附壁式射流元件內(nèi)部流動(dòng)研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、本課題來源于國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“精確噴灌技術(shù)與產(chǎn)品”（編號2011AA100506）、國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化基金（863計(jì)劃）“變量噴灑輕小型噴灌機(jī)組完善與中試”（編號2011GB2C100015）。
　　 全射流噴頭是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一種新型節(jié)水灌溉產(chǎn)品，應(yīng)用水流附壁效應(yīng)完成噴頭直射、步進(jìn)和反向的功能，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、噴灑性能等優(yōu)點(diǎn)。從全射流噴頭現(xiàn)階段的研究來看，附壁射流元件的內(nèi)部流動(dòng)理論研究是全射

2、流噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵。因此，本文采用理論分析、試驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，通過研究全射流噴頭射流元件中的附壁流動(dòng)特性，掌握小位差比率射流元件水流附壁規(guī)律，為全射流噴頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，同時(shí)為其它新型射流控制元件的開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，促進(jìn)水射流技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的更廣泛應(yīng)用。本文主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)有:
　　 (1)從自由紊動(dòng)射流理論及附壁射流理論出發(fā)，推導(dǎo)射流元件內(nèi)附壁流場關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算公式。對附壁點(diǎn)距離進(jìn)行了編程計(jì)算。對

3、全射流噴頭射流元件的切換性能進(jìn)行分析和研究，并提出將切換響應(yīng)時(shí)間tq、間隙補(bǔ)氣速度uj、附壁力Fj、最大附壁力點(diǎn)距離xf作為衡量射流元件性能的重要參數(shù)。
　　 (2)首次采用PIV設(shè)備對位差比率小于1的附壁式射流元件內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行研究。搭建射流元件內(nèi)部流動(dòng)PIV試驗(yàn)臺，設(shè)計(jì)和加工透明觀測樣機(jī)，對不同結(jié)構(gòu)尺寸的樣機(jī)在不同流量下的附壁射流流場進(jìn)行了PIV測量。研究結(jié)果表明:位差比率D/b不變，附壁點(diǎn)距離xr隨著流量的變化很小;相同流量

4、下，附壁點(diǎn)距離隨著位差比率的增大而增大;相同位差比率的樣機(jī)，在補(bǔ)氣孔距離h為3mm時(shí)附壁點(diǎn)距離最短;在Q=3m3/h，作用區(qū)長度L為60mm時(shí)，位差比率大于0.5的樣機(jī)無法實(shí)現(xiàn)附壁，因此將研究范圍縮小到位差比率小于0.5的樣機(jī)。通過PIV試驗(yàn)研究結(jié)果，初步得出了蓋板間隙取值范圍，即:左間隙值g1＜2mm，右間隙值g2＜1.5mm。
　　 (3)建立全射流噴頭射流附壁力模型，對射流元件內(nèi)水流附壁沖擊力進(jìn)行了分析和計(jì)算。搭建通用噴頭

5、力測量試驗(yàn)臺，通過測量噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)體摩擦力初步得到射流元件水流附壁沖擊力Fj的間接試驗(yàn)值，并與理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，其變化趨勢相同。
　　 (4)結(jié)合CATIA知識工程顧問模塊建立了一套包括三維幾何模板、網(wǎng)格劃分和數(shù)值計(jì)算在內(nèi)的附壁射流元件模型參數(shù)化設(shè)計(jì)流程。
　　 建立了適合于小位差比率附壁式射流元件兩相流數(shù)值計(jì)算模型。通過與PIV內(nèi)部流場測量結(jié)果對比，選擇SST湍流模型及表面自由兩相流模型進(jìn)行模擬，

6、其附壁點(diǎn)距離的結(jié)果與PIV試驗(yàn)誤差在5％以內(nèi)，位差比率和補(bǔ)氣孔距離對附壁射流流場的影響規(guī)律與PIV試驗(yàn)完全一致。
　　 (5)數(shù)值模擬分析了關(guān)鍵幾何參數(shù)對于附壁射流性能的影響。保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，隨著位差比率的增大，附壁點(diǎn)距離增大。但當(dāng)位差比率大于0.5時(shí)，需要將作用區(qū)加長到70mm水流才能實(shí)現(xiàn)附壁，不宜應(yīng)用于射流噴頭中。將射流元件的位差比率選擇范圍縮小到0.15-0.4范圍內(nèi)，并根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得到的附壁點(diǎn)距離值對理論計(jì)算值

7、進(jìn)行了修正，得到了不同位差比率下附壁點(diǎn)距離的理論值和模擬值之間的函數(shù)關(guān)系式。附壁點(diǎn)距離隨著補(bǔ)氣孔位置的升高先減小隨后增大，當(dāng)h=3mm時(shí)，射流模型完全附壁所需要的長度最短。蓋板間隙尺寸直接決定間隙補(bǔ)氣速度uj，對附壁流場影響較大。通過模擬將蓋板間隙的取值范圍進(jìn)一步縮小:蓋板左間隙g1控制在0.5-1.5mm，蓋板右間隙g2控制在0.25-1.25mm。
　　 (6)通過正交化數(shù)值模擬對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并設(shè)計(jì)開發(fā)出外取水射流元件

8、及噴頭。以切換響應(yīng)時(shí)間tq、附壁力Fj、最大附壁力點(diǎn)距離xf作為正交模擬中衡量射流元件性能的指標(biāo)，通過正交數(shù)值模擬得到了各位差比率所對應(yīng)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。在射流元件內(nèi)部流動(dòng)特性研究的基礎(chǔ)上，對全射流噴頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)，設(shè)計(jì)出外取水射流元件及PXSBW40雙向步進(jìn)外取水全射流噴頭。介紹了PXSBW40雙向步進(jìn)式全射流噴頭的工作原理，分析了正向步進(jìn)和反向步進(jìn)的工作過程，并與PXH40噴頭和PY40噴頭進(jìn)行了水力性能對比，結(jié)果表明PX