负压反馈射流喷头脉冲特性及其影响规律

王新坤，姚吉成，徐胜荣，靳彬彬，丁师伟

负压反馈射流喷头脉冲特性及其影响规律

王新坤1，姚吉成1，徐胜荣1，靳彬彬1，丁师伟2

（1. 江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江 212013；2. 山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，泰安 271000）

脉冲特性对负压反馈射流喷头的水力性能有着重大影响，也是区别于其他类型灌溉喷头的典型特征，为了系统性研究负压反馈射流喷头的脉冲特性，进一步掌握负压反馈射流喷头的设计方法。该文针对负压反馈喷头的工作原理和喷洒机制进行了深入分析，确定了高频率、高压力振幅的喷头结构优化方向。对影响喷头脉冲特性的主要因素（包括位差比、侧壁倾角和劈距比）及其耦合对脉冲特性的影响分别进行了研究，确定了具有较好脉冲特性的喷头结构参数设计区间，并探究了不同因素对脉冲特性的影响规律。结果表明，脉冲频率随位差比、劈距比变化的减缓转折点分别为位差比0.525、劈距9；压力振幅随位差比增加而增加，增缓转折点为位差比0.450、侧壁倾角，劈距比与压力振幅的关系呈先增后减趋势，增转减转折点分别约为侧壁倾角12°、劈距比9。通过正交试验，采用极差分析法，计算相对影响指数，得到影响喷头脉冲特性的因素主次顺序为：位差比、劈距比、侧壁倾角，提出了最优脉冲结构参数：位差比0.450、侧壁倾角10°、劈距比7。研究可为国产新型负压反馈射流喷头后续优化研究提供参考。

喷头；压力；数值分析；射流；脉冲频率；正交试验

0 引 言

农业是国民经济的基础和命脉，也是传统的用水大户。中国农业用水量高达60%，部分地区甚至高达70%以上，但现阶段全国农田灌溉水利用系数在0.55左右，相比发达国家较低，节水潜力巨大[1-3]。农业节水已成为缓解中国水资源短缺的必然选择与根本出路。喷灌是解决农业灌溉缺水的最有效技术之一[4-8]。喷头是喷灌系统的核心设备，其性能好坏会直接影响喷灌系统整体的喷灌效果。目前，国内喷头技术主要沿用PY系列摇臂式喷头，这种喷头具有性能稳定和适用范围广等优点，但是存在结构复杂、寿命较短的问题[9-11]。

全射流喷头是一种反作用式旋转喷头，它利用射流的附壁效应完成喷头的直射、步进和反向功能，具有结构简单，水力性能好等优点[12-16]。王新坤[17]依据射流附壁效应设计了一种具有脉冲特性的负压反馈射流喷头。随后，其团队[18]对负压反馈射流喷头的射程、喷灌强度、水量分布及喷洒均匀性分别进行了研究，并与PY210A型摇臂式喷头进行了水力性能对比，结果表明，负压反馈射流喷头水力性能较优，具有较好的发展前景。脉冲作为负压反馈射流喷头的重要特性，对喷头的转动特性，射程、喷灌强度以及灌水均匀性有着重大影响，因此有必要针对脉冲特性的影响因素及其对喷头水力性能的影响机制进行系统性研究。本文从喷头的设计原理出发，从理论上分析脉冲特性（包括压力振幅，脉冲频率）对负压反馈射流喷头的喷洒机制和喷头水力性能的影响，以确定基于脉冲特性的负压反馈射流喷头内部结构优化方向；通过模拟试验探究不同结构因素对脉冲特性的影响规律，对脉冲形成机理进行分析，并采用正交试验方法确定喷头最优内部结构，以期为国产新型负压反馈射流喷头后续优化研究提供参考。

