CN105760611A - 一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法，属于节水灌溉喷灌系统中的关键设备的设计方法。具体为：在确定喷头的型号及进口直径的情况下，确定出口截面形状大小、流道偏转角、流道型线的半径和弧长以及出口仰角的尺寸，实现喷头空间流道的结构优化。并且实现在不同进口直径条件下空间流道的参数化设计，得到喷头空间流道结构参数的确定方法。本发明形成了低压工况下空间流道的设计方法，实现了喷头水力性能的优化，且高效节能。

Description

一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法

技术领域

本发明属于一种用于节水灌溉设备的结构优化设计方法，特别是一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法。

背景技术

我国作为人口众多的农业大国，缺水问题十分严重。因此，推广节水灌溉是我国农业技术发展的重中之重。喷灌技术是目前高效用水技术之一，而喷头作为实施喷灌的关键设备，其水力性能和运转性能在很大程度上决定喷灌系统的灌溉质量。

喷头的流道要完成压力水流进入、转弯、能量交换和喷射几项工作。流道的结构形式几何尺寸，断面形状和表面粗糙度等，都影响喷头的水力性能。为降低喷头流道内部水力损失，实现水力性能的优化，对于小型低压喷头，常采用喷嘴外侧安装碎水机构，安装异形喷嘴或将喷嘴处斜开切口等形式，提高喷头的雾化特性，增加近喷头处水量，但射程往往会有所降低。

在目前研究中结构设计主要集中在副喷嘴、多流道技术、散水机构和异形喷嘴等设计上，但喷头空间流道参数的优化设计，可以改善喷头水力性能，提高喷头工作稳定性。在设计过程中应重点考虑，但相关的研究却很少。为解决上述问题，提出一种低压均匀喷洒喷头空间流道的设计方法，以改善喷头均匀性差、射程短等问题，并且对完善喷头流道的设计方法具有重要意义。

经检索，目前还没有相关的申报专利。

发明内容

针对上述低压喷头存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法，以解决喷头在低压工况下工作均匀性差的问题，并且实现射程的增加。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法，包括如下步骤进行：

步骤一：待优化的低压均匀喷洒喷头的进口截面为圆形，进口直径为D；喷头出口截面面积S_a；进口截面和出口截面之间的流道型线呈圆弧形；所述进口直径D和所述出口截面面积S_a均为固定值；

步骤二：建立三维坐标系，以进口截面的圆心为原点，以原点的竖直方向作为坐标系的Y轴，流道型线的圆心位于坐标系的X轴上，并且流道型线与Y轴的切点恰好落于坐标系的原点处；

步骤三；选定进行低压均匀喷洒喷头空间流道优化所需的变量参数：包括流道偏转角α、流道型线的圆弧半径r、流道型线的弧长L、出口仰角γ和出口截面的形状；其中：流道偏转角α定义为进口截面圆心和出口截面形心所形成的直线与Y轴的夹角；流道型线的弧长L定义为从进口截面的圆心到出口截面型心的弧线流道的长度；出口仰角γ定义为低压均匀喷洒喷头喷射的水流与水平面所成的交角；

步骤四：运用三维造型软件，绘制步骤三中不同变量参数下的空间流道；

步骤五：运用数值模拟技术分析步骤四中不同变量参数下的空间流道的流场特性，运用正交试验方法分析其模拟结果，得到进口直径D和出口截面面积S_a为固定值的情形下，低压均匀喷洒喷头喷洒性能达到最优时的出口截面形状和对应的变量参数。

步骤六：改变进口直径D和出口截面面积S_a的固定值,重复上述步骤，得到当进口直径D和出口截面面积S_a取若干组不同固定值下，低压均匀喷洒喷头空间流道达到最优的对应不同的变量参数组合；

步骤七：利用数学拟合的方法，将步骤六中得到的达到各组低压均匀喷洒喷头空间流道最优的变量参数进行拟合，最终得到低压均匀喷洒喷头空间流道的最优结构设计。

进一步地，根据步骤五中得到的低压均匀喷洒喷头喷洒性能达到最优时的出口截面形状及其对应的变量参数以后，将低压均匀喷洒喷头的空间流道按照出口截面形状和变量参数生产加工出来，并对加工好的空间流道进行实际的实验验证，进一步论证步骤五中获得的出口截面形状及其对应的变量参数的可靠性。

