喷嘴设计及计算

第一章喷头改进设计的必要性喷雾喷头是通过一定方法，将液体分离细小雾滴的装置，目前在使用的一般是采用减小喷口直径，这些喷头雾化效率低，水量小，第二章喷嘴设计及计算喷嘴是喷头的重要部件，也是直接影响喷灌质量和喷头水力性能的一个部件。它不但要最大限度地把水流压能变成动能，而且要保持稳流器整理过的水流仍具有较低的紊流程度。喷嘴的结构形式一般有下列三种：1．圆锥形喷嘴圆锥形喷嘴由于其结构简单，加工方便而被大量应用于喷头，其结构如图。圆锥形喷嘴的主要结构参数是：喷嘴直径Dc,喷嘴圆柱段长度l,喷嘴内腔锥角。有的喷头为了提高雾化程度或增加喷头近处的水量，而在喷嘴出口处增加一粉碎螺钉，其结构见图。由于射流撞击在螺钉上，增加了碰撞阻力以致影响了喷头的射程及喷洒均匀度，所以现在除了个别喷头外已很少采用加粉碎螺钉的结构。2．流线形喷嘴为了使水流平顺，有的喷头设计成流线形，以减少水流冲击损失。流线形喷嘴结构如图所示。苏联维多新斯基为流线形喷嘴的设计提供了计算公式：实验表明，水流不很平顺的喷头采用流线形喷嘴，喷头射程能增加8~12%。但水流很平顺的喷头采用流线形喷嘴，喷头的射程增加很微小。由此可见，流线形喷嘴能使水流平稳从而提高喷头射程。3。流线圆锥形喷嘴流线圆锥形喷嘴是上述两种形式之结合，图12就是这种形式的喷嘴。从图可以看出来，水流自喷管先经过喷嘴的流线形段，继而经过圆锥形段。从加工来说，凸流线形喷嘴易于加工。由于圆锥形喷嘴有结构简单，加工方便等优点，所以目前喷头大多采用圆锥形喷头。第二节喷嘴直径的确定喷嘴直径是一个重要的数值，它直接影响到喷灌质量，如喷灌强度，均匀度和雾化程度。它又和喷头的结构和水力性能有极为密切的关系，诸如喷灌直径Dcm，喷头流量，射程和工作压力等。由于喷头喷出的射流是高压高速水流的孔口出流，所以可应用水力学的圆形孔口出流公式计算。即：Q=02024gHD式中：0H=2H其中，Q—喷嘴流量--流量系数0D-射流收缩断面的直径0H-射流收缩断面的压力-流速系数H-喷头工作压力知道了射流收缩断面的直径可由奥克勒所推荐的计算式计算喷嘴直径：D)2sin16.01(10CDD式中1-喷嘴内腔渐缩角但是，喷嘴直径还对喷头射程雨滴粒径有显著的影响。这是因为，喷头的工作压力与喷头直径的比值（H/Dc）对于射程和雨滴粒径具有显著的影响。所以，喷嘴直径的确定不仅要考虑到流量，而且还更应该考虑到影响射程和雨滴直径的H/Dc值。H/Dc值对喷头射程具有较高度而显著的影响，我们为了综合考察喷头仰角，喷头，找出对射程影响最显著的因素，并评定各因子的合适数值范围，试验结果经显著性检验，得到喷头的工作压力与喷嘴直径的比值H/Dc对喷头设计列表如下：从图中可以看出，当喷嘴直径一定时，射程会随着压力的增大而增大，开始增长的很快，而后即行缓慢，达到某一极限，不管压力多大，射程增长很微，甚至不增加。同时，从式中可知，喷嘴直径是可以反映喷嘴流量的，并且在工作压力一定时，对于相同直径的喷嘴，其流量也是相同的。而且由于射流功率N=rQH,所以在一定功率的条件下，只有在喷嘴压力和喷嘴直径有正确的比例，才能获得最远射程。喷头工作压力和喷嘴直径的比值H/Dc，在一定程度上反映了喷嘴的雾化程度，即喷沙。对于喷嘴，随着H/Dc的值的增加，水滴直径将减少；对于不同的喷嘴，在相同的H/Dc,随着喷嘴直径的增大水滴随着喷嘴直径的增大水滴直径将减少，因为雷诺数增大。所以，对于喷嘴口径不同的喷头，不能规定统一的适宜雾化指标。对于小口径喷嘴的喷头，其适宜的H/Dc值要比大的大口径的喷头大。所以，有的国家对各种尺寸的喷嘴规定在最佳工作压力范围，认为在这样的压力下所产生水滴是无害的。综上所述，由于喷嘴直径的大小影响到喷头的喷洒量，功率消耗，射程和水底大小，，所以喷嘴止直径的确定，应以式喷头直径Dc(毫米)适宜的H/Dc值2~44~66~1010~1616~2010000~80008000~70007000~40004000~30003000~2500喷头内腔锥角又称渐缩角，试验表明，最适宜的喷嘴内锥角，喷嘴冲出的射流密致段较长，从而使喷头获得最大射程。