MATLAB全射流噴頭組合噴灌計算模擬

噴頭組合形式和組合間距的合理性不僅關(guān)系到投資大小,而且還關(guān)系到噴灌質(zhì)量好壞,進而影響作物產(chǎn)量。在分析了噴灌均勻度對作物產(chǎn)量影響的基礎(chǔ)上編制了計算機程序以實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計,將噴灌均勻度和噴灌系統(tǒng)的投資作為約束條件來求取較為理想的噴頭組合形式和組合間距。這不僅可以提高規(guī)劃設(shè)計的速度,還可以確保設(shè)計的質(zhì)量,對噴灌工程規(guī)劃設(shè)計具有實用意義。

為了解決全射流噴頭信號嘴不便調(diào)節(jié)及旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的問題,對全射流噴頭信號嘴取水方式及噴體結(jié)構(gòu)進行改進,提出了一種新型射流噴頭——外取水射流噴頭.采用外部取水信號嘴可以更加方便、直觀地進行調(diào)節(jié),外部信號嘴又可以起到分水針的作用,促進高速水流的裂變,提高了噴灑的霧化程度以及均勻性.雙噴體結(jié)構(gòu)的采用減弱了噴頭在工作過程中偏離鉛垂方向的現(xiàn)象.選取pxh型全射流噴頭進行對比試驗.結(jié)果表明,相同壓力下,外取水射流噴頭的射程比全射流噴頭增加2.5%左右,且平均雨滴直徑減小0.5mm左右,因此其霧化效果也更好.外取水射流噴頭徑向水量分布曲線呈"三角形",比全射流噴頭更有利于組合分布.采用matlab語言對噴頭組合分布均勻性進行仿真計算,在方案所選間距中,提出工作壓力分別為0.15,0.20,0.25mpa時,外取水射流噴頭正方形布置最佳組合間距為r,1.1r和r,組合均勻系數(shù)值分別為78.3%,83.9%和87.6%.

"隙控式全射流噴頭"是由江蘇大學(xué)流體機械工程技術(shù)研究中心研發(fā)的節(jié)能節(jié)水產(chǎn)品.該噴頭的特點體現(xiàn)在噴管出口處的射流元件上,它既是噴灑作業(yè)的噴頭出口零件,又是自控完成直射、步進、反向的控制零件.

構(gòu)建了基于開環(huán)控制策略的方形域噴灌系統(tǒng),以噴頭轉(zhuǎn)速一致為評價指標(biāo),采用逐級計算方法對管路進行水力計算,以優(yōu)化方形域噴頭組合噴灌配置模式。試驗研究了單噴頭的水力性能,依據(jù)單噴頭水量分布對噴頭組合噴灌均勻性進行了仿真。通過與2噴頭組合噴灌試驗對比獲得以下結(jié)論:在實驗室條件下對方形域噴頭進行仿真計算獲得的均勻度數(shù)據(jù)與組合試驗結(jié)果基本一致,因此可通過仿真試驗研究變量噴頭組合噴灌均勻性;基于s800噴頭的方形域組合噴灌,其平均噴灌強度為2.8mm/h,組合噴灌均勻度達77%,達到《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的定噴系統(tǒng)均勻系數(shù)不低于75%的要求。

為研究玻璃珠彈丸在后混合水射流噴丸噴頭內(nèi)的運動軌跡和速度特性,根據(jù)液固兩相流動的拉格朗日離散相模型,應(yīng)用fluent軟件對噴頭內(nèi)液固湍流進行了數(shù)值模擬,得到了連續(xù)相的軸向速度和軸向動壓強,獲得了彈丸的運動軌跡和彈丸的軸向速度隨行程及時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明,連續(xù)相在噴頭混合室入口處存在環(huán)形回流區(qū),在混合室內(nèi)呈非對稱流動;彈丸在噴頭內(nèi)的軸向速度沿行程分為4個階段,依次是彈丸在混合室內(nèi)的回流段、彈丸第1次加速段、彈丸在環(huán)形回流區(qū)的減速段和彈丸第2次加速段,其在彈丸噴嘴出口截面上靠近軸心的軸向速度達到連續(xù)相軸心最大軸向速度的94.77%。