1 负压反馈射流喷头结构、设计机理与喷洒机制

1.1 喷头结构

图1为负压反馈射流喷头总装图，主要包括旋转密封机构、射流元件、喷管和喷嘴等。其中射流元件的内部结构决定着喷头是否具有稳定的脉冲效果，主要影响因素为位差比、侧壁倾角和劈距比，为射流元件进口宽度。位差为射流元件进口离侧壁的最小距离，即主射流与侧壁的最小距离。位差较大，较容易形成低压涡流区，但是会出现射流还未附壁就换向的微小振荡状态、位差较小，射流较难附壁。原因是如果侧壁远离主射流，低压涡旋强度减弱，主射流就不容易弯曲偏转。反之，如果两侧壁过于接近，射流与两侧壁之间都易形成低压旋涡，而成为附着于两侧的扩散流[19-21]。为射流元件侧壁与中心轴线的夹角。侧壁倾角过大，射流离壁面距离较远，射流两侧低压涡旋强度和压差较小，因此，难以附壁、侧壁倾角过小，涡区形成位置上移，导致射流附壁点上移，喷头整体长度增加。劈距为射流元件进口末端距分流劈的最小距离。劈距过小，容易形成两侧扩散流、劈距过大，射流集中性减弱，不利于射流的卷吸作用，同时会导致喷头整体结构变长。设定喷头的进口公称直径为10 mm，导流段收缩角为16°，分流劈直径4 mm；主副喷管直径7 mm，长度56 mm，仰角30°；主副喷嘴直径4 mm。导流段后面为射流元件进口，考虑到喷头整体大小，设计进口宽度为4 mm，深度8 mm。根据现有的研究成果[22-24]，初步设计为0.3～0.6、为6～10、为8°～16°。

1.旋转密封机构 2.喷头进口 3.空心轴 4.扭力弹簧 5.橡胶垫片 6.导流段 7.射流元件进口 8.左侧反馈口 9.右侧反馈口 10.左侧壁面 11.右侧壁面 12.主喷管 13.副喷管 14.分流劈 15.主喷嘴 16.副喷嘴 17.驱动板

1. Rotating sealing mechanism 2. Nozzle inlet 3. Hollow shaft 4. Torsion spring 5. Rubber gasket 6. Diversion section 7. Jet inlet 8. Left feedback port 9. Right feedback port 10. Left side wall 11. Right side wall 12. First draft tube 13. Secondary draft tube 14. Splitter plate 15. Main nozzle 16. Second nozzle 17. Driver baffle

注：为喷头进口直径；为进口段收缩角；为进口宽度；为位差；为劈距；为侧壁倾角

Note:is sprinkler inlet diameter, mm;is sprinkle inlet section contraction angle, (°);is inlet width, mm;is the shortest distance between inlet and side wall, mm;is distance from inlet to concave, mm;is side wall inclination, (°).

图1 负压反馈射流喷头的结构剖面图

Fig.1 Structure diagram of negative pressure feedback jet sprinkler

1.2 喷头工作原理

当射流刚进入喷头内部时，基于射流的康恩达效应[25]，主射流会向一侧壁面偏转附壁。图2为主射流附壁右侧示意图，当主射流附壁右侧时，由于高速水流的卷吸作用，会在右侧壁面靠近反馈口附近产生低压区，此时右侧反馈口进行补气，主射流偏转至左侧附壁，同理左侧反馈口进行负压补气，主射流偏转至右侧。以此类推，射流会不断地进行周期性附壁和切换，主射流会从喷头的主副喷嘴间歇性地射出。

1.3 喷洒机制

有别于传统灌溉喷头，由于负压反馈射流喷头独特的脉冲特性，其喷洒机制具有以下明显特点：

1）主副喷嘴出射水流均具有明显的脉冲水帘效果，喷洒效果较好。主副喷嘴均具有最远和最近的双射程喷洒机制。当主射流完全偏转至主喷嘴时，主喷头射程达到最远，此时副喷嘴处偏转水流较少，副喷嘴射程较近；同理，当主射流完全偏转至副喷嘴时，副喷嘴射程达到最远，主喷嘴射程最近。基于脉冲特性，喷头喷洒过程会在这2种喷洒机制中进行连续交替切换，较好地保证了近中处的喷洒效果。

