射流破碎特性及噴頭噴灑性能研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)式噴頭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于噴灌工程中。但是，對(duì)于噴頭的研究大多集中在外特性水力性能方面，對(duì)射流破碎機(jī)理研究較少，而射流空間破碎研究是提高噴頭水力性能，尤其是實(shí)現(xiàn)低壓均勻噴灑，以及優(yōu)化噴頭結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。因此，對(duì)噴灌噴頭射流空間破碎過程問題的深入研究，掌握射流破碎機(jī)理，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　本文以搖臂式噴頭為研究對(duì)象，分析不同工作壓力及噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)噴頭水力性能的影響；從自由紊流射流理論出發(fā)，

2、通過高速攝影技術(shù)分析噴頭射流破碎形態(tài)特征，得出射流破碎長(zhǎng)度；采用PIV測(cè)量技術(shù)對(duì)射流外流場(chǎng)進(jìn)行流速試驗(yàn)研究，得出射流初始段長(zhǎng)度；采用CFD軟件對(duì)射流外流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到射流破碎長(zhǎng)度和射流初始段長(zhǎng)度；建立了三維軸對(duì)稱擾動(dòng)下的圓柱液體射流色散方程，通過數(shù)值求解，結(jié)合射流破碎長(zhǎng)度的理論計(jì)算公式，得出射流破碎長(zhǎng)度理論值，并將理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果、模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；最終，基于射流破碎長(zhǎng)度與噴頭射程之間的關(guān)系，擬合得到預(yù)測(cè)噴頭射程的半理論半經(jīng)

3、驗(yàn)公式，為預(yù)測(cè)噴頭的水力性能提供了依據(jù)。
　　主要研究?jī)?nèi)容和研究成果有：
　?。?）選取PY115型噴頭為樣機(jī)，設(shè)計(jì)噴嘴主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過對(duì)噴頭進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，研究了工作壓力、噴嘴主要幾何結(jié)構(gòu)尺寸（噴嘴出口直徑、噴嘴錐角）對(duì)噴頭水力性能的影響。通過研究，得到了不同工作壓力、不同噴嘴尺寸下噴頭射程、流量、噴灌強(qiáng)度及水滴直徑的變化規(guī)律。
　?。?）搭建了射流破碎特性研究試驗(yàn)系統(tǒng)，提出了基于高速攝影法和圖像處理的圓柱射

4、流形態(tài)、射流表面波初始振幅和射流破碎長(zhǎng)度提取方法。采用高速攝影直射法對(duì)射流形態(tài)進(jìn)行分析，得到不同工作壓力、不同噴嘴尺寸時(shí)圓柱射流的形態(tài)特征，得到相應(yīng)的射流破碎長(zhǎng)度；采用高速攝影陰影法獲得不同工作壓力、不同噴嘴尺寸時(shí)圓柱射流表面波振幅，并通過Image J圖像處理軟件測(cè)量出表面波初始振幅大小。最終，得到工作壓力、噴嘴尺寸對(duì)射流表面波初始振幅、射流破碎長(zhǎng)度的影響規(guī)律。
　?。?）搭建了射流外流場(chǎng)PIV測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)射流外流場(chǎng)進(jìn)行速度場(chǎng)

5、試驗(yàn)研究。試驗(yàn)基于射流流體速度梯度相關(guān)性原理，采用分段測(cè)量技術(shù)對(duì)射流速度場(chǎng)進(jìn)行分析。通過試驗(yàn)分析，得到了不同工作壓力、不同噴嘴尺寸時(shí)射流出口流速及射流軸線最大流速的變化規(guī)律，以及工作壓力、噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)射流各垂直斷面處流速及流速分布寬度的影響規(guī)律，最終由射流軸線處流速um與射流出口平均流速u0的比值為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的射流長(zhǎng)度確定出射流初始段長(zhǎng)度。
　?。?）采用CFD模擬方法對(duì)噴頭射流外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。采用三維非定常N?S方程

6、作為控制方程，標(biāo)準(zhǔn)k??紊流模型封閉雷諾時(shí)均方程，并采用CLSVOF方法追蹤射流氣液兩相交界面變形，同時(shí)采用PISO算法耦合速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，對(duì)射流外流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到不同工作壓力、不同噴嘴尺寸時(shí)射流外流場(chǎng)的液相體積分布，分析得出射流的破碎長(zhǎng)度值，并與高速攝影試驗(yàn)值作對(duì)比。同時(shí)，通過數(shù)值模擬射流外流場(chǎng)的速度場(chǎng)分布，得到不同工作壓力、不同噴嘴尺寸時(shí)射流速度等值線圖分布及流場(chǎng)分段斷面流速分布，分析得出射流的初始段長(zhǎng)度值，并與PIV試驗(yàn)

7、值做出比較。
　　（5）根據(jù)射流氣液兩相控制方程和相應(yīng)的邊界條件，采用正則模方法，在三維軸對(duì)稱擾動(dòng)條件下推導(dǎo)出圓柱射流的色散方程，并對(duì)其進(jìn)行求解。分析不同射流速度、不同噴嘴半徑和不同噴嘴錐角時(shí)射流最大擾動(dòng)增長(zhǎng)率和不穩(wěn)定波數(shù)的變化規(guī)律，并通過數(shù)值計(jì)算所得的最大擾動(dòng)增長(zhǎng)率計(jì)算得到不同工作壓力、不同噴嘴尺寸時(shí)射流破碎長(zhǎng)度理論值。通過對(duì)比，分析了試驗(yàn)結(jié)果、模擬結(jié)果和理論結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性。
　　（6）基于噴頭噴射長(zhǎng)度、射流破碎長(zhǎng)度