全射流喷头理论及精确喷灌关键技术研究

论文摘要

全射流喷头是我国具有自主知识产权的一种新型节水灌溉产品,应用水流附壁效应完成直射、步进和反向的功能,具有结构简单、造价低、无撞击部件、能量损失小和喷洒性能好等优点。对于此类新型产品,研究尚不够深入,对其进行系统研究具有很高的学术价值与实用意义。本文介绍了全射流喷头的原理和特点,通过理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法,对全射流喷头理论及精确喷灌关键技术进行了系统研究。主要研究工作和创新点有:(1)通过54次的正交试验,初步提出了全射流喷头设计方法。采用四因素三水平的正交试验获得了喷头主要结构参数影响关系:影响步进频率主次顺序为收缩角、取水孔角度、位差和作用区;影响步进角度主次顺序为位差、收缩角、取水孔角度和作用区。喷头重要结构参数中,基圆孔大小由喷头型号决定,补气孔和入水孔设计方法相同,收缩角选取14°,取水孔角度选取30°,用二次曲线方程回归分析得出位差与喷头基圆孔函数关系式,以及作用区与喷头基圆孔函数关系式。(2)首次研制开发了新型连续运转射流喷头、外取水射流喷头、三段式射流喷头和两次附壁射流喷头,分别介绍了它们的结构和工作原理。采用五因素四水平表对连续运转射流喷头和四因素三水平表对外取水射流喷头进行了正交试验研究,获得了连续运转射流喷头和外取水射流喷头的最优结构参数,开发了国内原创的喷灌设备。(3)总结得出全射流喷头力学特性的计算公式,通过试验与摇臂式喷头工作性能的对比,结果表明全射流喷头步进角度和步进频率可调幅度较大,均优于摇臂式喷头。为了扩大全射流喷头压力适用范围,提出在喷管处加转折角以增加喷头固有驱动力矩。转折角喷管的重要结构因素包括转折角角度和转折角力臂长度,选用7种不同的转折角角度或转折角力臂喷管进行试验,测量步进角度、步进频率、射程和均匀系数等性能指标。结果表明:转折角角度增大,步进角度增大,均匀系数增大,步进频率减小,射程变化不大;转折角力臂加长,步进角度增大,射程减小,步进频率和均匀系数变化不大。(4)建立了全射流喷头内部流场的CFD数学模型,采用FLUENT软件对喷头内部流场进行了数值模拟。在转折角喷管角度为2°和5°时,通过数值计算喷管推动力、转运驱动力和流量之间的关系,理论计算结果与CFD数值计算结果平均偏差小于5%。对喷头的流量—内部压力关系,喷头附壁点的位置,不同插拔深度、管长或工作压力情况下的喷头步进频率进行了较详细的数值计算,与试验结果进行对比,表明两者具有较好的一致性,说明采用CFD方法能较好地反映喷头的内部流动情况。(5)对全射流喷头实现变量喷洒进行了理论研究,推导出喷头实现正方形喷洒的边界方程,采用MATLAB语言对射程、工作压力与运行时间进行仿真。设计出实现正方形喷洒的全射流喷头动静片结构,经过外特性试验测量喷洒水量分布,绘制出三维水量分布图。将变频调速技术引入喷灌系统,对变域喷洒系统进行能耗分析,利用虚拟仪器技术测量采集试验数据。试验表明:机械方式设计动静片和利用变频调速都可以实现正方形的变量喷洒,为今后进一步开展变域喷洒喷头研究提供了理论基础。(6)对全射流喷头组合喷灌进行研究,分析处理喷头水量分布数据、实现三维可视化。研究表明:MATLAB语言可方便可靠地将喷头径向水量分布数据转换为网格型数据,并绘制出单喷头和喷头组合三维水量分布图。通过插值叠加求出各网格点总降水深,求出不同组合间距系数下的全射流喷头组合均匀系数,实现计算结果可视化。根据模拟分析,提出正方形布置时组合间距系数为1.2,各喷头均匀系数平均值为82.4%。三角形布置时组合间距系数为1.5,各喷头均匀系数平均值为85.7%。运用MATLAB语言编程进行喷头喷洒分析具有功能强大、方便快捷、可视性强等优点,适用于任何喷头水量分布的分析。(7)针对产业化生产出的系列PXH型塑料全射流喷头,通过田间试验提出了6个方面的改进措施,主要为修改空心轴与连接套配合尺寸和两片四氟圈之间的相互配合,以增加喷头田间运转可靠性。改进后可望进行大批量产业化生产。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 喷灌技术发展状况
