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全射流喷头的研制是国家高技术研究发展计划“变量喷洒低能耗轻小型喷灌机组”(项目编号:2006AA100211)和江苏省自然科学基金资助项目“全射流喷头射流附壁理论与数值模拟”(BK2007089)的内容之一。
全射流喷头是我国独创的一种新型的节水灌溉产品,其核心部件为射流元件,运用水流附壁原理驱动喷头步进转动。射流元件内部附壁流场压力分布及喷头步进频率的研究是全射流喷头结构优化的关键。本文对射流元件静态附壁和动态切换状态下的内部流场进行了数值模拟,并进行试验验证;对隙控式全射流喷头步进频率进行了研究,基于压力脉动实验对喷头步进频率进行了测量,为射流元件的结构改进及稳定性的提高提供理论依据。
本文的主要研究内容和成果如下:
(1)较系统的总结了国内外附壁射流现象的研究及应用现状,介绍了全射流喷头的工作原理及其优点,分析了全射流喷头在产业化过程中的主要技术难点。
(2)从自由紊动射流理论及附壁射流理论出发,分析射流元件内附壁流场相关参数计算公式。对有控制流作用下的附壁射流流场进行了研究,首次引入补气孔位置作为射流元件附壁流场影响因素。
(3)采用静态数值模拟和可视化试验相结合的方法,对射流元件静态稳定附壁状态下的流场特性进行了研究。通过数值模拟,得到射流元件结构参数及工作压力对静态附壁射流流场的影响。射流附壁过程中,射流左右压差和补气孔补入的高速气流共同作用推动主流偏转。相同压力下,射流偏转角和附壁冲击角随位差比率增大而增大;相同位差比率下,射流偏转角和附壁冲击角随压力增大而增大。附壁点距离、附壁侧壁面动压最大值位置的变化均与补气孔位置变化相关。首次提出将补气孔补气速度的变化作为判断附壁是否充分的指标之一。
进行了射流元件可视化观测试验,通过试验手段得到附壁射流偏转角、附壁冲击角。测量了静态附壁状态下射流元件附壁侧压力分布。工作压力的变化影响壁面压力分布,但对附壁点位置及附壁冲击点位置改变不大。初步揭示了补气孔位置与附壁点、附壁冲击点、稳定附壁时间之间的关系。试验结果与数值模拟结果基本符合。
(4)建立了喷头动态压力脉动测试系统,测量了动态切换状态下射流元件压力脉动。并以试验结果为边界条件,首次使用UDF自编程方法实现了射流元件附壁切换过程数值模拟,并对附壁切换状态下的瞬态流场进行了初步研究。
(5)在简化样机研究的基础上进行了隙控式全射流喷头步进频率测量实验,找出步进频率的影响因素,得到了全射流喷头信号水流量与频率的线性经验式。