我国农业生产用水短缺，节水灌溉具有重要的战略地位，喷灌是一种有效的节水灌溉方式。传统的喷灌喷头全圆喷洒而得到广泛应用，但喷头在单个或单列配置使用时，易产生漏喷、超喷及界外喷现象，造成喷洒面叠加不均匀和均匀性系数下降等问题，变量喷洒的研究具有重要的意义。本文从实现变量喷洒要求出发，通过理论推导、试验研究和CFD数值模拟等，对喷灌系统及全射流喷头实现变量喷洒进行了系统研究。　　 主要研究内容和创新点如下：　　 (1)对喷头实现变量喷洒的影响因素进行理论和试验研究。通过对全射流喷头影响射程因素的分析与验证，掌握了改变全射流喷头射程的影响因素及其变化规律，并采用L16(44)正交表进行正交试验得到各因素对射程的影响程度，在工作范围内影响喷头射程因素的主次顺序为工作压力、喷头仰角、信号嘴插拔深度和导管长度。对实现变量喷洒进行了理论分析，推导了变量喷洒工作参数关系方程及实现正方形和三角形喷洒的边界方程，得到射程、流量、压力和进口过流面积各参数的变化规律。　　 (2)首次建立了变量喷洒喷头的设计方法。主要步骤为：在确定喷头进口最大过流面积的基础上，采用指数函数拟合的方法，得出喷头实现变量喷洒过流面积参数变化关系公式，并结合喷洒域边界方程，设计出压力调节装置关键结构尺寸。提出了影响喷头压力调节装置压力损失系数的3个因素，分别为截面积变化系数、形状系数及间隙影响系数，并建立了压力损失系数的计算方法。通过计算与试验，得到压力损失系数的变化规律，可为实现变量喷洒时管路的供给压力及泵参数的选择提供参考。　　 (3)对不同结构的原变量喷洒喷头(模型一)和通过设计方法得到的新变量喷洒喷头(模型二)进行数值模拟，采用FLUENT软件，选用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法分别对两种模型进行计算，揭示了变量喷洒喷头内部流动变化特性。结果表明：随着进口过流面积的增大，压力损失逐渐减小，喷头工作压力逐渐增大。两个模型计算结果分别与理论值及试验值对比，得到模型-压力平均偏差为21.3％，射程平均偏差为10.4％。模型二压力平均偏差为10.7％，射程平均偏差为10.0％，一个周期内工作压力、预期压力以及试验值三者的变化趋势基本一致，说明模型二更接近预期效果，同时验证了变量喷洒喷头设计方法的正确性。　　 (4)对变量喷洒均匀性进行改进研究，解决喷头实现变量喷洒时由于压力变化而产生的水量分布不均匀问题。通过射流理论分析设计了8种副喷嘴方案，采用不同压力下喷灌强度差值分析的方法，对比不同方案，结果表明：挡板式副喷嘴结构改善水量情况最好。通过测量不同挡板角度及不同压力下的水量分布，对结构参数进行优化设计。以均匀性系数值最大为目标，以挡板角度及均匀性取值范围为约束条件，首次建立了变量喷洒全射流喷头喷洒均匀性的综合评价函数。通过非线性回归及方程求导的方法，得到最佳挡板角度为21.2°。将副喷嘴改进方案应用在摇臂式喷头组合喷洒中。通过对改进前后的摇臂式喷头对比试验，改善了喷头组合水量分布，并提出了改进后15PY，20PY，30PY摇臂式喷头正方形布置最佳组合间距分别为1.2R，1.3R，1.1R，组合均匀性系数值分别为85.6％，86.3％，85.3％。　　 (5)对变量喷洒喷头进行水力性能试验研究。测量喷洒的射程、喷灌强度等性能参数，并对常用喷灌喷头进行水量概率分布研究，通过比较7组典型的水量分布形式，总结出不同工况及环境下喷洒的水量分布形状及相应的函数。根据变量喷洒喷头各参数连续变化的特点，首次建立了变量喷洒喷头的评价指标。采用模糊数学的方法分别对变量喷洒喷头进行综合评价，并针对不同的应用场合，设计了不同权重分配方案，结果表明：喷洒均匀性系数、喷洒强度变化系数及打击强度变化系数对性能评价的相对重要性较为敏感，但不影响评价喷头的优劣，说明权重值选取的合理性，可为今后其它变量喷洒喷头评价提供参考。　　 (6)建立了变频机组实现变量喷洒的控制方法，解决了变量喷洒系统能耗较高的问题。对草坪喷头实现变量喷洒进行试验研究，通过试验寻找喷头进口压力、喷头转动时间和变频器频率的周期函数。采用LabVIEW软件进行试验测试，控制一个周期内频率变化。以实现正方形喷洒域为例，试验结果表明：喷头所需压力等于泵供给压力，实现了变量喷洒的节能效果。喷洒效果与理论值基本一致，平均偏差为4.2％，且采用变频调速技术比采用加装压力调节装置方法节能27％，说明采用变频调速技术变量喷洒既节约了能源又具有较好的喷洒效果。　　 (7)对变量喷洒喷头正方形喷洒域进行组合计算。采用矩阵相加的方法，得到在正方形和平行四边形布置形式下，BPXH20与BPXH30正方形喷洒域的最佳组合间距与均匀性系数值。变量喷洒喷头比全圆喷洒喷头组合间距增大，重叠率降低，单位面积所用喷头数量减少，节省了工程投资，起到了较好的节水节能效果。