• 1.2.1 国外喷灌技术发展
• 1.2.2 国内喷灌技术发展
• 1.3 喷头发展状况
• 1.3.1 国外喷头发展
• 1.3.2 国内喷头发展
• 1.4 喷头技术发展状况
• 1.4.1 国外喷头技术发展
• 1.4.2 国内喷头技术发展
• 1.5 发展趋势
• 1.6 论文的主要研究内容
• 1.6.1 全射流喷头结构、工作原理及正交试验研究
• 1.6.2 精确喷灌关键技术研究
• 1.6.3 全射流喷头力学分析及数学仿真研究
• 1.6.4 全射流喷头的产业化开发
• 第2章 全射流喷头理论与结构参数正交试验
• 2.1 全射流喷头的结构形式
• 2.1.1 PSF型反馈式全射流喷头
• 2.1.2 连续式全射流喷头
• 2.1.3 PSH型互控步进式全射流喷头
• 2.1.4 PSZ型自控全射流喷头
• 2.1.5 双击同步全射流喷头
• 2.1.6 PXH型隙控式全射流喷头
• 2.2 射流附壁效应
• 2.2.1 有限空间射流
• 2.2.2 射流附壁
• 2.3 全射流喷头工作原理及技术参数
• 2.4 重要结构参数
• 2.5 试验研究
• 2.5.1 试验目的
• 2.5.2 试验因素和试验方案
• 2.5.3 正交试验结果分析
• 2.6 全射流喷头设计方法
• 2.7 小结
• 第3章 新型射流喷头结构设计
• 3.1 新型射流喷头结构及工作原理
• 3.1.1 连续运转射流喷头
• 3.1.2 外取水射流喷头
• 3.1.3 三段式射流喷头
• 3.1.4 两次附壁射流喷头
• 3.2 试验因素和方案
• 3.2.1 连续运转射流喷头
• 3.2.2 外取水射流喷头
• 3.3 试验结果分析
• 3.3.1 连续运转射流喷头
• 3.3.2 外取水射流喷头
• 3.4 小结
• 第4章 全射流喷头力学分析及性能对比
• 4.1 工作性能参数
• 4.1.1 射程
• 4.1.2 步进频率
• 4.1.3 喷灌强度
• 4.2 全射流喷头动力学分析
• 4.2.1 旋转阻力矩
• 4.2.2 驱动力矩
• 4.2.3 步进角度
• 4.3 全射流喷头与摇臂式喷头的对比
• 4.3.1 摇臂式喷头重要性能指标
• 4.3.2 全射流喷头重要性能指标
• 4.4 试验结果分析及讨论
• 4.4.1 步进角度
• 4.4.2 步进频率
• 4.4.3 射程
• 4.4.4 均匀系数
• 4.4.5 全射流喷头工作性能
• 4.4.6 对比实验
• 4.5 小结
• 第5章 全射流喷头内部流场数值模拟
• 5.1 FLUENT简介
• 5.2 网格生成技术
• 5.3 控制方程及边界条件
• 5.4 求解方法
• 5.5 计算结果与分析
• 5.5.1 转折角喷管力学特性
• 5.5.2 全射流喷头流量—内部压力特性
• 5.5.3 步进频率
• 5.5.4 全射流喷头附壁点位置
• 5.6 小结
• 第6章 变量喷洒全射流喷头及灌溉机组运行
• 6.1 变域喷洒的变量关系
• 6.2 机械式变量喷洒实现方法
• 6.3 变域喷洒灌溉机组运行能耗分析
• 6.4 虚拟仪器技术
• 6.4.1 虚拟仪器
• 6.4.2 LabView测试系统
• 6.5 试验结果分析
• 6.6 小结
• 第7章 组合喷灌均匀度研究及仿真分析
• 7.1 喷头水量分布测试
• 7.2 喷洒水量分布仿真
• 7.2.1 数学模型1
• 7.2.2 数学模型2
• 7.2.3 水量仿真
• 7.3 组合均匀度计算及仿真
• 7.4 喷头组合分布特性
• 7.5 小结
• 第8章 全射流喷头产业化中的问题及其改进
• 8.1 产业化过程中遇到的问题
• 8.2 试验与解决方案
• 8.3 小结
• 第9章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 今后展望
• 参考文献
• 附录 MATLAB源程序
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目和取得的科研成果