摇臂式喷头圆射流初级碎裂数值模拟和试验研究

发布时间：2020-08-02 04:10

【摘要】：喷灌目前作为世界上最为先进的节水方式之一,广泛应用在农业灌溉,园林喷灌等方面。摇臂式喷头是喷灌系统中的主要设备,对喷嘴结构和喷头外部圆射流的初级碎裂过程进行研究具有重要意义。本文为探寻摇臂式喷头圆射流的初级碎裂机理,通过CFD数值模拟和试验验证的方法,获得主要结果如下:(1)通过对喷头主喷嘴内部流动模拟可知,随喷嘴锥角?增加,喷嘴内流动的速度分布梯度增大,喷嘴出口平均速度减小。长径比对喷嘴轴向速度影响不大,长径比取1~2时,喷嘴出口的速度较大。为了使主喷嘴出口获得大的射流动能,对喷灌用摇臂式喷头的圆柱形喷嘴结构采用?=30~45°锥角,喷嘴长径比l1/d=1~2为宜。(2)基于VOF多相流模型理论,在低压(200~600kPa)条件下,使用几何重建(Geo-Reconstruct)方法进行界面跟踪和瞬态PISO数值方法求解控制方程。通过Fluent数值模拟,获得了摇臂式喷头圆射流初级碎裂的分布云图,测量了射流的碎裂长度和初级碎裂液滴直径。分析可知,射流碎裂长度和初级碎裂液滴直径随入口压力和喷嘴直径的变化呈一次线性的分布规律。(3)通过对圆射流初级碎裂过程模拟,水流由喷嘴高速喷出后形成液柱,液柱长度逐渐增加,其前段射流面积开始增大有膨胀趋势,并形成蘑菇状,在气液交界层产生剧烈摩擦,射流边界形成气液两相区域。在射流的形成过程中,会从蘑菇状边沿区域处产生并剥离大颗液滴,液滴向后方无规则运动并继续被撕裂成更小的液滴。(4)射流碎裂长度的模拟值大于试验测量值,模拟值与实测值相对误差最大为16.24%,最小为3.50%,模拟值与实测值之间的平均误差为10.78%。射流初级碎裂液滴直径的模拟值大于实测值,模拟值与实测值相对误差最大为29.03%,最小为21.48%,模拟值与实测值之间的平均误差为24.39%。产生误差的原因在于测量精度、网格划分等多方面。(5)在低压条件下(200~600kPa),韦伯数We是衡量圆射流初级碎裂的指标,随着韦伯数We增大,射流碎裂长度Ls增大,但增大趋势逐渐变缓。对数值模拟数据进行拟合,建立了无量纲数Ls/d与韦伯数We的关系式(Ls/d=15.62lnWe 11.22,R2=0.917)。可用它来表征低压条件(200~600kPa)大直径喷嘴(d5mm)喷头的射流碎裂长度Ls受韦伯数We影响的规律。(6)对射流初级碎裂液滴直径Ds与喷嘴直径d(d5mm)的关系进行拟合,通过数值模拟建立了初级碎裂液滴直径的预测模型为Ds=1.634d,(R2=0.912)。经过试验验证,拟合关系式与试验测量的相对误差大小为23.92%,可用此模型来预测低压条件下摇臂式喷头大直径喷嘴的初级碎裂液滴直径。本文通过研究,初步获得以上研究结果,可为低压条件(200kPa~600kPa)下的大直径(d5mm)喷头射流碎裂长度和初级碎裂液滴直径预测提供了一定的参考依据,并为喷头的外流场数值模拟提供指导,为深入研究摇臂式喷头的水射流分散和提高喷灌喷洒均匀性具有指导意义。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S277.9

【参考文献】