进一步地，步骤六中，考虑到产品的统一性以及加工的难度，在改变进口直径D和出口截面面积S_a的固定值以后，对出口截面的形状不再作为变量参数，保持步骤五中低压均匀喷洒喷头喷洒性能达到最优时的出口截面形状。

进一步地，步骤四中，绘制不同变量参数下的空间流道形状时，出口截面的形状选取六种不同出口形状，分别为形状A、形状B、形状C、形状D、形状E和形状F；流道偏转角α的取值范围为4°～7°；流道型线半径r的取值范围为22～24mm；流道型线弧长L的取值范围为26～30mm；出口仰角γ的取值范围为28°～32°。

进一步地，步骤一中进口直径D设定的初始值为5.6mm；出口截面面积S_a的初始值为19.5mm；步骤五中得到的低压均匀喷洒喷头空间喷洒性能达到最优时的变量参数为：偏转角度α＝5.5°、流道型线半径r＝23mm、流道型线弧长L＝28mm、出口仰角γ＝30°；出口截面的形状为形状A；所述形状A由第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四个象限构成，并且第一象限面积S₁＝4.1mm²、第二象限面积S₂＝5.5mm²、第三象限面积S₃＝4.9mm²、第四象限面积S₄＝5.0mm²。

进一步地，步骤六中进口直径D分别取4.8mm、5.2mm、6.0mm、6.4mm，对应的出口截面面积S_a分别取16.7mm²、18.1mm²、20.9mm²、22.3mm²；出口截面形状为形状A，则：进口直径为4.8mm时空间流道的最优结构参数为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.2°、流道型线的半径r＝22mm、弧长L＝25.5mm、出口仰角γ＝28°，第一象限面积S₁＝3.5mm²、第二象限面积S₂＝4.7mm²、第三象限面积S₃＝4.2mm²、第四象限面积S₄＝4.3mm²；进口直径为5.2mm时空间流道的最优结构参数为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.4°、流道型线的半径r＝22.5mm、弧长L＝27mm、出口仰角γ＝32°，第一象限面积S₁＝3.8mm²、第二象限面积S₂＝5.1mm²、第三象限面积S₃＝4.6mm²、第四象限面积S₄＝4.6mm²；进口直径为6.0mm时空间流道的最优结构参数为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.6°、流道型线的半径r＝23.5mm、弧长L＝28.5mm、出口仰角γ＝30°，第一象限面积S₁＝4.3mm²、第二象限面积S₂＝5.9mm²、第三象限面积S₃＝5.3mm²、第四象限面积S₄＝5.4mm²；进口直径为6.4mm时空间流道的最优结构参数为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.8°、流道型线的半径r＝24mm、弧长L＝28.5mm、出口仰角γ＝28°，第一象限面积S₁＝4.6mm²、第二象限面积S₂＝6.3mm²、第三象限面积S₃＝5.7mm²、第四象限面积S₄＝5.7mm²。

进一步地，通过步骤七得到的喷头空间流道的最优设计结构设计，满足如下条件：

喷嘴出口截面的形状选取形状A；出口截面第一象限面积S₁、第二象限面积S₂、第三象限面积S₃和第四象限面积S₄满足：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{S_a}{S_{a0}}=\frac{D}{D_0}\\ \frac{S_1}{S_2}=0.735,\frac{S_3}{S_2}=0.899,\frac{S_4}{S_2}=0.903\end{array}\right.$

其中，D为进口直径，单位为mm，D₀为步骤一中进口直径D设定的初始值，并且D₀＝5.6mm；α为流道偏转角，单位为°；S_a为出口截面面积，单位为mm²，S_a0为步骤一中出口截面面积S_a的初始值，并且S_a0＝19.5mm²。

本发明的技术效果：设计优化一种新型的低压均匀喷洒喷头空间流道，实现了喷头水力性能的优化，且高效节能。

附图说明：

图1为空间流道在Y轴和Z轴方向上的结构示意图。

图2为空间流道在Y轴和X轴方向上的结构示意图。

图3为喷头出口截面取六种不同形状的形状示意图。

图4为由四个象限面积构成的喷头出口截面形状结构示意图。

图中，1.第一象限面积S₁，2.第二象限面积S₂，3.第三象限面积S₃，4.第四象限面积S₄。

具体实施方式

本发明的技术思路是改变喷头空间流道的结构参数，从而实现低压工况下喷头水力性能优化的目的。下面结合图1、图2、图3和图4，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

