一种旋转折射式喷头喷洒液滴分布计算方法技术

本发明专利技术公开了一种旋转折射式喷头喷洒液滴分布计算方法，尤其针对低压旋转折射式喷头的喷洒液滴分布。首先，采用三维激光扫描技术对喷盘流道结构和喷嘴流道结构进行逆向建模；其次，将模型导入CFD软件进行数值模拟；获得喷盘流速和迹线分布云图；然后，提取喷盘出口射流的流速和仰角，输入弹道轨迹方程；最终获得旋转折射式喷头的喷洒液滴粒径和速度的分布拟合曲线。该方法克服了旋转折射式喷头流道出口射流参数难以获取的问题，实现了通过弹道轨迹方程模拟旋转折射式喷头喷洒液滴分布的目标。标。标。

【技术实现步骤摘要】
一种旋转折射式喷头喷洒液滴分布计算方法


[0001]本专利技术属于农业节水灌溉
，具体涉及一种低压旋转折射式喷头喷洒液滴分布的计算方法。

技术介绍

[0002]为减少喷灌试验，提高灌溉系统的设计效率，有学者提出使用弹道轨迹方程模拟喷洒液滴运动。使用弹道轨迹方程时，需要提供方程的初始参数——喷嘴出口射流的速度大小和方向。
[0003]对于摇臂式喷头、涡轮涡杆式喷头和全射流式喷头，喷嘴出口射流的速度大小和方向可直接根据孔口出流公式和喷头仰角计算。对于旋转折射式喷头而言，喷出的射流是先撞击到特定形状尺寸的喷盘上，再驱动喷盘旋转，由流道沟槽分散成多股水流。由于喷头结构和出流机制的差异，从喷盘出口流道截面的射流速度大小和方向难以通过公式计算。这也导致目前难以使用弹道轨迹方程模拟液滴运动过程，只有用到高速摄像机、激光雨滴谱仪、二维视频雨滴谱仪等价格昂贵的光学仪器才能拍摄出液滴降落在地面时的落地速度和粒径。很大程度上限制了技术人员探究旋转折射式喷头喷洒水流的分散破碎机制，阻碍了喷盘流道结构的优化设计。

