低压喷头喷洒运动机理与均匀喷洒控制

Low-pressure and energy-saving are the main directions of the sprinklers irrigation technology. But when the normal sprinklers work under low pressure, the water will spray more in the end of the range, which will result in uneven water distribution and even influence the sprinklers’ normal running. Well-distribution under low pressure of the sprinklers becomes the key to solve this question. This project will take two typical low pressure sprinklers as research objects, implementing the research on water jet spraying model, jet dispersing mechanism and well-distribution control under low pressure, using experiment, theoretical analyses and numerical simulation method, aiming at improving the water distribution under low pressure. The water jet spraying hydraulic model and the sprinkler distribution prediction model under low pressure will be built based on the research on the relation between the hydraulic characteristics of jet broken, water drop flying and the spraying track, range and performance characteristics of the sprinklers. The jet moving dispersing mechanism and striking dispersing mechanism for the sprinklers will be obtained by the research on the water drop broken and the dispersing effect to the water jet by different dispersing structures. The jet dispersing model under low pressure will then be established. The well-distribution control strategy for the sprinkler under low pressure will be put forward based on the research on the effect law to the rotation speed and hydraulic performance by the driving structure, and the research on the effect law to the jet spraying and water distribution by the dispersing structure. The research will lay the theoretical foundation of the hydraulic design and scheme of uniform spraying under low pressure.

低压节能是当前喷灌技术发展的主方向。但普通喷头在低压下运行时，水量会向射程末端集中，导致水量分布不均匀，甚至影响喷头的正常运转，因此实现喷头的低压均匀喷洒成为解决问题的关键。项目将采用试验、理论分析与数值模拟结合的方法，以两种典型低压喷头为研究对象，以提高低压时喷头水量分布均匀性为目标，开展水射流喷洒运动模型、低压水射流分散机理与低压喷头均匀喷洒控制研究。通过研究水射流破碎、水滴飞行等特征参数与喷头射程和水量分布等性能参数之间的关系，建立水射流运动模型和低压喷头喷洒水量分布预测模型；通过研究水射流运动破碎及散水机构对水射流的撞击破碎，掌握喷头水射流运动分散及撞击分散机理，建立低压水射流分散模型；通过研究喷头驱动机构对喷头转速及水力性能的影响，以及研究散水机构对水射流喷洒及水量分布的影响，建立喷头低压均匀喷洒控制策略。为创建低压喷头水力设计理论、建立喷头低压均匀喷洒控制技术奠定基础。

喷头具有结构简单、工作可靠等优点，因此被广泛应用于喷灌工程中。低压节能是当前喷灌技术的发展方向，但喷头在低压下运行时，水量会向射程末端集中，导致水量分布不均匀，甚至影响喷头的正常运转，因此实现喷头的低压均匀喷洒成为解决问题的关键。研究水射流运动破碎及散水机构对水射流的撞击破碎，掌握射流破碎机理，建立低压水射流分散模型，是提高喷头水力性能，实现低压均匀喷洒的理论关键。. 本项目以摇臂式喷头、反作用式喷头为研究对象，设置不同异形喷嘴、散水装置及空间流道尺寸，通过喷头水力性能试验，研究工作压力、喷嘴结构尺寸、散水装置结构尺寸及空间流道结构尺寸对喷头水力性能的影响；采用高速摄影技术，研究异形喷嘴、散水装置对喷头射流形态、射流破碎的影响规律。采用VOF和大涡模拟（LES）相结合的方法模拟圆形及异形射流外流场射流结构，建立射流破碎长度、表面波初始振幅与不同喷嘴当量直径之间的指数方程；采用k-ε模型模拟喷头空间流道，探索空间流道几何参数对喷头旋转驱动力的影响，获得空间流道最佳结构参数。研究结果表明，异形喷嘴在150 kPa下的最佳组合均匀性系数大于圆形喷嘴在200 kPa下的最佳组合均匀性系数；采用分水针能使喷头射流充分破碎，从而改善喷头射程中间和喷头附近的水量分布；在射流下端轴对称形式的波形结构由于惯性和粘性力的作用，射流表面逐渐出现指状结构以及液带结构，且随距喷嘴距离的增大，细小液滴从液带结构的端部脱落形成飞行液滴；在低压工况150 kPa和200 kPa下，新型空间流道结构的低压旋转式喷头的水量分布特性近似为“三角形”分布，水量分布更为均匀，组合均匀性系数更高。发表高质量论文20余篇，获江苏省科学技术二等奖1项。. 本研究丰富了低压水射流运动和分散特征的研究，建立了高性能低压喷头设计理论与方法，为低压喷头的设计和优化奠定理论基础，填补了国内外对于低压喷头喷洒机理与设计理论的空白。