本实施例提供的一种新型的低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法，主要包括：

步骤一：确定喷头的型号

喷头的型号主要由进口直径来确定，根据实施例的需要，此处喷头的进口直径D＝5.6mm。喷头出口截面是影响喷灌均匀性的重要因素，此种型号下喷头的出口截面面积S＝19.5mm²，绘制6种不同出口形状，3种异形，3种规则图形(如图3所示)，分别为形状A、形状B、形状C、形状D、形状E和形状F，进行对比试验；

步骤二：建立三维坐标系，以进口截面的圆心为原点，以原点的竖直方向作为坐标系的Y轴，流道型线的圆心位于坐标系的X轴上，并且流道型线与Y轴的切点恰好落于坐标系的原点处；

步骤三；选定进行低压均匀喷洒喷头空间流道优化所需的变量参数：包括流道偏转角α、流道型线的圆弧半径r、流道型线的弧长L、出口仰角γ和出口截面的形状(本实施例中选定了六种不同的截面形状)；其中：流道偏转角α定义为进口截面圆心和出口截面形心所形成的直线与Y轴的夹角；流道型线的弧长L定义为从进口截面的圆心到出口截面型心的弧线流道的长度；出口仰角γ定义为低压均匀喷洒喷头喷射的水流与水平面所成的交角；选定的依据为：偏转角度α的存在使得水流对流道内壁面产生旋转驱动力矩，驱动喷头做旋转运动，因此将流道偏转角α作为评价喷头运转稳定性的重要参数；圆弧半径r和弧长L是影响喷头喷射水流流向的重要因子之一，对出口射流的速度大小也有很大的影响；出口仰角γ通过影响出口射流的方向来影响喷头的射程大小。

步骤四：根据低压均匀喷洒喷头空间流道的设计经验，流道偏转角α的取值范围一般在4°～7°。流道型线半径r的取值范围为22～24mm；为了使水流在流道内部的运动充分发展，流道型线的弧长L在经验设计的尺寸上稍微增大其尺寸，取值为26～30mm。出口仰角γ的取值范围为28°～32°，可以保证喷头的射程最大。

步骤五：根据步骤四中各个参数尺寸的经验设计及给定的六个不同截面形状，绘制三维空间流道结构图，得到表1中所列的喷头不同结构参数的组合形式，运用三维造型软件绘制流道结构示意图。

表1空间流道结构参数表

出口截面形状	流道偏转角α(°)	流道型线半径r(mm)	流道型线弧长L(mm)	出口仰角γ(°)
					a	4	22	26	28
a	5.5	23	28	30
					a	7	24	30	32
b	4	22	26	28
					b	5.5	23	28	30
b	7	24	30	32
					c	4	22	26	28
c	5.5	23	28	30
					c	7	24	30	32
d	4	22	26	28
					d	5.5	23	28	30
d	7	24	30	32
					e	4	22	26	28
e	5.5	23	28	30
					e	7	24	30	32
f	4	22	26	28
					f	5.5	23	28	30
f	7	24	30	32

步骤六：预选优化方案

对根据上述表1所绘制的多种空间流道进行数值模拟计算，并运用正交试验方法分析其模拟结果，得到预选的优化方案：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.5°、流道型线的半径r＝23mm、弧长L＝28mm、出口仰角γ＝30°、出口截面的最优结构形状如图3中形状A所示，其中形状A由第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四个象限构成，并且第一象限面积S₁＝4.1mm²、第二象限面积S₂＝5.5mm²、第三象限面积S₃＝4.9mm²、第四象限面积S₄＝5.0mm²。

步骤七：实验验证

对几组典型的参数组合形式的空间流道进行加工试验，验证模拟的准确性。结果与数值模拟得到的结果相一致：既：最优结构尺寸为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.5°、流道型线的半径r＝23mm、弧长L＝28mm、出口仰角γ＝30°、出口截面的形状如图3所示的形状A所示。经过实验测试得到：参数优化之后的喷灌均匀度要高于优化之前的喷灌均匀度，水量分布更为合理，且喷头射程提高了20％左右，如表2所示。