基于多相流動的拉格朗日離散相模型,應(yīng)用fluent軟件對準(zhǔn)直管磨料射流準(zhǔn)直管靜止不動、入口帶圓錐收斂段的直管磨料噴頭內(nèi)部等溫、不可壓縮、穩(wěn)態(tài)、液固湍流進行了數(shù)值模擬.連續(xù)相采用三維不可壓縮穩(wěn)態(tài)雷諾時均n-s方程,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型,代數(shù)方程組采用分離解方法,通過simple算法求解壓力速度耦合;離散相采用拉格朗日方法追蹤顆粒運動軌跡;收斂殘差為10-4.研究表明,噴頭混合室內(nèi)存在2個環(huán)形回流區(qū),室內(nèi)連續(xù)相呈非軸對稱流動.當(dāng)準(zhǔn)直管磨料射流用于切割工作時,磨料入口應(yīng)略靠近混合室的出口側(cè);用于超細粉碎工作時,磨料入口應(yīng)略靠近混合室入口側(cè).

基于射流的湍動特性,應(yīng)用fluent對冰粒氣射流噴頭內(nèi)流進行數(shù)值模擬。分析了射流壓力對內(nèi)流連續(xù)相軸向速度和軸向動壓強及射流壓力和粒徑對彈丸軸向速度的影響。結(jié)果表明,當(dāng)射流壓力增大時,氣體噴嘴出口處和彈丸噴嘴出口處的軸向動壓強也隨著增大;當(dāng)射流壓力增大時,氣體噴嘴出口處和彈丸噴嘴出口處的軸向速度也隨著增大;粒子速度隨著射流壓力的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,隨著粒徑的增大呈現(xiàn)減小的趨勢,但最大值均出現(xiàn)在磨料噴嘴出口處。

采用cr1000自動傳感器,測試了zy-2搖臂式噴頭組合噴灌條件下,高度1、3、5、7、9m處干濕球溫度,目的是研究噴灌對不同高度處空氣溫度和相對濕度的影響。結(jié)果表明,組合噴灌導(dǎo)致1m和3m高度處空氣溫度降低和相對濕度增大,溫差、相對濕度差最大值分別出現(xiàn)在12:00及16:00左右,溫差值、相對濕度差最大值分別達到13.8℃、49.7%,最小值出現(xiàn)在05:00左右,分別為0.1℃、5.2%。組合噴灌對溫度、相對濕度的影響一般是持續(xù)到噴灌結(jié)束后20min。

本文根據(jù)微噴灌系統(tǒng)全濕潤噴灑灌溉的試驗數(shù)據(jù)和生產(chǎn)考核,分析了微噴灌為正方形布置時,在相應(yīng)的組合間距下,達到的均勻度指標(biāo)。swp-j,swp-2折射式微噴頭正方形布置時,建議其組合間距a×b采用0.7～0.8r,dlxd1.5離心式微噴頭組合間距a×b=0.8～0.9r(風(fēng)速在0～3.8m/s范圍),此時噴灑均勻系數(shù)不低于0.85。

提出臂式噴頭和全射流噴頭的計算公式,通過實驗對比它們的參數(shù)。結(jié)果表明,全射流噴頭步進角度和步進頻率主要由導(dǎo)管長度決定,導(dǎo)管越長則步進角度越大,步進頻率越小。對于臂式噴頭,它的步進角度和步進頻率的可改變幅度不大,因此全射流噴頭具有一定優(yōu)越性。提出了全射流噴頭步進角度與管長之間的關(guān)系式,左右壓差與導(dǎo)管長度和工作壓力的經(jīng)驗公式。

利用pro/e軟件建立噴嘴內(nèi)部流場的幾何模型并進行網(wǎng)格劃分,然后利用fluent軟件進行數(shù)值模擬并對模擬結(jié)果進行分析。

采用可實現(xiàn)k-ε模型對4孔氧槍的一個噴孔進行了二維流場模擬。以o2、n2和co2射流為例,通過模擬計算確定在實際煉鋼轉(zhuǎn)爐環(huán)境下3種射流的流場分布,并對比分析了3種不同氣源的射流特性,為進一步優(yōu)化氧槍參數(shù)提供了依據(jù);模擬計算也得出了激波和膨脹波的產(chǎn)生形式。結(jié)果表明,o2和n2的射流流場分布幾乎不存在差別,而co2射流流場核心區(qū)長度比前兩射流要短,因此要達到同樣的射流流場效果,要提高co2射流的入口壓力;在實際的操作環(huán)境下,很難做到完全滿足噴孔的設(shè)計條件,產(chǎn)生了微弱的斜激波。

