CN115841088B - 一种用于农田节水灌溉领域的三维异形射流喷咀设计方法 - Google Patents

一种用于农田节水灌溉领域的三维异形射流喷咀设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于农田节水灌溉领域的三维异形射流喷咀设计方法。基于气液两相流理论与CFD计算流体动力学方法，按一定面积比与速度比耦合扇形与束状两种射流模式，使得喷咀进口到出口整体呈圆柱圆锥耦合结构，将射流口结构优化设计成三维异形开槽结构；沿射流口流动方向，中垂面底部与前部开V形槽，以形成近端射程水体的扇形射流为主，中垂面上半部分开条形槽，以形成远端射程水体的束状射流为主；V形槽与条形槽接口光顺过渡，共同作用促进形成窄带形射程S。本发明尤其适合于在机耕道、田间道等非种植区域上执行农田喷灌作业，具有节水节能、不碾压土壤、不碾轧作物秧苗等独特优点。

Description

一种用于农田节水灌溉领域的三维异形射流喷咀设计方法
技术领域
本发明属于农业节水灌溉领域，特别涉及一种用于农田节水灌溉领域的三维异形射流喷咀设计方法。
背景技术
相比于漫灌、沟灌等传统灌溉模式，喷灌方式更节水，对农田的适应性也更好。喷头与喷咀作为农业喷灌系统的关键部件与重要灌水执行器，其射程、均匀性、带宽等主要性能参数，不但决定着水利用率与作业效率等灌溉指标，并最终将影响作物的产量、品质和农民收入。
喷洒域是指喷头射流所湿润的具有一定几何形状的土地面积；不同形式的喷头，由于其喷嘴的设计不同，喷洒域也不尽相同。目前农田喷灌大多使用出口为圆形并通过一定结构驱动其间歇式周期性转动的摇臂式喷头，方法主要有固定式和移动式两种。固定式喷灌的单喷头喷洒域为圆形，实际使用大多采用组合喷洒模式，后者存在重叠区域过喷和田块边缘漏喷等严重缺陷，均匀性也很难有大的提升。移动式喷灌作业时，机组必须下地，将对土壤和作物造成碾压并破坏田间土壤结构。因此，研制不下地、无需周期性来回扫射、无转动机构，且在射流方向上能喷出高均匀度水带的窄带形喷洒域射流喷头(含喷咀)迫在眉睫。
南建福等(CN 101497065A)公开了一种含有主轴和径流式封闭叶轮等转动式结构的带状喷洒喷灌喷头，适合于行播作物下地作业的条带状喷水，结构尺寸较大。程灏波等(CN102975124B)的异形喷头旋转式磁射流抛光装置主要用于精密光学表面抛光加工；浙江亿田智能厨电股份有限公司(CN 107448988B)所公开的的异形喷头包括异形本体和凹槽，主要用于燃气灶。经检索，尚未发现有能用于固定与移动两种喷灌模式，通过耦合扇形与束状两种射流模式，且能在射流方向上喷出均匀水带的窄带形喷洒域射流喷头的相关报道。
发明内容
本发明旨在提供一种窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷咀，以解决上述背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷咀设计方法，基于气液两相流理论与CFD计算流体动力学方法，按一定面积比与速度比耦合扇形与束状两种射流模式，使得喷咀进口到出口整体呈圆柱圆锥耦合结构，将射流口结构优化设计成三维异形开槽结构；沿射流口流动方向，中垂面底部与前部开V形槽，以形成近端射程水体的扇形射流为主，中垂面上半部分开条形槽，以形成远端射程水体的束状射流为主；V形槽与条形槽接口光顺过渡，共同作用促进形成窄带形射程S。
进一步，所述基于气液两相流理论与CFD计算流体动力学方法具体过程为：
利用CAD三维建模软件，通过适当简化忽略掉对窄带形喷洒域形成或喷头性能影响不大的弱结构，统一建立起各参数表所对应的喷咀(3)、变径整流管(2)、导流弯头(1)的物理模型；
利用有限元分析网格划分工具与CFD流体动力学计算软件Fluent，在网格无关性检查的基础上，分别对所建立的窄带形喷洒域射流喷咀(3)出口附近的外流场，以及由喷咀(3)、变径整流管(2)、导流弯头(1)三者管内部分流体所建立的内流场，分别完成各参数组的VOF模型多相流数值模拟计算、全流场定场非定常数值仿真计算；