技术实现思路

[0004]针对低压旋转折射式喷头喷洒液滴分布难以根据理论公式进行计算的问题，本专利技术提供了一种旋转折射式喷头喷洒液滴分布计算方法，通过CFD数值模拟获得旋转喷盘流道出口截面射流的速度和迹线云图，提取喷盘流道出口截面的流速和仰角，将其作为初始参数输入弹道轨迹方程，进而模拟旋转折射式喷头的喷洒液滴径向分布。
[0005]为实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：一种旋转折射式喷头喷洒液滴分布计算方法，包括下列步骤。
[0006]步骤1，基于逆向建模的思路，采用激光扫描技术分别获得喷嘴和喷盘流道的三维结构并输出喷嘴流道结构和喷盘流道结构的stp格式文件；
[0007]步骤2，将喷嘴流道结构和喷盘流道结构的stp格式三维模型分别导入CFD软件中，按照喷盘和喷嘴中心在位于同一条水平线，距离为1.2cm，装配喷嘴和喷盘流道结构，设置外流域形态和尺寸，绘制非结构化网格，选取控制方程，设置边界条件，开展数值模拟；
[0008]步骤3，输出喷盘流道出口截面的流速和迹线分布云图；
[0009]步骤4，将流速和迹线云图导入tecplot后处理软件，根据计算公式提取喷盘流道出口截面的射流流速和仰角；
[0010]步骤5，将射流流速和仰角作为初始参数输入弹道轨迹方程，模拟不同粒径液滴的落地位置和速度；
[0011]步骤6，采用最小二乘法原理的多项式拟合，输出旋转折射式喷头喷洒液滴沿射程的分布曲线。
[0012]所述的喷嘴和喷盘流道结构逆向建模，是通过三维激光扫描技术1:1还原喷嘴和喷盘流道的不规则结构，扫描精度可达0.1mm。
[0013]所述的弹道轨迹方程，是一种基于空气动力学和液滴动力学理论，描述喷洒液滴在空中运动规律的液滴三维运动方程。所述的弹道轨迹方程是考虑了射流破碎过程和液滴在空中运动时的不规则形状，运动方程的表达式可参考文献(张锐，刘一川，朱德兰，等.考虑射流破碎和液滴形状的喷灌水运动轨迹改进模型构建及验证[J].农业工程学报，2023，39(5)：43
‑
52.)。
[0014]所述的弹道轨迹方程初始参数，是指喷盘流道出口截面的射流流速和仰角：将模拟获得的断面平均流速分别投影到XOY和XOZ平面上，根据断面平均流速在不同坐标轴上的投影分量和流速迹线图与坐标轴的夹角，采用以下公式计算得到。
[0015][0016][0017]式中v
a
为射流流速，m/s；v1为断面平均流速在XOY平面的投影，m/s；α为断面平均流速在XOY平面的投影与X轴的夹角，
°
；v2为断面平均流速在XOZ平面的投影，m/s；θ为断面平均流速在XOZ平面的投影与X轴的夹角，
°
；β为射流仰角，
°
。
[0018]与现有技术相比较，本专利技术具有以下有益效果：
[0019]1.本专利技术提出的一种基于CFD数值模拟和和弹道轨迹理论的旋转折射式喷头喷洒液滴分布计算方法，可以通过流速和迹线云图，还原旋转喷盘工作时，流道内复杂的射流分散破碎情况。
[0020]2.本专利技术提出的公式(1)和(2)，可以根据流速云图和迹线云图数据计算旋转喷盘流道截面数值模拟的流速和仰角，并以此作为弹道轨迹方程的初始参数，最终获得旋转折射式喷头喷洒液滴粒径和速度的径向分布拟合曲线。
[0021]3.对比现有旋转折射式喷头喷洒液滴获取方法：大多通过激光雨滴谱仪、视频雨滴谱仪和高速摄像机，成本高不宜推广；本专利技术基于数值模拟和理论计算，实现了旋转折射式喷头喷洒液滴分布的准确模拟，大大降低了液滴数据获取成本。
附图说明
[0022]图1为旋转折射式喷头喷洒液滴分布计算方法流程图；
[0023]图2为旋转折射式喷头喷洒射流
‑
液滴分布示意图；
[0024]图3为基于三维扫描技术的旋转喷盘结构图；
[0025]图4为三维模型网格划分图；
[0026]图5为旋转喷盘流速分布云图；
[0027]图6为旋转喷盘流动迹线图；
[0028]图7为旋转喷盘出口流速v
a
和仰角β的投影分解示意图；
[0029]图8为旋转喷盘出口流速v
a
在XOY平面的投影示意图；
[0030]图9为旋转喷盘出口流速v
a
在XOZ平面的投影示意图；
[0031]图10为100kPa喷洒液滴粒径分布模拟值与试验值对比图；
[0032]图11为100kPa喷洒液滴速度分布模拟值与试验值对比图。
[0033]图中标号代表：1喷嘴，2旋转喷盘，3CFD数值模拟区域，4液滴，5弹道轨迹方程模拟区域，6射流。
具体实施方式
[0034]为了更清楚的说明本专利技术提供的一种旋转折射式喷头喷洒液滴分布计算方法，以Nelson R3000喷头为例，根据图1所示的计算方法流程和图2所示的1喷嘴，2喷盘，3CFD数值模拟区域，4液滴，5弹道轨迹方程模拟区域，6射流，对本专利技术的技术方案进行详细说明。
[0035]首先，选定Nelson R3000喷头的喷嘴1直径为6.2mm，喷盘2为红色，根据步骤1，基于逆向建模的思路，采用激光扫描技术分别获得喷嘴1流道和喷盘2流道的三维结构，分别输出喷嘴1流道结构和喷盘2流道结构的stp格式文件，参阅图3；
[0036]其次，根据步骤2，将喷嘴1流道结构和喷盘2流道结构的三维模型分别导入CFD软件中，按照喷嘴1和喷盘2中心在位于同一条水平线，距离为1.2cm，装配喷嘴1和喷盘2流道结构，设置外流域形态为圆形，尺寸为喷洒半径的10倍，绘制非结构化网格，参阅图4，选取标准k
‑
ε模型，设置出口边界条件为压力出口，设定工作压力为100kPa，安装高度为1.5m，转速为120r/min，开展数值模拟；
[0037]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋转折射式喷头喷洒液滴分布计算方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1，采用三维激光扫描技术对喷嘴流道结构和喷盘流道结构进行逆向建模，获得喷嘴和喷盘的三维模型，分别输出喷盘和喷嘴流道结构的stp格式文件；步骤2，将三维模型导入CFD软件中，装配喷盘和喷嘴流道结构，绘制网格，选取控制方程，设置边界条件，开展数值模拟；步骤3，输出喷盘流道出口截面的流速和迹线分布云图；步骤4，将流速和迹线云图导入tecplot后处理软件，根据计算公式和提取喷盘流道出口截面的射流流速和仰角，其中v
a
为射流流速，m/s；v1为断面平均流速在XOY平面的投影，m/s；α为断面平均流速在XOY平面的投影与X轴的夹角，
°
；v2为断面平均流速在XOZ平面的投影，m/s；θ为断面平均流速在XOZ平面的投影与X轴的夹角，
°
；β为射流仰角，
°
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱德兰，张锐，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：