气液两相射流喷头水流空间破碎机理及模型研究

Sprinkler irrigation is an effective way to develop water-saving agriculture. Gas-liquid phases fluidic sprinkler is an innovative sprinkler irrigation equipment in China. The current sprinkling hydraulic characteristic model appears to be lack of scientific basis. The droplet movement and distribution under the influence of multiple factors are described inadequately, which can not reflect the flow movement rule under the condition of gas-liquid phases flow. This project aims to take the flow hydraulic characteristics of gas-liquid phases sprinkler as the research object. The study of fragmentation mechanism and model of gas-liquid phases fluidic sprinkler will be carried out systemically. The effect of different parameters of the nozzle outlet gas rate, working pressure, Reynolds number, and wind speed on spray droplet motion will be explored. The spraying jet flow at infinite space outside will be simulated, the variety of droplet motion characteristic parameters will be revealed. The droplet formation, motion and distribution will be measured and quantitatively expressed. The droplet motion and distribution model for gas-liquid phases fluidic sprinkler will be constructed. The gas-liquid phases jet flow fragmentation mechanism will be proposed initially. The corresponding water distribution three-dimensional structure model will be constructed. The expected results would have an important academic value and practical significance as to optimize the structure of gas-liquid phases fluidic sprinkler, to predict parameters of irrigation efficiency.

喷灌是发展节水农业的有效途径，气液两相射流喷头为国内原创的新型喷灌装备，现有喷头喷洒模型缺乏多因素影响下的水滴运动及分布描述而显得科学依据不足，不能真实反映气液两相流情况下的水流运动规律。本项目以气液两相射流喷头外流场水力特性为研究对象，拟对水流空间破碎机理及模型进行深入系统的研究。具体内容包括：研究喷头出口含气率、工作压力、雷诺数及风速对水滴运动的影响；对喷洒水流外部流场进行数值模拟，揭示水滴运动特性参数的变化规律；对喷洒水流中的水滴形成、水滴运动及分布参数进行测量及定量表达，建立气液两相射流喷头水滴运动及分布模型；提出气液两相射流喷头水流空间破碎机理，构建相应的水量分布三维空间结构模型。预期研究结果对气液两相射流喷头的结构优化及灌水效率等参数的预测具有重要学术价值和实际意义。

全射流喷头是一种新型的灌溉设备，为气液两相流，具有结构简单、水力性能优秀等特点。目前，对于全射流喷头的外部喷洒水滴分布特性的研究尚不够深入，系统研究其外部流场水力特性对全射流喷头的结构改进、性能优化以及推广应用均具有重要意义。本文采用理论分析、试验研究及数值计算相结合的方法系统研究了全射流喷头喷洒水舌破碎机理、喷洒水滴分布规律和喷洒水滴运动规律。.本文主要研究内容有以下几个方面：.(1)通过对全射流喷头结构及射流附壁原理的全面分析，初步研究了全射流喷头的射流形式、喷洒水舌破碎过程及喷洒水滴二次破碎理论。对全射流喷头喷洒水舌的表面波进行了不稳定性分析，发现表面波的振幅随距离的增大而增大。喷洒水舌由于表面波振动而破碎产生的水滴粒径范围较大，通过对喷洒水滴在空气中运动时的受力分析得到了喷洒水滴的最大稳定直径。.(2) 通过激光雨滴谱仪测试了全射流喷头的喷洒水滴信息，采用了“3准则”进行了异常数据的识别与剔除，提高了测试数据的可靠性；系统的分析了全射流喷头喷洒水滴直径、水滴频率、水滴速度、水滴打击动能的分布规律，并建立了相应的计算模型。结果表明，所建立的数学模型能准确反应全射流喷头的喷洒水滴分布及运动规律，各种模型拟合的相关系数均在0.9以上。最佳组合间距和动能强度分布均匀性系数分别为1.2R、1.0R、1.1R、1.0R、1.1R和56.6%、71.1%、76.2%、77.2%、72.9%。为进一步实现全射流喷头的精确喷灌提供了理论依据。. (3)分析了喷洒水滴在空气中运动时的受力情况，进一步探讨喷洒水滴空气阻力系数对喷洒水滴运动轨迹的影响，建立了喷洒水滴的运动模型，并采用随机模拟方法以及MATLAB软件对喷洒水滴的运动轨迹进行了数值计算。模拟结果表明，平均水滴直径的误差随着距喷头距离的增大由53%减小到2%；水滴累积频率与水滴速度的变化趋势基本相同，误差较小；水量分布与水滴动能的相对误差均小于20%。因此，随机模拟方法能较好的模拟全射流喷头外部流场喷洒水滴分布特性，提供了一种较好的研究喷头喷洒水滴分布特性的方法。