2）脉冲频率越高，出射水流间断次数越多，射流在空中雾化效果越好、同时射流打击挡板的频率也越高，喷头步进角度越均匀连续，整体喷洒越均匀。

3）压力振幅越大，主射流偏转率越高，偏转流量越大，喷头射程越远、同时驱动力也越大，满足了低压条件下的转动需求。

因此，负压反馈喷头的结构优化，应该以脉冲频率，压力振幅最优为标准。

1.射流进口 2.右侧反馈口 3.左侧反馈口 4.低压涡流区 5.分流劈

1.Jet inlet 2.Right feedback port 3.Left feedback port 4.Low pressure vortex zone 5.Split structure

注：箭头方向为水流方向。

Note: Arrow is flow direction.

图2 主射流附壁右侧示意图

Fig.2 Schematic description of right-wall for main flow

2 喷头结构参数与脉冲特性关系数值模拟

2.1 数值计算方法及参数设置

设计负压反馈射流喷头的三维结构，导入CFD—ICEM中进行四边形非结构网格划分，并在喷头过渡段对网格进行局部加密，来提高网格整体质量，网格数量78 936，网格质量在0.39以上。三维模型及网格划分如图3所示。采用Fluent软件对喷头的脉冲特性进行模拟研究。内部流动方程与湍流模型分别采用三维N-S方程和RNG-湍流模型、射流喷头的进口边界条件为压力0.25 MPa，压力出口为0、模拟过程采用瞬态模拟，时间步长0.001 s，收敛精度为10-4、求解采用SIMPLE算法和二阶迎风格式计算，计算过程中不考虑重力影响、质量交换和热量交换等因素。

图3 负压反馈射流喷头三维模型和网格划分

2.2 模拟结果与分析

2.2.1 位差比、侧壁倾角和劈距比的耦合分析

研究采用控制变量法，在数值模拟中控制位差比、侧壁倾角和劈距比3个因素中任意2个保持不变依次改变第3个变量，分析其对脉冲特性的影响。通过125（5×5×5）组射流元件结构的射流喷头进行数值模拟分析，其中位差比设置0.300、0.375、0.450、0.525、0.600，侧壁倾角设置8°、10°、12°、14°、16°，劈距比设置6、7、8、9、10。最终得到了64组主射流具有稳定脉冲切换效果的结构。以位差比作为单一变量整理得到了不同位差比下具有较好脉冲特性的喷头结构参数设计区间，结果如图4所示。

注：s/w为位差比，H/w为劈距比，下同。

由图4可以看出，不同的位差比条件下，侧壁倾角和劈距比的有效设计区间区别较大。当位差比为0.300时，由于位差较小，只有在较大侧壁倾角下，射流才能进行附壁和切换，具有较好脉冲特性的结构参数的设计区间相对较小；当位差比为0.375、0.450时，位差大小较为合适，在大部分设计劈距和侧壁倾角范围内，射流均具有较好脉冲特性，结构参数的设计区间较优；当位差比为0.525、0.600时，由于位差比较大，射流较难附壁，只能通过减小侧壁倾角和劈距比来相应缩短射流与壁面的距离，实现射流的附壁切换，同时当侧壁倾角和劈距均较大时，射流仍有机会形成脉冲，主要是因为此时射流两侧空间较大，能够形成较大的低压涡流，射流两侧压力差较大，在一定程度上补偿了大位差时射流所需的附壁力。

2.2.2 位差比、侧壁倾角和劈距比对喷头脉冲特性的影响

为了更准确地得到各关键结构参数对喷头脉冲特性的影响规律。以位差比为例，在模拟结果中选出在上述5中位差中至少4种位差比下均具有脉冲效果的侧壁倾角与劈距比组合，其中有6组结构组合符合要求，针对6种不同侧壁倾角与劈距比组合下的脉冲频率，压力振幅与位差比的关系进行对比分析，结果如图5a和图5b所示。同理进行筛选分析得到脉冲频率，压力振幅与侧壁倾角，劈距比的关系分别如图5c～图5f所示。

