭示了內(nèi)部流動的一般規(guī)律。