气液两相射流喷头水流空间破碎机理及模型研究

全射流喷头是一种新型的灌溉设备，为气液两相流，具有结构简单、水力性能优秀等特点。目前，对于全射流喷头的外部喷洒水滴分布特性的研究尚不够深入，系统研究其外部流场水力特性对全射流喷头的结构改进、性能优化以及推广应用均具有重要意义。本文采用理论分析、试验研究及数值计算相结合的方法系统研究了全射流喷头喷洒水舌破碎机理、喷洒水滴分布规律和喷洒水滴运动规律。 本文主要研究内容有以下几个方面： (1)通过对全射流喷头结构及射流附壁原理的全面分析，初步研究了全射流喷头的射流形式、喷洒水舌破碎过程及喷洒水滴二次破碎理论。对全射流喷头喷洒水舌的表面波进行了不稳定性分析，发现表面波的振幅随距离的增大而增大。喷洒水舌由于表面波振动而破碎产生的水滴粒径范围较大，通过对喷洒水滴在空气中运动时的受力分析得到了喷洒水滴的最大稳定直径。 (2) 通过激光雨滴谱仪测试了全射流喷头的喷洒水滴信息，采用了“3准则”进行了异常数据的识别与剔除，提高了测试数据的可靠性；系统的分析了全射流喷头喷洒水滴直径、水滴频率、水滴速度、水滴打击动能的分布规律，并建立了相应的计算模型。结果表明，所建立的数学模型能准确反应全射流喷头的喷洒水滴分布及运动规律，各种模型拟合的相关系数均在0.9以上。最佳组合间距和动能强度分布均匀性系数分别为1.2R、1.0R、1.1R、1.0R、1.1R和56.6%、71.1%、76.2%、77.2%、72.9%。为进一步实现全射流喷头的精确喷灌提供了理论依据。 (3)分析了喷洒水滴在空气中运动时的受力情况，进一步探讨喷洒水滴空气阻力系数对喷洒水滴运动轨迹的影响，建立了喷洒水滴的运动模型，并采用随机模拟方法以及MATLAB软件对喷洒水滴的运动轨迹进行了数值计算。模拟结果表明，平均水滴直径的误差随着距喷头距离的增大由53%减小到2%；水滴累积频率与水滴速度的变化趋势基本相同，误差较小；水量分布与水滴动能的相对误差均小于20%。因此，随机模拟方法能较好的模拟全射流喷头外部流场喷洒水滴分布特性，提供了一种较好的研究喷头喷洒水滴分布特性的方法。

喷灌是发展节水农业的有效途径，气液两相射流喷头为国内原创的新型喷灌装备，现有喷头喷洒模型缺乏多因素影响下的水滴运动及分布描述而显得科学依据不足，不能真实反映气液两相流情况下的水流运动规律。本项目以气液两相射流喷头外流场水力特性为研究对象，拟对水流空间破碎机理及模型进行深入系统的研究。具体内容包括：研究喷头出口含气率、工作压力、雷诺数及风速对水滴运动的影响；对喷洒水流外部流场进行数值模拟，揭示水滴运动特性参数的变化规律；对喷洒水流中的水滴形成、水滴运动及分布参数进行测量及定量表达，建立气液两相射流喷头水滴运动及分布模型；提出气液两相射流喷头水流空间破碎机理，构建相应的水量分布三维空间结构模型。预期研究结果对气液两相射流喷头的结构优化及灌水效率等参数的预测具有重要学术价值和实际意义。

环状流射流与横流掺混在民用及国防等领域具有重要应用前景。本项目采用机理实验、理论分析与数值模拟相结合的方法对横向剪切气流中气液两相环状流射流液膜的破苏与雾化过程开展了系统研究。首先针对环形管及复杂通道内气液两相环状流区影响液膜流动的液滴沉积与夹带过程建立了数理模型。其次对无横流条件下自由环状流射流液膜的破碎雾化特性开展了研究，发现了在中心气流作用下环状流射流液膜的破碎具有周期性和不稳定性；获得了射流液膜周期性破碎系统规律；查清了射流液膜存在爆式破碎、分段花瓣式破碎与环膜袋式破碎三种破碎形态并阐明了其破碎机制；给出了三种破碎形态无量纲判定准则和射流液膜的临界破碎高度计算关联式；采用数值模拟揭示了自由环状流射流液膜分段式破碎机理。在此基础上，对横向剪切气流作用下环状流射流液膜的破碎与雾化过程开展了研究，查清了横流作用下环状流射流液膜的宏观破碎特性和微观破碎机制并获得了参数影响系统规律；给出了横流影响下环状流射流贯穿轨迹关联式；提出了横流影响下环状流射流液膜破碎形态判定准则及破碎高度计算关联式；采用光学信息提取的方法对环状流射流雾化液滴粒径进行了分析，获得了不同工况下雾化液滴粒径分布及其影响规律。本项目拓宽了液体射流掺混研究领域，为相关行业实现气液两相环状流射流与横流的高效掺混组织提供了理论基础，具有重要的理论意义和应用价值。 2100433B

运用弱可压缩流体理论，提出了“脉冲液体活塞效应”新概念，建立了脉冲液体射流泵装置的设计理论，及非定常射流泵装置性能计算理论。对脉冲射流泵进行了试验研究。研制了新型高效率脉冲液体射流泵，其传能效率平均提高了约45%。在机理上突破了液体射流泵装置传能效率低，这一国内外难题。脉冲液体射流泵装置的研制成果，打破了西方发达国家在敏感的核燃料处理输送方面的技术龚断，具有重要的应用价值。本课题研究成果具有重要的学术意义，并在动力、航空、化工、采油等工业领域具有广泛的应用前景。

刘俊萍、朱兴业等所著的《全射流喷头变量喷洒关键技术》是喷灌课题组近几年来所参与完成课题和发表论文的系统总结。在本书的撰写过程中，作者力求保持当初科学研究的思路、技术方案和原始数据图表等，并针对全射流喷头结构参数设计和实现变量喷洒等问题进行了较全面系统的综合分析，努力探寻全射流喷头及实现变量喷洒所涉及的结构参数与相互关系及存在问题的解决方法，使读者能从系统的角度来认识全射流喷头及实现变量喷洒的新型喷灌装备。本书除主要介绍课题组的研究成果外，对近年来同行的有关研究成果和文献也作了简要的介绍与评述，并一一指出文献出处，以便读者进一步研究参考。