由图5a和图5b可以看出，随着位差比增大，脉冲频率呈递减趋势，当位差比大于0.525时，脉冲频率的减小趋势逐渐放缓；压力振幅随着位差比增大呈递增趋势，当位差比大于0.450时，压力振幅的增大趋势也开始放缓。

由图5c和图5d可以看出，随着侧壁倾角增大脉冲频率变化幅度较小；当侧壁倾角从8°增加到12°左右时，压力振幅逐渐增大，当侧壁倾角从12°左右增加到16°时，压力振幅逐渐减小。仅当为9，为0.450时，在侧壁倾角为12°～16°时，压力振幅随侧壁倾角增大呈现先减后增趋势。

由图5e和图5f可以看出，随着劈距比增大脉冲频率逐渐减小趋势，当劈距比大于9时，脉冲频率的减小趋势放缓；随着劈距比增大，6种组合下中的5种结构下压力振幅呈先增大后减小趋势。当劈距比从6增加到9时，压力振幅逐渐增大；当劈距比从9增加到10时，压力振幅逐渐减小。仅当为0.375，为16°时，在劈距比为9～10时，压力振幅随劈距比增加呈现缓慢增加趋势。

以脉冲频率和压力振幅作为评价脉冲性能评价指标，综合考虑数值模拟结果与各因素对脉冲特性影响趋势，确定能产生良好脉冲特性的射流元件结构参数的设计范围：位差比取0.375～0.525，侧壁倾角取10°～12°，劈距比取7～9。

图5 关键结构参数对喷头脉冲特性的影响

3 基于脉冲特性的结构参数正交试验

3.1 试验因素

为了进一步得到各结构参数对脉冲特性的影响主次顺序，确定脉冲效果最优的结构尺寸。根据前文分析结果，选取位差比、侧壁倾角和劈距比作为试验因素，脉冲频率和压力振幅Δ作为试验评价指标进行正交试验，试验选用选用L9(34)正交表，、和分别代表、和，为空列。表1为因素水平表。

表1 正交试验因素水平

3.2 试验结果和分析

试验方案和结果分析如表2所示，表中包含1空白列（随机设置为第4列），空白列对试验结果没有影响。通过数值模拟，得到9组试验结果，其中试验1组的结构没有脉冲效果，剩余8组结构均具有稳定的脉冲效果，脉冲频率变化范围为11.2～19.2 Hz，压力振幅变化范围为0.046～0.102 MPa。

采用极差分析法对试验结果进行分析，由表2可知，对脉冲频率而言，极差R>R>R，因此影响脉冲频率的因素主次顺序为劈距比、位差比、侧壁倾角。根据前面对负压反馈射流喷头喷洒机制的介绍可知，脉冲频率和压力振幅越大越有利于喷头水力性能，根据正交试验结果，以脉冲频率为评价指标，可知脉冲频率最佳结构参数组合为231，即位差比0.450、侧壁倾角12°、劈距比7时，脉冲频率最高，为19.2 Hz。同理，对压力振幅而言，极差R>R>R，因此影响压力振幅的因素主次顺序为位差比、劈距比、侧壁倾角。压力振幅的最佳结构参数组合为313，即位差比0.525、侧壁倾角10°、劈距比9，压力振幅最大，为0.102 MPa。

为了分析各因素对射流附壁特性的影响程度，定义相对影响指数[26]为

式中为极差，k为表2中对应的值。越大，说明该因素对射流的脉冲特性影响越大。因素对脉冲频率和压力振幅的影响指数分别为40.5%和29.4%，说明因素对脉冲频率的影响较大；因素对脉冲频率和压力振幅的影响指数分别为15.6%和17.1%，说明因素对压力振幅的影响较大；因素对脉冲频率和压力振幅的影响指数分别为37.8%和22.8%，说明因素对脉冲频率的影响较大。综合考虑，得到脉冲效果最优的结构参数组合为211。

