摘要
折射式喷头广泛应用于喷灌机、温室、园林、农田等喷灌系统。但喷灌强度大是折射式喷头喷灌系统亟待解决的关键性难题。本文将射流脉冲技术应用于折射式喷头喷灌系统，研发了一种射流元件，形成了脉冲水压下的折射式喷头喷洒方法。本文通过射流理论分析，CFX数值模拟、试验研究与Surfer软件插值模拟等方法揭示了射流元件的脉冲特性和水力性能规律，确定了射流元件的最优结构参数，提出构建脉冲水压下折射式喷头喷灌系统的新思路。本文主要研究内容及结果如下： (1)本文基于射流附壁切换机理确定了一种适用于折射式喷头喷灌系统新型射流脉冲发生器的基本结构。选取喷嘴宽度、位差、劈距和侧壁倾角为关键结构参数构建189组不同结构参数的射流元件内流道水体模型，利用CFX数值模拟计算，以水头损失和压力振幅为评价指标确定了射流元件合适的结构参数：喷嘴宽度为3.0mm、位差为1.5mm、劈距为30mm、侧壁倾角为10°；分析了不同喷嘴宽度的射流元件的模拟结果，发现了喷嘴宽度越小，脉冲频率越高，压力振幅越大，脉冲性能越好；运用CFX-post得到射流元件内流道压力云图，分析了射流在内部流道的流动特性，发现了随着时间增加射流元件内流道的压力分布呈周期性变化，为正弦函数波形。 (2)开展了射流元件脉冲性能试验，以喷头流量、水头损失、压力振幅和脉冲频率为评价指标进行了不同工作压力对脉冲特性的影响规律的研究。研究发现，随着进口压力的增大，压力振幅与脉冲频率逐渐变大。在进口压力为100～200kPa时，射流元件的流量为0.798～1.684m3/h，水头损失为8～12kPa，压力振幅30～74kPa，脉冲频率13.0～15.8Hz，相较于优化前整体性能有所提升。 (3)建立基于射流脉冲的折射式喷头水力性能试验系统，开展非旋转折射式喷头水力性能对比试验研究。结果表明，进口压力为100kPa时，射流脉冲比定压喷头流量少8.3%，射流脉冲喷头的射程增加21.4%，喷灌强度峰值降低52.1%，平均喷灌强度降低了30%，分析脉冲压力和定压下喷头径向分布曲线，发现了两种压力下水量分布曲线均为类三角形，脉冲水压喷洒状态下增加了峰值近处和远处的喷洒水量，减小了水量分布曲线波动，提高了水量分布的合理性。利用Surfer软件模拟出脉冲和定压条件下不同压力喷头全圆喷洒水量分布三维网格图，更加直观的观察出喷头全圆喷洒水量分布规律，验证了射流元件可以有效调节喷头近处水量分布，降低了喷头喷灌强度，提升了喷头水力性能。 (4)开展不同进口压力、不同组合间距、不同喷头系统下折射式喷头水量分布规律研究，通过单喷头水量静态叠加法计算多喷头叠加水量分布。结果表明：进口压力为100kPa时，2、3、4m组合间距下射流脉冲喷头喷洒均匀性系数比定压喷头分别提高6.9%、10.1%、41.4%，组合间距为4m时射流脉冲下喷头喷洒均匀性系数明显提高，该组合间距下喷头喷洒性能最好。
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