压力与风对喷灌水量连续分布影响规律及其动态模拟研究

以解析和模拟压力与风对喷灌水量连续分布的动态影响为目标，从喷头射流碎裂和雨滴运动过程入手，根据喷头圆射流的液、气相质量和动量守恒的纳维一斯托克斯方程，运用非线性稳定性理论及牛顿第二定律，研究建立风速和压力变化条件下基于时间模式的喷头非平行圆射流进入空气中的时空模型及单雨滴运动模型。在此基础上，采用连续函数逼近等数学理论，结合试验分析和数值模拟等方法，建立基于雨滴群的喷灌水量连续分布模型。通过对压力与风速等影响因素的分步模拟，最终实现在风速自然变化及喷灌系统压力波动等实际运行工况下喷灌水量连续分布的动态模拟。项目研究结果对喷头和喷灌系统灌溉均匀性、抗风性、压力稳定性等方面的系统评价、喷头结构和喷灌系统优化设计、喷灌系统的压力调控等都具有重要的指导意义。

本项目研究目标是通过研究工作压力、风、坡度对喷头喷洒水量分布的综合影响规律，建立模型，实现复杂工况下喷头水量分布的动态模拟，项目研究任务按计划完成。项目首先研究喷灌喷头在不同工作压力射流的碎裂过程和喷洒雨滴的运动规律,通过对坡地环境下喷洒水滴进行受力分析，运用牛顿第二定律建立了坡地环境下的水滴运动方程。利用喷头水量分布为连续变化的假设，采用连续插值函数逼近的方法建立了压力-水量分布模型。将水滴运动方程与压力-水量分布模型进行链接，实现复杂工况下的喷头喷灌水量分布的动态模拟。以多个工作压力下喷头喷洒试验雨量筒测得数据为例，对模型进行了测试，表明模型可以模拟出喷灌水量的三维动态分布，计算组合均匀度，并优化喷灌系统喷头和支管的组合间距。项目研究结果对喷头和喷灌系统灌溉均匀性、抗风性、压力稳定性等方面的系统评价、喷头结构和喷灌系统优化设计、喷灌系统的压力调控等都具有重要的指导意义。本项目研究成果获2012中国农业节水科技一等奖、2011中国水科院科学技术一等奖，发表论文11篇，其中SCI、EI收录8篇，授权发明专利2件，参编著作1部，培养研究生8名。