通过各算例模型的后处理分析，查看其流场、流态分布情况，结合湍流模型、漩涡结构与能量耗散机理，来定性并定量分析各模型算例中能量损失的主要形式、分布规律与大致占比，解析并总结结构物理模型改进的主要途径；反复改进最优模型并确定最优参数；根据模型加工试制出最优模型的样机，通过试验验证其是否符合最初设计目标，最终定型出口安装有高均匀性射流喷咀的窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷头。
进一步，所述喷咀(3)优化为窄带形喷洒域射流喷咀，小径端外圆表面为圆锥形，喷咀出口(301)沿流动方向垂直开有三维鸭嘴型异形槽，为由内而外的V形切槽，槽口往外往上逐步张开；喷咀(3)上部为条形切槽，起始位置由来流方向往后延伸一定长度或若干距离，均宽或由内而外呈小扩散角结构。
进一步，所述条形槽至最外侧时的切槽宽度比V形槽最大槽宽窄或相等，两个槽型结构的相贯线光顺过渡，共同作用促进形成无明显断面变化的窄带形射流面，保证灌溉均匀度系数。
进一步，所述条形槽的当量面积与其平均射流速度的乘积与V形槽当量面积与其平均射流速度的乘积相等，分别负责形成总射程的远端50％与近程50％的射流喷灌所需用水量；通过调整两槽的射流出口当量面积及其流速积分来调整近程扇形射流与远端束状射流在总喷灌流量中的占比，但需以确保均匀性系数喷灌性能指标为前提。
进一步，喷咀(3)大径端外圆内壁面加工有标准内螺纹或锥形内螺纹，用于与变径整流管(2)的外螺纹连接，并为源自变径整流管(2)的高速来流提供通道。
进一步，喷咀(3)内螺纹的顶面设计加工有定位台阶面，用于与变径整流管(2)的小端面配合，形成端面密封；安装前可在该端面密封处加垫O型圈或涂抹液体密封胶。
进一步，变径整流管(2)管内壁前端环向布设有6条长条形整流筋片(203)。
本发明所述的窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷头，与安装在射流喷头最前端的喷咀一起，具有以下有益效果：
(1)除了可以用于定点定位喷灌，由于这种灌溉模式作业可不下地，故可将本发明所述的窄带形喷洒域射流喷头安装配备到移动式喷灌机具和灌溉机组的两侧，让机具或机组沿着机耕道、田间道等非种植区域，边缓慢行走，边由窄带形喷洒域射流喷头在行进水平垂直方向的两侧执行农田喷灌作业，具有节水节能、不碾压土壤、不碾轧作物秧苗等独特优点。(2)喷灌射程可通过调整不同的进口流量、进口压力、喷头仰角等参数进行改变。(3)喷灌强度、灌水量等可与基于农业物联网的土壤剖面水分传感器以及其它多源信息的诊断模型与灌溉处方形成闭环，提高农田作物灌溉的精确性，真正做到按需给水。(4)射流喷咀的结构设计，来源于正交优化或响应面优化等进行主要结构参数的组合选优，并使用CFX、Fluent等流场分析软件来完成CFD流体动力学的模拟仿真及性能参数优化，可大大减少试验工作量并降低研发成本。(5)本发明的重要创新之处，还在于通过将异形喷咀的射流面定义并设计成由一系列当量直径由小而大变化的断面积所形成的V形切槽与条形切槽，不同的当量直径对应着不同的喷咀流量与水舌射程，从而将不确定性的空气阻力系数λ所导致的射程不确定性，转化为射流出口断面处的确定性结构参数与可分段叠加的射程理论计算，实现喷头与喷咀射流方向上喷灌水量的均匀性与可控性理论计算。
附图说明
图1为窄带形喷洒域射流喷头主结构图。
图2为三维异形射流喷咀(3)的等轴测放大图。
图3为三维异形喷咀(3)射流口的主要结构参数。
图4为三维异形喷咀(3)射流口附近的水舌运动轨迹。
图5为喷咀(3)内流场CFD数值模拟的速度分布与压力分布云图。
图6为喷咀(3)外流场气液两相物理模型的网格划分。
图7为喷咀(3)外流场VOF模型数值模拟计算得到的液相百分含量。
