射流破碎特性及噴頭噴灑性能研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)式噴頭具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于噴灌工程中。但是，對于噴頭的研究大多集中在外特性水力性能方面，對射流破碎機理研究較少，而射流空間破碎研究是提高噴頭水力性能，尤其是實現(xiàn)低壓均勻噴灑，以及優(yōu)化噴頭結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。因此，對噴灌噴頭射流空間破碎過程問題的深入研究，掌握射流破碎機理，具有重要的理論意義和實用價值。
　　本文以搖臂式噴頭為研究對象，分析不同工作壓力及噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸對噴頭水力性能的影響；從自由紊流射流理論出發(fā)，

2、通過高速攝影技術(shù)分析噴頭射流破碎形態(tài)特征，得出射流破碎長度；采用PIV測量技術(shù)對射流外流場進行流速試驗研究，得出射流初始段長度；采用CFD軟件對射流外流場進行三維數(shù)值模擬，得到射流破碎長度和射流初始段長度；建立了三維軸對稱擾動下的圓柱液體射流色散方程，通過數(shù)值求解，結(jié)合射流破碎長度的理論計算公式，得出射流破碎長度理論值，并將理論結(jié)果與試驗結(jié)果、模擬結(jié)果進行對比；最終，基于射流破碎長度與噴頭射程之間的關(guān)系，擬合得到預(yù)測噴頭射程的半理論半經(jīng)

3、驗公式，為預(yù)測噴頭的水力性能提供了依據(jù)。
　　主要研究內(nèi)容和研究成果有：
　?。?）選取PY115型噴頭為樣機，設(shè)計噴嘴主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過對噴頭進行水力性能試驗，研究了工作壓力、噴嘴主要幾何結(jié)構(gòu)尺寸（噴嘴出口直徑、噴嘴錐角）對噴頭水力性能的影響。通過研究，得到了不同工作壓力、不同噴嘴尺寸下噴頭射程、流量、噴灌強度及水滴直徑的變化規(guī)律。
　　（2）搭建了射流破碎特性研究試驗系統(tǒng)，提出了基于高速攝影法和圖像處理的圓柱射

4、流形態(tài)、射流表面波初始振幅和射流破碎長度提取方法。采用高速攝影直射法對射流形態(tài)進行分析，得到不同工作壓力、不同噴嘴尺寸時圓柱射流的形態(tài)特征，得到相應(yīng)的射流破碎長度；采用高速攝影陰影法獲得不同工作壓力、不同噴嘴尺寸時圓柱射流表面波振幅，并通過Image J圖像處理軟件測量出表面波初始振幅大小。最終，得到工作壓力、噴嘴尺寸對射流表面波初始振幅、射流破碎長度的影響規(guī)律。
　?。?）搭建了射流外流場PIV測量試驗臺，對射流外流場進行速度場

5、試驗研究。試驗基于射流流體速度梯度相關(guān)性原理，采用分段測量技術(shù)對射流速度場進行分析。通過試驗分析，得到了不同工作壓力、不同噴嘴尺寸時射流出口流速及射流軸線最大流速的變化規(guī)律，以及工作壓力、噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸對射流各垂直斷面處流速及流速分布寬度的影響規(guī)律，最終由射流軸線處流速um與射流出口平均流速u0的比值為1時所對應(yīng)的射流長度確定出射流初始段長度。
　?。?）采用CFD模擬方法對噴頭射流外流場進行了數(shù)值模擬研究。采用三維非定常N?S方程

6、作為控制方程，標(biāo)準(zhǔn)k??紊流模型封閉雷諾時均方程，并采用CLSVOF方法追蹤射流氣液兩相交界面變形，同時采用PISO算法耦合速度場和壓力場，對射流外流場進行三維數(shù)值模擬，得到不同工作壓力、不同噴嘴尺寸時射流外流場的液相體積分布，分析得出射流的破碎長度值，并與高速攝影試驗值作對比。同時，通過數(shù)值模擬射流外流場的速度場分布，得到不同工作壓力、不同噴嘴尺寸時射流速度等值線圖分布及流場分段斷面流速分布，分析得出射流的初始段長度值，并與PIV試驗

7、值做出比較。
　?。?）根據(jù)射流氣液兩相控制方程和相應(yīng)的邊界條件，采用正則模方法，在三維軸對稱擾動條件下推導(dǎo)出圓柱射流的色散方程，并對其進行求解。分析不同射流速度、不同噴嘴半徑和不同噴嘴錐角時射流最大擾動增長率和不穩(wěn)定波數(shù)的變化規(guī)律，并通過數(shù)值計算所得的最大擾動增長率計算得到不同工作壓力、不同噴嘴尺寸時射流破碎長度理論值。通過對比，分析了試驗結(jié)果、模擬結(jié)果和理論結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性。
　?。?）基于噴頭噴射長度、射流破碎長度