為研究后混合水射流噴丸噴頭外流場的運動特性,應(yīng)用fluent軟件對后混合水射流噴丸噴頭外流場連續(xù)相進行了數(shù)值模擬。根據(jù)射流的湍動特性,連續(xù)相采用三維不可壓縮穩(wěn)態(tài)雷諾時均n-s方程,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。分析噴丸壓力和靶距對外流連續(xù)相軸向速度和軸向動壓強的影響。結(jié)果表明,外流連續(xù)相水的軸向速度和軸向動壓強具有顯著對稱性,最大軸向速度和軸向動壓強均出現(xiàn)在射流軸線上。其值隨噴丸壓力的增加而增大,隨噴丸靶距的增加而減小。當(dāng)噴丸壓力為350mpa、噴丸靶距為50mm時,最大軸向速度為22.0m/s,最大軸向動壓強為0.24mpa。該研究為外流離散相彈丸運動狀態(tài)的分析奠定了基礎(chǔ)。

為解決全射流噴頭實現(xiàn)變量噴灑時由于壓力變化而產(chǎn)生的水量分布不均勻問題,以20pxh型變量噴灑全射流噴頭為研究對象,設(shè)計不同副噴嘴改善水量分布。通過射流理論分析設(shè)計了8種副噴嘴方案,測量了噴頭徑向水量分布,采用不同壓力下噴灌強度差值分析的方法,得到方案5擋板式副噴嘴結(jié)構(gòu)改善水量情況最好。通過測量不同擋板角度及不同壓力下水量分布,以均勻性系數(shù)值最大為目標(biāo),以擋板角度及均勻性取值范圍為約束條件,首次建立了變量噴灑全射流噴頭噴灑均勻性的綜合評價函數(shù),并求導(dǎo)得到最佳擋板角度為21.2°。

以變量噴灑全射流噴頭為研究對象,對正方形和三角形噴灑域分別進行了水力性能試驗,測量并分析了噴頭的射程和噴灌強度等性能參數(shù)。結(jié)果表明:三角形比正方形噴灑域最大射程有所降低;三角形和正方形噴灑域水量分布相對均勻;變量噴灑噴頭與傳統(tǒng)全射流噴頭相比,雨滴粒徑相差較小;三角形與正方形噴灑域噴頭平均噴灌強度相差較小,三角形噴灑域噴頭的最大噴灌強度相對平均噴灌強度差值較大。變量噴灑全射流噴頭比全射流噴頭,組合間距增大、重疊率降低,且單位面積所用噴頭數(shù)量減少。在組合間距系數(shù)為1.25,室外風(fēng)速小于1.2m/s情況下,正方形組合噴灑具有良好的噴灑均勻性。

闡述了全射流噴頭射流元件主要磨損形式為沖蝕磨損.為了研究沖蝕磨損對全射流噴頭可靠性的影響,定義了全射流噴頭的三項失效指標(biāo):末端雨滴直徑、步進頻率和步進角度.完成了磨粒質(zhì)量濃度為1%,2%和3%三種情況下的全射流噴頭磨損試驗,測試了噴頭的主要水力性能參數(shù),即噴頭流量、噴頭信號水流量以及末端雨滴直徑隨時間變化規(guī)律.試驗結(jié)果表明:噴頭的主要水力性能參數(shù)隨著磨粒質(zhì)量濃度的增加而顯著增加,但質(zhì)量濃度變化對水力性能參數(shù)的影響逐漸減小.信號接嘴1作為噴頭的最易磨損件,可選用耐磨材料來加工,以提高噴頭工作的可靠性.

為研究多孔噴頭孔間距對射流特性的影響,采用fluent軟件中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型并結(jié)合壓力隱式分裂算子(piso)算法對噴頭的雙孔射流在不同孔間距及不同壓強下的速度分布展開研究,并對結(jié)果進行了對比分析.研究表明:卷吸現(xiàn)象的存在對射流的發(fā)展起到很大的作用,影響卷吸效應(yīng)的兩個關(guān)鍵因素是射流出口速度和噴孔之間的距離.

