全射流喷头内湍流特性及射流附壁机理研究

节水灌溉是基本国策，急需新型喷灌装备作为保障，国内原创的全射流喷头将来可能部分代替目前广泛使用的摇臂式喷头。但是全射流喷头内部射流流场复杂，至今尚未完全掌握其内部流动规律，成为制约其发展的关键。本项目拟紧密围绕全射流喷头内部流场流动规律和射流附壁效应随各因素的动态响应过程两个关键科学问题，以全射流喷头的微观水力特性为研究对象，对喷头内部湍流流场特性及射流附壁机理进行基础科学研究。主要研究内容包括：理论分析计算全射流喷头内部水流流态、射流流动变化规律；研究全射流喷头内气液两相流场的计算流体动力学建模及其边界与初始条件；通过PIV和LabVIEW等先进的测量技术对全射流喷头内部流场进行测量，建立基于射流附壁理论喷头内特性的定量预测模型。本项目旨在揭示全射流喷头内部流动规律，预期研究结果对有效控制喷头旋转驱动力和完善全射流喷头设计方法等具有重要学术价值和实际意义。

完成情况：（1）针对全射流喷头旋转驱动力不够稳定，内部湍流流场缺乏深入研究的状况，在对射流流动机理和附壁理论进行深入研究的基础上，构建出能够描述静态及动态特性的三维附壁理论数学模型，并进行了数值模拟研究，在实验中对喷头的流量压力关系、喷头附壁情况下附壁点的位置加以证明，得到了全射流喷头内部流场在直射和附壁状态下的速度矢量图。同时，课题应用PIV技术对射流喷头进行内部流场测量，得到射流直射和附壁两种状态的速度分布，观测到了在附壁侧有明显的漩涡区，综合数值模拟和PIV试验，初步揭示了射流喷头内部流场的流动情况。（2）对全射流喷头结构进行了优化设计，提出连续运转射流喷头、外取水射流喷头、三段式射流喷头、两次附壁射流喷头和步进频率均匀分布射流喷头的结构和工作原理。研制出多种新工作原理、新结构的射流喷头，丰富了国内原创的喷灌设备。同时，课题对全射流喷头进行了性能试验，采用射线法测量喷头径向水量分布，通过大量的水力性能分析和试验研究，掌握了全射流喷头的流量、压力、射程工作参数范围。研究了结构参数及组合间距对喷洒均匀性的影响，并对不同压力条件下全射流喷头和摇臂式喷头的水力特性进行对比分析，试验表明，在步进角度、步进频率、流量系数、雨滴直径、水量分布、组合均匀系数等性能参数上，全射流喷头更优于摇臂式喷头，更有先进性。（3）课题创新地提出在全射流喷头喷管处适当位置加上转折角，使水流通过转折角时对喷头产生固有驱动力矩，以加强全射流喷头工作的稳定性和扩大喷头工作压力适用范围，解决了全射流喷头旋转驱动力不够稳定而影响工作可靠性的行业难题。同时，在全射流喷头水流产生附壁效应进行步进旋转时，利用流体力学原理对水流冲击喷头阻力矩、旋转摩擦阻力矩、喷管转折角所受力矩和水流附壁产生的推力矩等受力大小进行了理论分析，并进行了试验的对比，提供了全射流喷头旋转时所受阻力矩的喷管转折角的具体参数，为全射流喷头有效控制机理提供了可靠的科学依据。.取得成果：已在机械工业出版社上出版专著1部，发表学术论文12篇（SCI收录5篇，EI收录9篇），参加了国际学术会议3人次，在2012ASABE国际学术年会上报告论文2篇（EI收录），获得中国机械工业科学技术三等奖1项 ，获得授权发明专利5项，申请受理国际PCT发明专利1项，申请受理发明专利4项，培养博士研究生毕业2名，硕士研究生毕业1名，完成了原定指标。