由于喷嘴近似圆锥形收缩管，所以锥角收缩管水力摩阻试验得到验证，即由于其有较小的摩阻系数，因而使得喷嘴前压力较大而使喷头射程较远。由于喷头是有压孔口出流，其出流量与喷嘴有密切的关系，计算式，喷嘴内锥角与流量系数也有一定关系。这一具有相当精度的关系可以用来计算喷头喷嘴之流量系数。二喷嘴内表面的光洁度由于通过喷嘴的水流为高速水流，其速度一般都在20米/秒以上，所以喷嘴内表面的光洁度也是至关重要的。因为对于管嘴的孔口出流来说，流道粗糙将会破坏水流表面，增大水力损失，并破环喷嘴射流的密致段，从而影响射程,出流量和雾化程度等。我国的喷头一般都规定喷嘴的光洁度为不低于5喷嘴光洁度对流量系数的影响。喷嘴光洁度53流量系数0．860．84三设计喷头最优参数选择由以上应选取45度内锥角，流量系数为0。86。光洁度（表面光洁度）应为5。考虑影响射程和水滴直径H/Dc值，H/Dc对喷头有高度影响，比值H/Dc在一定程度上反映雾化程度，即喷洒雨滴的直径，所以大家把它称为雾化指标。当H/Dc=3000时有最远射程。喷头工作压力和喷头直径的比值H/Dc是随其增加，水滴直径将减小，对于不同的喷嘴，，在相同的H/Dc下，随着喷嘴直径的增加而水滴直径将减小。提供各种雾化效果最佳选择：压力值一般为0.2-0.7Mpa左右而当管口直径为2~3毫米时，H/Dc值选3000，压力值选0.7Mpa左右，喷嘴仰角在40度到45度左右，光洁度在5。四改变喷头喷洒轨迹的力学途径很多喷头采用的是喷洒轨迹为弧形的喷洒喷头，很浪费水源，面对多种喷洒的要求，本研究采用弧形轨迹改为方形轨迹为研究对象，依据流体力学原理，提出改变喷头喷洒轨迹的力学方法及途径。1水头对流速的影响改变水头的途径一般有两种：一是利用水塔提升水头；二是采用机械加压，如无水塔自动上水器等。其基本原理是，前者的压强变化是由高度差引起的，后者是采取机械加压的方法实现压强和速度的变化，两者总的力学效果是相同的。用这两种方法获得的压强差必将对不同的高度上的流速产生一定的作用，但并非全部，因为一般的流速值还与输送管道的面积有关。本文根据连续性原理和波努利方程讨论不同情况下的流速变化。1.1垂直影响如图所示，所取的面积为等效截面积，若选取不同的高度和不同的断面积的同一流线上两点，图为上下截面积相同的情况，取流线上两点A，B。由于水流稳恒，流速，面积均相同，压强满足)(21HHgpPAB式中，AP，BP为所选截面的压强，为水的密度，，H2为两截面的高度。式中表明，截面积相同时，压强变化与静止流体相同。图1B为上部截面积大于下部截面积。图为截面积小于下部的情况。两种情况应满足以下关系：式中所有的V，S，P，H分别表示各截面的流速，截面积，压强和高度，为水的密度。换言之，当输水管道上下截面相同时，上下部的流速相同，压强只取决于高度差；当上下截面积不同时，在水塔供水的过程中存在两种情况，一是在用水高峰时，下部各分管道面积总和一般均大于上部，导致上下部水流流速降低，水压不足；二是在用水低潮时，下部各分管道面积总和小于上部，导致上下部水流流速增高，水压充足。1．2水平影响如图所示，取同一高度，不同截面积的同一流线上的两点，图为截面积相同的情况下，其压强，面积，流速满足以下公式：2喷头喷洒轨迹的变化特征由于空气阻力受地域环境影响因子较多，在研究一般的运行轨迹，可忽略空气阻力的影响。由力学原理可知，流体的运动只受到重力的作用，形成了抛物线轨迹。假设喷头处的水速为V，出射角为，以流体喷出的瞬间开始计时，时间为t，则射程x与喷洒高度y应有下列关系：图2给出了v=10m/s的轨迹图。图中各线代表与水平夹角为15度，30度，45度，60度，75度的对应抛洒距离和高度。