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摇臂式喷头副喷嘴仰角及位置参数的优化

发布时间:2015-07-14 新闻来源:未知

《农业工程学报》2015年第31卷第11期刊载了由西北农林科技大学等单位的作者王玄、李广、郭聪聪、韩文霆、姚小敏和孙瑜合作完成的研究成果——“摇臂式喷头副喷嘴仰角及位置参数的优化”。

摇臂式喷头副喷嘴的主要作用是增加喷头近处的喷水量,从而提高喷头的喷灌均匀度。该研究采用流场模拟和试验相结合的方法,对摇臂式喷头的副喷嘴结构参数进行了优化设计。采用逆向工程的设计方法,运用Pro/E建立了摇臂式喷头的三维结构,选择副喷嘴的仰角和位置为待优化参数,设计出9种副喷嘴结构的摇臂式喷头。运用Pro/EHyperMesh软件建立了9种副喷嘴结构摇臂式喷头的三维内流道模型,利用CFD软件FLUENT9种喷头的内流道进行三维模拟,运用快速成型技术加工出喷头样品进行试验验证,在矩形组合方式下运用4种插值方法(距离插值法、线性插值法、立方插值法和三次样条插值法)计算喷灌组合均匀度,并且利用Sprinkler3D软件通过二维插值的方法建立了9种喷头的压力水量分布模型,对喷头喷洒均匀性进行评价。该研究对摇臂式喷头喷灌均匀性、喷头结构优化和喷灌系统优化设计等方面具有一定的指导意义。

该研究的主要研究结果如下:

1)该研究通过逆向工程的方法运用Pro/E建立了摇臂式喷头的三维结构,设计出了9种副喷嘴结构的摇臂式喷头,并且将这些模型运用快速成型技术加工出实物进行试验,说明运用快速成型技术来研究喷头结构优化方面是可行的。

2)对CFD软件FLUENT的模拟结果进行了数据分析,得出副喷嘴位置参数为19.8 mm,仰角参数为18°的喷头的流量和速率较大;并且对该喷头在各个压力下进行了流场分析,发现喷头副喷嘴处在流道尺寸突变和水流速度增大共同作用下发生了湍流现象。

3)通过Sprinkler3D软件计算出各个喷头在不同压力下的水量分布图,从中可以明显看出,该研究对摇臂式喷头副喷嘴的结构设计有效地改善了喷头近处的水量分布,特别是副喷嘴位置参数为19.8 mm、仰角参数为18°的喷头,试验水量分布在2~12 m之间能够保持较好均匀性,且射程达到14 m以上。

4)在矩形组合方式下,运用4种不同的插值方法计算喷头的喷灌均匀度,其结果基本保持一致,副喷嘴位置参数为19.8 mm、仰角参数为18°的喷头的喷灌均匀系数在各种压力下都较高,达到80%以上,特别是在压力为300 kPa下的喷灌均匀系数比优化之前的喷头提高4%~5%,而且随着压力的增大其喷灌均匀系数也有明显的增加。

该文重点研究副喷嘴结构参数对摇臂式喷头喷洒性能的影响,从而提出了副喷嘴仰角和位置参数的推荐值。但是副喷嘴的直径和长度对喷头的水力性能影响也很大,未来研究中应进一步完善副喷嘴其他结构参数对喷头的影响。除此之外,快速成型技术制造出的喷头实物模型,精度要比原喷头模型差,所以测得的试验数据会有误差,但是随着快速成型技术在材料和精度方面的发展,快速成型技术的运用对于摇臂式喷头的快速设计与制造都有重要意义,值得进一步研究。

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