图8为安装了三维异形喷咀(3)的窄带形喷洒域射流喷头的作业窄带图。
图9为窄带形喷洒域喷头喷体和喷管结构参数。
图中标记说明：1.导流弯头，101.进水口，102.螺纹，103.定位环；2.变径整流管，201.O型密封圈，202.预紧螺栓，203.整流筋片，204.配车螺纹；3.喷咀，301.喷咀出口；4.窄带。
具体实施方式
为使本发明的特征和优点更加易懂，下面结合附图1～图8以及具体实施例，对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1为本发明所述的窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷咀的一个设计实例，喷咀与喷头的额定工作压力P为0.3MPa，额定喷灌流量Q为10m3/h，设计射程S为25m，远端带宽≤1m，近端带宽范围≥0.5m，远端与近端的带宽差不大于0.5m。
喷头由喷咀(3)、变径整流管(2)和导流弯头(1)三段组成。如图2所示，喷咀(3)为三维异形喷咀，位于最前端，体积最小，是该窄带形喷洒域射流喷头的能量转换器；喷咀射出端的三维异形流道，是形成窄带形喷洒域特征的核心射流源，其结构设计基于流场数值模拟优化，射流口出流面的当量直径为10.9mm。
三维异形射流喷咀(3)的大径端为φ30mm的圆柱面，内壁面加工有M24的标准内螺纹，与变径整流管(2)M24的外螺纹连接，为变径整流管(2)来流提供通道。
三维异形射流喷咀(3)大径端φ30mm的内螺纹顶面设计加工有直径φ25mm×宽度2.8mm的定位台阶面，与变径整流管(2)的小端面配合，形成端面密封；安装前可在该端面密封处加垫25×1.8的O型密封圈或涂抹液体密封胶。
三维异形射流喷咀(3)的小径端为锥角等于25°的圆锥面，喷咀出口(301)沿射流喷出方向上垂直开设有三维鸭嘴型异形槽，其中底部与前部为切槽角80°的V形槽，槽口往外往上逐步张开，形成了近程扇面射流水体的主体构型。上部为均宽5.1mm的条形切槽，起始位置由来流方向往后延伸9.6mm，是形成远端束状射流水体的主体构型。
对于本实施例的三维异形槽，上部条形切槽宽5.1mm，下前部V形切槽与内流表面形成的两相贯线最大宽度为的比值为1:1，两槽型结构的相贯线光顺过渡，共同作用促进形成了无明显断面变化的窄带形射流面，保证了灌溉均匀度系数。
作为实施例，变径整流管(2)与导流弯头(1)采用单端面密封连接，加垫35×2.65的O形密封圈(201)，外圈上布设2个M8×10的预紧螺栓(202)，实现连接和预紧。导流弯头(1)的进水口(101)内、外表面分别设计有长度20mm的M40标准公制外螺纹和长度20mm的M30的标准公制内螺纹(102)，便于与M40的内螺纹和M30的标准公制外螺纹进行匹配和连接。变径整流管(2)大径端的外径、内径分别为42mm、30mm，小径端的外径、内径分别为27mm、20mm；管内壁前端环向布设有6条长条形整流筋片(203)。
本实施例的三维鸭嘴型异形槽，上部条形槽的当量面积与平均射流速度的积为5.07m3/h，与下部前部V形槽当量面积与其平均射流速度的积4.96m3/h大体相等，分别贡献了形成总射程S＝24.5m的远端、近程各约50％的射流喷灌需水量。还可通过调整两槽射流出口当量面积与平均流速，来调整近程扇形射流与远端束状射流在总流量中的占比。
当灌溉来流以额定流量10m3/h、0.3MPa额定压力从导流弯头(1)进入喷头，依次经过导流弯头(1)改变流向，变径整流管(2)一次整流与变径提速，以及三维异形嘴咀(3)二次控流和能量形式转换，最后以窄带流形式从喷咀出口高速射出；并由近及远形成图8所示的水量分布均匀、带宽略有扩散的长条形窄带，射程S达到24.5m，远端窄带宽0.96m，近端窄带宽0.53m，参数误差都小于±5％，在设计要求范围内；还可通过调节不同进口流量、不同进口压力、不同喷头仰角来实现不同射程和相应带宽。