由图2可知，在一定的流速情况下，抛洒轨迹具有两个明显的过程：一是抛洒轨迹与倾角有关，若在喷头高度上，出射角等于45度时射程最远；二是抛洒轨迹与喷头高度密切相关，当喷头高度增加时，小角度的喷洒距离和能力增大，因此，实际的喷灌设备应具有调节高度的能力。3改变喷头喷洒轨迹的力学途径从以上分析可以看出，影响喷洒轨迹的因数主要有三个，即水压，管道截面积，出射角。现以旋转式喷头为例，探讨实现方形喷洒轨迹的力学途径。一般的旋转式喷头的喷洒轨迹为圆弧形，要改变其轨迹，必须通过调节水压，管道截面积，出射角才能实现方形喷洒轨迹。但是调节水压的方法在喷头的设计上不很实用，因为它将带给设备很大的体积和费用。所以只能采取后两项来调节来完成，若考虑实际喷头的总体设计要求，可以通过改变管道头的截面积实现圆弧轨迹向方形轨迹的变化，通过出射角的变化完成所有面积的喷洒。图3为圆弧轨迹变为方形轨迹的原理图。其中的圆形轨迹表示表示一个旋转式的喷头的一般轨迹，方形代表改变后的轨迹。在图3中选取AEB圆弧作为样本，研究使其成为AGFB的直线形式的方法。图3中OG代表任一个时刻的喷洒距离，OG的长度是随时间变化的，即要求其起点为O，而终点G始终在AB直线上运行，即其长度随着旋转角度的变化规律为L1=式中，L1为长度；为旋转角；R为旋转半径（最大喷洒距离）。要完成以上的变化规律，就意味着喷头的出射速度变化也将呈现的变化规律为式中，V为旋转角为时的速度；V为最大喷射速率。根据公式（2）和（3）可知，通过改变管道的截面积；S为旋转角为时的截面积。在图4中，虚线部分表示管道出水的截面积，OX线的断点X将在竖直方向匀速运动，这种匀速运动是在旋转龙头的旋转带动下经过连杆而获得的，这里相当于加装了一个遮挡片，在技术上很容易实现。因此，本文不再讨论连杆装置，而研究在这种匀速状态下的面积变化规律。由于圆形面积的大小与张角成正比，则图4中的截面积变化完全取决于角度的变化规律，再加之X点的匀速运动，最终使得管道出水的截面积变化规律与所要求的（6）式吻和。4全方位灌溉的轨迹实现在实施灌溉工程时，前面指出了轨迹由弧形向方形的改变，但未能给出对绿化地的整体扫描路径。下面将研究实现各个区域整体抛洒的方法。由于喷头的结构和组成要考虑其系统性，前面通过改变管道截面积达到了轨迹由弧线向方形的变化，这里以变化喷头的仰角来完成对所有区域的扫描。图5是笔者在不考虑喷头设置高度的情况下，依照上面讨论的抛洒轨迹的变化特征，获得的不同仰角下的扫描轨迹。图的几何中心为喷头的位置，可以看出，仰角越小，其扫描路径较密，这也是射程远的区域，在距离喷头近的区域，其扫描路径稀疏，如果喷头喷洒过程对流体的散失有影响，这样的扫描结果也符合实际要求，因为在短距离的区域所获得的散失流体较多，抵消了扫描路径稀疏的负面影响。因此，采用匀速改变仰角的方法，一方面可以实现整个区域灌溉要求，另一方面又便于喷头装置的整体设计。5结论与讨论1）改变喷头的喷洒轨迹的途径有三种，即改变水压，管道面积，和喷头出射角（仰角）。2）实际喷头喷洒轨迹的设计应选用较为实用的方法，即通过遮挡管道截面实现流速变化，进而达到轨迹的变化；通过旋转带动喷头出射角（仰角）的变化，实现全方位的喷洒，而使整个绿化地得到均匀灌溉。3）在方形绿化地使用的喷头，应将喷头的遮挡片作成扇形，并使其与旋转的连杆想配合，组成一个整体，实现截面积的变化呈选余规律进行的，达到旋转喷头的弧形轨迹向方形轨迹的转变。各种喷头方案计算1对喷式喷头原理及计算这种改进喷头采用两个相对的喷嘴喷出高速水流，在空中撞击后形成细小水滴。它可以形成更加细微的水滴；用较小的水量和较少的能量达到比传统喷嘴理想的雾化效果，以节约能源。这种新技术的解决方案是：由喷嘴本体、两个喷嘴和安装在两个喷嘴内孔外端的三个堵丝组成一种对喷式雾化喷嘴。两个喷嘴对称安装在喷嘴本体的同一轴线上，在相对的两个喷嘴之间的进水口之间留有间隙，两个喷嘴的内部通孔及喷嘴本体上的进水口相连通。高速度的压力水从进水口进入内部通孔、两喷嘴口喷出的水相撞后向四周散开形成细微的水滴，呈雾化状态。进