表2参数优化前后喷灌性能对比表

步骤八：选取不同型号的喷头进口直径D，分别为4.8mm、5.2mm、6.0mm、6.4mm，对应的出口截面面积S_a分别取16.7mm²、18.1mm²、20.9mm²、22.3mm²，考虑到产品的统一性以及加工的难度，本步骤的出口截面形状不再作为变量参数，仍旧采用形状A，重复上述步骤，确定不同喷头型号下空间流道结构参数的最优组合。进口直径为4.8mm时空间流道的最优结构参数为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.2°、流道型线的半径r＝22mm、弧长L＝25.5mm、出口仰角γ＝28°，第一象限面积S₁＝3.5mm²、第二象限面积S₂＝4.7mm²、第三象限面积S₃＝4.2mm²、第四象限面积S₄＝4.3mm²；进口直径为5.2mm时空间流道的最优结构参数为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.4°、流道型线的半径r＝22.5mm、弧长L＝27mm、出口仰角γ＝32°，第一象限面积S₁＝3.8mm²、第二象限面积S₂＝5.1mm²、第三象限面积S₃＝4.6mm²、第四象限面积S₄＝4.6mm²；进口直径为6.0mm时空间流道的最优结构参数为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.6°、流道型线的半径r＝23.5mm、弧长L＝28.5mm、出口仰角γ＝30°，第一象限面积S₁＝4.3mm²、第二象限面积S₂＝5.9mm²、第三象限面积S₃＝5.3mm²、第四象限面积S₄＝5.4mm²；进口直径为6.4mm时空间流道的最优结构参数为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.8°、流道型线的半径r＝24mm、弧长L＝28.5mm、出口仰角γ＝28°，第一象限面积S₁＝4.6mm²、第二象限面积S₂＝6.3mm²、第三象限面积S₃＝5.7mm²、第四象限面积S₄＝5.7mm²。通过数据进行拟合，最终得到喷头空间流道的优化设计参数满足：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{S_a}{S_{a0}}=\frac{D}{D_0}\\ \frac{S_1}{S_2}=0.735,\frac{S_3}{S_2}=0.899,\frac{S_4}{S_2}=0.903\end{array}\right.$

其中，D为进口直径，单位为mm，D₀为步骤一中进口直径D设定的初始值，并且D₀＝5.6mm；α为流道偏转角，单位为°；S_a为出口截面面积，单位为mm²，S_a0为步骤一中出口截面面积S_a的初始值，并且S_a0＝19.5mm²。

Claims (7)

1.一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法，包括如下步骤进行：

步骤一：待优化的低压均匀喷洒喷头的进口截面为圆形，进口直径为D；喷头出口截面面积S_a；进口截面和出口截面之间的流道型线呈圆弧形；所述进口直径D和所述出口截面面积S_a均为固定值；

步骤二：建立三维坐标系，以进口截面的圆心为原点，以原点的竖直方向作为坐标系的Y轴，流道型线的圆心位于坐标系的X轴上，并且流道型线与Y轴的切点恰好落于坐标系的原点处；

步骤三；选定进行低压均匀喷洒喷头空间流道优化所需的变量参数：包括流道偏转角α、流道型线的圆弧半径r、流道型线的弧长L、出口仰角γ和出口截面的形状；其中：流道偏转角α定义为进口截面圆心和出口截面形心所形成的直线与Y轴的夹角；流道型线的弧长L定义为从进口截面的圆心到出口截面型心的弧线流道的长度；出口仰角γ定义为低压均匀喷洒喷头喷射的水流与水平面所成的交角；

步骤四：运用三维造型软件，绘制步骤三中不同变量参数下的空间流道；

步骤五：运用数值模拟技术分析步骤四中不同变量参数下的空间流道的流场特性，运用正交试验方法分析其模拟结果，得到进口直径D和出口截面面积S_a为固定值的情形下，低压均匀喷洒喷头喷洒性能达到最优时的出口截面形状和对应的变量参数。

步骤六：改变进口直径D和出口截面面积S_a的固定值,重复上述步骤，得到当进口直径D和出口截面面积S_a取若干组不同固定值下，低压均匀喷洒喷头空间流道达到最优的对应不同的变量参数组合；