根据农田节水灌溉基本要求，结合标准化农田与普通田块实际情况，首先确定所要发明的窄带式射流喷头(喷咀)的流量Q、压力P、射程S、俯仰角θ、通径DN、喷咀直径d等主要性能参数与结构设计参数及其范围。利用水舌特性参数喷咀压头P0、射流初速度v0、水舌高度H0、射流水平方向初始夹角(俯仰角)θ0等，建立式(1)所示的考虑空气阻力条件下射流方向x轴上t时刻的水舌运动轨迹方程。
当y等于0时，喷头(喷咀)系统的射流轨迹x取得水平射程S，即：
上面两个计算式中，λ为空气阻力系数，λ的值由喷咀压头P0和水舌直径(喷咀出口为d)决定，λ的值按式(3)进行计算：
式(1)～式(3)建立了射流水舌运动的数学模型。当水舌从喷咀射出后，在空气扰动作用下，离喷咀越远，水舌直径将越大，涉及到射流破碎和气液两相流等复杂粘性流体动力学理论，目前还没有理论解。
本发明的重要创新之处，还在于通过将异形喷咀的射流面定义并设计成由一系列当量直径由小而大变化的断面积所形成的V形切槽与条形切槽，不同的当量直径对应着不同的喷咀流量与水舌射程，从而将不确定性的空气阻力系数λ所导致的射程不确定性，转化为射流出口断面处的确定性结构参数与可分段叠加的射程理论计算，实现喷头与喷咀射流方向上喷灌水量的均匀性与可控性理论计算。
同时，为了验证理论计算的正确性和参数选优，将总射程S作为总目标参数，将各当量断面积的Si作为子目标，分析确定影响目标参数S与Si的参数队列，按照权重分析方法确定主要影响因素P0、当量直径di、切槽角βi等，利用正交优化或响应面优化方法等计算并导出多因素多水平的优化数据表，建立基于多目标函数的多参数优化模型。
利用CAD三维建模软件，通过适当简化忽略掉对窄带形喷洒域形成或喷头性能影响不大的弱结构，统一建立起各参数表所对应的喷咀(3)、变径整流管(2)、导流弯头(1)的实体物理模型与水体物理模型；
表1喷嘴结构参数表
表2导流弯头和变径整流管部分参数
利用有限元分析网格划分工具与CFD流体动力学计算软件Fluent，在网格无关性检查的基础上，分别对所建立的窄带形喷洒域射流喷咀(3)出口附近的外流场，以及由喷咀(3)、变径整流管(2)、导流弯头(1)三者管内部分流体所建立的内流场，分别完成各参数组的VOF模型多相流数值模拟计算、全流场定场非定常数值仿真计算。
通过各算例模型的后处理分析，查看其流场、流态分布情况，结合湍流模型、漩涡结构与能量耗散机理(所涉及的湍流模型、漩涡结构与能量耗散机理均为已知的标准模型，直接调用计算即可)，来定性并定量分析各模型算例中能量损失的主要形式、分布规律与大致占比，解析并总结结构物理模型改进的主要途径，并与解析解对比，反复改进最优模型并确定其最优参数；然后根据该最优模型加工试制出最优模型的样机，对比通过试验验证其是否符合最初设计目标，最终定型出口安装有高均匀性射流喷咀的窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷头。
附图5为喷咀(3)内流场CFD数值模拟的速度分布与压力分布云图，可以看出，两切槽射流的速度、压力衔接较光顺，梯度变化平稳。图6为喷咀(3)外流场气液两相模型的网格划分情况。图7为采用VOF湍流模型与，对距离射流口100mm远的外流场进行气液两相数值模拟计算，通过后处理所得到的液相百分含量图；可以看出，两切槽射流的液相都形成了变化趋势均匀、并有各自明显集中区的射流分布规律，为喷咀射流形成均布窄带S打下良好基础。图9为窄带形喷洒域喷头喷体和喷管结构参数。
本发明所述的窄带形喷洒域农田节水灌溉三维异形射流喷头，其工作过程如下：
灌溉水流以一定速度和压力从导流弯头(1)进水端(101)进入喷头，依次经过导流弯头(1)的流向改变，变径整流管(2)的一次整流与变径提速，以及三维异形嘴咀(3)的二次控流和能量形式转换，最后以窄带流形式从喷咀出口高速射出，并由近及远形成水量分布均匀、带宽略有扩散的长条形窄带(4)；通过调整不同的进口流量(即速度)、进口压力、喷头仰角等，可以实现不同的射程。