采用承雨筒測量法,對目前市場上常用的zy-2搖臂式噴頭采用18m×18m布置方式在不同氣象條件下的組合噴灌主要技術(shù)參數(shù)開展田間試驗研究。結(jié)果表明,組合噴灌均勻系數(shù)、噴灑水利用系數(shù)均在0.8以上,蒸發(fā)漂移損失的測試值為0.8%~14.28%,主要集中在4%~10%。構(gòu)建了組合噴灌主要技術(shù)參數(shù)與主要氣象因素、工作壓力的回歸模型,分析得出影響噴灑水利用系數(shù)、蒸發(fā)漂移損失的最主要因素是風(fēng)速,其次是溫度,相對濕度的影響最小。影響組合噴灌均勻系數(shù)的主要因素依次為空氣溫度和風(fēng)速。

以30psh噴頭為例,用正交方法分析了噴頭的組合系數(shù)、工作壓力、布置形式對噴灌均勻系數(shù)影響的強弱順序,其順序為:組合系數(shù)對均勻系數(shù)的影響要大于工作壓力,而工作壓力對均勻系數(shù)的影響又大于布置形式。以及采用等腰三角形,組合系數(shù)為1.2r,工作壓力為0.3mpa左右時能達到最佳的均勻系數(shù)。這些結(jié)論對噴灌工程設(shè)計有非常重要的指導(dǎo)意義。

分析了pxsb50型雙向步進式全射流噴頭正反向步進過程的差異,從而對其穩(wěn)定性進行研究.分別研究了噴頭射流元件在正反向步進過程中控制導(dǎo)管回路內(nèi)氣液兩相流的流動情況,并對回路壓差進行了對比.信號導(dǎo)管長度、補氣孔的大小及位置影響了噴頭的運轉(zhuǎn)步進頻率、步進角度和噴頭射程.正反向步進頻率均隨著導(dǎo)管長度的減小而增大,射程隨著步進頻率的增大而變小.對于相同的導(dǎo)管長度,正向步進頻率明顯大于反向步進頻率,正向射程小于反向射程.補氣孔位置離換向結(jié)構(gòu)越近,頻率越大,步進角度及射程也隨之減小.通過分析和試驗,找到了使pxsb50型噴頭按照灌溉要求的正向頻率及反向頻率穩(wěn)定運行時的噴頭導(dǎo)管長度、補氣孔大小及位置:取信號水管長度為378mm,正向?qū)Ч転?48mm,反向?qū)Ч転?48mm,正向補氣孔直徑為2.0mm,反向補氣孔直徑為2.5mm,正向補氣孔的位置為3mm.

針對隙控式全射流噴頭在惡劣工作條件下出現(xiàn)的附壁力小、驅(qū)動力矩小等不足,研究了獲得射流元件的最大附壁驅(qū)動力矩和減小摩擦阻力矩的方法,對射流元件進行優(yōu)化設(shè)計,以保證噴頭的正常運轉(zhuǎn).分析了隙控式全射流噴頭的轉(zhuǎn)動驅(qū)動力矩和摩擦阻力矩,噴頭轉(zhuǎn)動驅(qū)動力矩由射流附壁時與射流元件側(cè)壁產(chǎn)生的驅(qū)動力矩,射流與出口蓋板的作用力矩組成,噴頭的摩擦阻力矩由空心軸端面摩擦阻力矩,空心軸與軸套間的摩擦力矩,密封機構(gòu)摩擦阻力矩組成.根據(jù)動量守恒方程推導(dǎo)出附壁射流中心線方程,得到中心線附壁點距離及附壁沖角的計算公式.推導(dǎo)了理論狀態(tài)下,附壁力矩最大值與結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系.由剛體轉(zhuǎn)動定律計算出全射流噴頭的力矩公式及全射流噴頭步進角度公式.

對影響全射流噴頭射程的因素(包括噴頭工作壓力、仰角、過流面積、噴頭轉(zhuǎn)速、步進頻率、導(dǎo)管長度、信號嘴插拔深度等)分別進行了分析,探討了各因素對射程影響規(guī)律,其中噴頭工作壓力、過流面積與噴頭的射程成正比關(guān)系;噴頭轉(zhuǎn)速、步進頻率與射程成反比關(guān)系;導(dǎo)管長度與信號嘴插拔深度對射程影響較小,主要改變步進頻率和噴灑均勻性。對噴頭工作壓力、仰角、過流面積、導(dǎo)管長度和插拔深度5個因素進行正交試驗,采用綜合評分法對試驗結(jié)果進行分析,并得到影響全射流噴頭射程與噴灑均勻性的因素主次順序為噴頭工作壓力、仰角、過流面積、信號嘴插拔深度、導(dǎo)管長度。