全射流噴頭內湍流特性及射流附壁機理研究

《全射流噴頭內湍流特性及射流附壁機理研究》是依託江蘇大學，由朱興業擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：全射流噴頭內湍流特性及射流附壁機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：朱興業
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

節水灌溉是基本國策，急需新型噴灌裝備作為保障，國內原創的全射流噴頭將來可能部分代替目前廣泛使用的搖臂式噴頭。但是全射流噴頭內部射流流場複雜，至今尚未完全掌握其內部流動規律，成為制約其發展的關鍵。本項目擬緊密圍繞全射流噴頭內部流場流動規律和射流附壁效應隨各因素的動態回響過程兩個關鍵科學問題，以全射流噴頭的微觀水力特性為研究對象，對噴頭內部湍流流場特性及射流附壁機理進行基礎科學研究。主要研究內容包括：理論分析計算全射流噴頭內部水流流態、射流流動變化規律；研究全射流噴頭內氣液兩相流場的計算流體動力學建模及其邊界與初始條件；通過PIV和LabVIEW等先進的測量技術對全射流噴頭內部流場進行測量，建立基於射流附壁理論噴頭內特性的定量預測模型。本項目旨在揭示全射流噴頭內部流動規律，預期研究結果對有效控制噴頭旋轉驅動力和完善全射流噴頭設計方法等具有重要學術價值和實際意義。

結題摘要

完成情況：（1）針對全射流噴頭旋轉驅動力不夠穩定，內部湍流流場缺乏深入研究的狀況，在對射流流動機理和附壁理論進行深入研究的基礎上，構建出能夠描述靜態及動態特性的三維附壁理論數學模型，並進行了數值模擬研究，在實驗中對噴頭的流量壓力關係、噴頭附壁情況下附壁點的位置加以證明，得到了全射流噴頭內部流場在直射和附壁狀態下的速度矢量圖。同時，課題套用PIV技術對射流噴頭進行內部流場測量，得到射流直射和附壁兩種狀態的速度分布，觀測到了在附壁側有明顯的漩渦區，綜合數值模擬和PIV試驗，初步揭示了射流噴頭內部流場的流動情況。（2）對全射流噴頭結構進行了最佳化設計，提出連續運轉射流噴頭、外取水射流噴頭、三段式射流噴頭、兩次附壁射流噴頭和步進頻率均勻分布射流噴頭的結構和工作原理。研製出多種新工作原理、新結構的射流噴頭，豐富了國內原創的噴灌設備。同時，課題對全射流噴頭進行了性能試驗，採用射線法測量噴頭徑向水量分布，通過大量的水力性能分析和試驗研究，掌握了全射流噴頭的流量、壓力、射程工作參數範圍。研究了結構參數及組合間距對噴灑均勻性的影響，並對不同壓力條件下全射流噴頭和搖臂式噴頭的水力特性進行對比分析，試驗表明，在步進角度、步進頻率、流量係數、雨滴直徑、水量分布、組合均勻係數等性能參數上，全射流噴頭更優於搖臂式噴頭，更有先進性。（3）課題創新地提出在全射流噴頭噴管處適當位置加上轉折角，使水流通過轉折角時對噴頭產生固有驅動力矩，以加強全射流噴頭工作的穩定性和擴大噴頭工作壓力適用範圍，解決了全射流噴頭旋轉驅動力不夠穩定而影響工作可靠性的行業難題。同時，在全射流噴頭水流產生附壁效應進行步進旋轉時，利用流體力學原理對水流衝擊噴頭阻力矩、旋轉摩擦阻力矩、噴管轉折角所受力矩和水流附壁產生的推力矩等受力大小進行了理論分析，並進行了試驗的對比，提供了全射流噴頭旋轉時所受阻力矩的噴管轉折角的具體參數，為全射流噴頭有效控制機理提供了可靠的科學依據。 取得成果：已在機械工業出版社上出版專著1部，發表學術論文12篇（SCI收錄5篇，EI收錄9篇），參加了國際學術會議3人次，在2012ASABE國際學術年會上報告論文2篇（EI收錄），獲得中國機械工業科學技術三等獎1項 ，獲得授權發明專利5項，申請受理國際PCT發明專利1項，申請受理髮明專利4項，培養博士研究生畢業2名，碩士研究生畢業1名，完成了原定指標。