最后，应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷咀设计方法，其特征在于：基于气液两相流理论与CFD计算流体动力学方法，按一定面积比与速度比耦合扇形与束状两种射流模式，使得喷咀进口到出口整体呈圆柱圆锥耦合结构，将射流口结构优化设计成三维异形开槽结构；沿射流口流动方向，中垂面底部与前部开V形槽，以形成近端射程水体的扇形射流为主，中垂面上半部分开条形槽，以形成远端射程水体的束状射流为主；V形槽与条形槽接口光顺过渡，共同作用促进形成窄带形射程S；
利用CAD三维建模软件，通过适当简化忽略掉对窄带形喷洒域形成或喷头性能影响不大的弱结构，统一建立起各参数表所对应的喷咀（3）、变径整流管（2）、导流弯头（1）的物理模型；
利用有限元分析网格划分工具与CFD流体动力学计算软件Fluent，在网格无关性检查的基础上，分别对所建立的窄带形喷洒域射流喷咀（3）出口附近的外流场，以及由喷咀（3）、变径整流管（2）、导流弯头（1）三者管内部分流体所建立的内流场，分别完成各参数组的VOF模型多相流数值模拟计算、全流场定场非定常数值仿真计算；
通过各算例模型的后处理分析，查看其流场、流态分布情况，结合湍流模型、漩涡结构与能量耗散机理，来定性并定量分析各模型算例中能量损失的主要形式、分布规律与大致占比，解析并总结结构物理模型改进的主要途径；反复改进最优模型并确定最优参数；根据模型加工试制出最优模型的样机，通过试验验证其是否符合最初设计目标，最终定型出口安装有高均匀性射流喷咀的窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷头；
所述喷咀（3）优化为窄带形喷洒域射流喷咀，小径端外圆表面为圆锥形，喷咀出口（301）沿流动方向垂直开有三维鸭嘴型异形槽，为由内而外的V形切槽，槽口往外往上逐步张开；喷咀（3）上部为条形切槽，起始位置由来流方向往后延伸一定长度或若干距离，均宽或由内而外呈小扩散角结构。
2.根据权利要求1所述的一种窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷咀设计方法，其特征在于：所述条形槽至最外侧时的切槽宽度比V形槽最大槽宽窄或相等，两个槽型结构的相贯线光顺过渡，共同作用促进形成无明显断面变化的窄带形射流面，保证灌溉均匀度系数。
3.根据权利要求2所述的一种窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷咀设计方法，其特征在于：所述条形槽的当量面积与其平均射流速度的乘积与V形槽当量面积与其平均射流速度的乘积相等，分别负责形成总射程的远端50%与近程50%的射流喷灌所需用水量；通过调整两槽的射流出口当量面积及其流速积分来调整近程扇形射流与远端束状射流在总喷灌流量中的占比，但需以确保均匀性系数喷灌性能指标为前提。
4.根据权利要求1所述的一种窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷咀设计方法，其特征在于：喷咀（3）大径端外圆内壁面加工有标准内螺纹或锥形内螺纹，用于与变径整流管（2）的外螺纹连接，并为源自变径整流管（2）的高速来流提供通道。
5.根据权利要求1所述的一种窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷咀设计方法，其特征在于：喷咀（3）内螺纹的顶面设计加工有定位台阶面，用于与变径整流管（2）的小端面配合，形成端面密封；安装前可在该端面密封处加垫O型圈或涂抹液体密封胶。
6.根据权利要求1所述的一种窄带形喷洒域农田节水灌溉射流喷咀设计方法，其特征在于：变径整流管（2）管内壁前端环向布设有6条长条形整流筋片（203）。
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