步骤七：利用数学拟合的方法，将步骤六中得到的达到各组低压均匀喷洒喷头空间流道最优的变量参数进行拟合，最终得到低压均匀喷洒喷头空间流道的最优结构设计。

2.根据权利要求1所述的一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法，其特征在于，根据步骤五中得到的低压均匀喷洒喷头喷洒性能达到最优时的出口截面形状及其对应的变量参数以后，将低压均匀喷洒喷头的空间流道按照出口截面形状和变量参数生产加工出来，并对加工好的空间流道进行实际的实验验证，进一步论证步骤五中获得的出口截面形状及其对应的变量参数的可靠性。

3.根据权利要求2所述的一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法，其特征在于，步骤六中，考虑到产品的统一性以及加工的难度，在改变进口直径D和出口截面面积S_a的固定值以后，对出口截面的形状不再作为变量参数，保持步骤五中低压均匀喷洒喷头喷洒性能达到最优时的出口截面形状。

4.根据权利要求3所述的一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法，其特征在于，步骤四中，绘制不同变量参数下的空间流道形状时，出口截面的形状选取六种不同出口形状，分别为形状A、形状B、形状C、形状D、形状E和形状F；流道偏转角α的取值范围为4°～7°；流道型线半径r的取值范围为22～24mm；流道型线弧长L的取值范围为26～30mm；出口仰角γ的取值范围为28°～32°。

5.根据权利要求4所述的一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法，其特征在于，步骤一中进口直径D设定的初始值为5.6mm；出口截面面积S_a的初始值为19.5mm²；步骤五中得到的低压均匀喷洒喷头空间喷洒性能达到最优时的变量参数为：偏转角度α＝5.5°、流道型线半径r＝23mm、流道型线弧长L＝28mm、出口仰角γ＝30°；出口截面的形状为形状A；所述形状A由第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四个象限构成，并且第一象限面积S₁＝4.1mm²、第二象限面积S₂＝5.5mm²、第三象限面积S₃＝4.9mm²、第四象限面积S₄＝5.0mm²。

6.根据权利要求5所述的一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法，其特征在于，步骤六中进口直径D分别取4.8mm、5.2mm、6.0mm、6.4mm，对应的出口截面面积S_a分别取16.7mm²、18.1mm²、20.9mm²、22.3mm²；出口截面形状为形状A，则：进口直径为4.8mm时空间流道的最优结构参数为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.2°、流道型线的半径r＝22mm、弧长L＝25.5mm、出口仰角γ＝28°，第一象限面积S₁＝3.5mm²、第二象限面积S₂＝4.7mm²、第三象限面积S₃＝4.2mm²、第四象限面积S₄＝4.3mm²；进口直径为5.2mm时空间流道的最优结构参数为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.4°、流道型线的半径r＝22.5mm、弧长L＝27mm、出口仰角γ＝32°，第一象限面积S₁＝3.8mm²、第二象限面积S₂＝5.1mm²、第三象限面积S₃＝4.6mm²、第四象限面积S₄＝4.6mm²；进口直径为6.0mm时空间流道的最优结构参数为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.6°、流道型线的半径r＝23.5mm、弧长L＝28.5mm、出口仰角γ＝30°，第一象限面积S₁＝4.3mm²、第二象限面积S₂＝5.9mm²、第三象限面积S₃＝5.3mm²、第四象限面积S₄＝5.4mm²；进口直径为6.4mm时空间流道的最优结构参数为：流道在圆周方向的偏转角度α＝5.8°、流道型线的半径r＝24mm、弧长L＝28.5mm、出口仰角γ＝28°，第一象限面积S₁＝4.6mm²、第二象限面积S₂＝6.3mm²、第三象限面积S₃＝5.7mm²、第四象限面积S₄＝5.7mm²。

7.根据权利要求6所述的一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法，其特征在于，通过步骤七得到的喷头空间流道的最优设计结构设计，满足如下条件：

喷嘴出口截面的形状选取形状A；出口截面第一象限面积S₁、第二象限面积S₂、第三象限面积S₃和第四象限面积S₄满足：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{S_a}{S_{a0}}=\frac{D}{D_0}\\ \frac{S_1}{S_2}=0.735,\frac{S_3}{S_2}=0.899,\frac{S_4}{S_2}=0.903\end{array}\right.$

其中，D为进口直径，单位为mm，D₀为步骤一中进口直径D设定的初始值，并且D₀＝5.6mm；α为流道偏转角，单位为°；S_a为出口截面面积，单位为mm²，S_a0为步骤一中出口截面面积S_a的初始值，并且S_a0＝19.5mm²。