表2 正交试验方案设计与极差分析

4 脉冲特性研究

4.1 脉冲动态分析

为了研究负压反馈射流喷头内部射流的脉冲形成过程，对正交试验得到的脉冲效果最优喷头结构进行数值模拟，观察脉冲形成过程中的内部流场压力分布情况。

图6为射流喷头中间截面的总压变化图，通过图片可以直观地反映射流的脉冲形成过程和射流喷头的内部压力分布情况。当射流刚进入射流元件时，如0.01 s的压力图所示，射流保持直射状态，其左右两侧的压力基本相等，且射流两侧的压力小于射流的压力，射流运动过程中会带走两侧的静止流体，因此射流两侧逐渐形成低压涡流区。由于射流流动的不稳定性以及射流喷头内部微小的结构差异，射流两侧逐步形成压力差。0.03 s时射流左侧压力大于右侧压力，因此射流开始偏向右侧壁面。此时分流劈附近的低压区域较为突出，控制管内压力较小，基本没有压力水流流动；0.06 s时射流完全附着于右侧壁面，但是此时射流左侧压力明显小于右侧压力；0.09 s时射流开始偏向左侧壁面，并且控制管内压力突然变大，说明控制管内有压力水流流动，即存在负压反馈的过程。0.10 s时，射流完全附着于左侧壁面，但是随着压力水流不断经过控制管进行传递，到了0.11 s时射流右侧压力不断减小，射流又开始偏向右侧壁面。以此类推，射流会不断的进行附壁和切换的过程，因此主射流会从射流喷头的主副喷嘴间歇性地射出。

4.2 内部压力和出口压力特性

负压反馈射流喷头内形成脉冲射流的内在原因主要是射流两侧的压力差变化。通过数值模拟监测不同位置的射流两侧压力差，图7a和图7b分别为5种工作压力条件下，射流附壁左、右侧时不同射流断面压力差的变化曲线图。可以看出，射流附壁左、右侧时，随着射流断面与喷头进口面的距离的增大，射流两侧压力差绝对值均呈由大变小再到峰值的趋势，且随着工作压力变大，射流各断面压力差的绝对值也相应变大，压差变化趋势基本保持不变，变化范围为-0.06～0.11 MPa。不同工作压力下，射流两侧最大正压均出现在距喷头进口断面63 mm附近，这是由于射流附壁时高速水流的卷吸作用在附壁点壁面附近产生了强烈的旋涡流动，引起了较大压差；最大负压均出现在距离喷头进口面40 mm处，这是由于射流附壁时，两侧压差不均衡引起控制管内偏向流的运动造成的；距离喷头进口70 m处射流断面压力差也为负值，主要是因为射流偏转进入喷管后的撞击喷管内壁后射流换向形成的局部旋涡导致的。通过以上分析不难发现，在内部结构设计相同的情况下，不同压力工况下的喷头附壁点位置基本保持不变，这对于后续试验测定附壁点位置和稳流器的安装位置、进一步减少水头损失、提高喷头性能有一定的参考左右。

图6 脉冲动态分析

数值模拟过程中对负压反馈射流喷头的出口压力值进行监测。图8为当工作压力为0.20 MPa时，主副喷嘴出口面的压力变化曲线图。由图可知，出口压力呈周期性增大和减小的变化规律，射流具有稳定的脉冲效果，压力波动曲线类正弦波，压力振幅开始较小，但是很快就增大到一定值，并稳定保持在0.10 MPa左右，脉冲频率约为18 Hz。

图7 射流附壁时不同断面压力变化

注：P1 为主喷嘴出口压力；P2为副喷嘴出口压力；工作压力为0.20 MPa。

4.3 工作压力对脉冲特性的影响

除了结构参数外，工作压力也会对脉冲特性产生较大影响。设置工作压力为0.05～0.30 MPa，间隔0.05 MPa，不同工作压力下，射流喷头内均能形成脉冲射流，且脉冲过程非常稳定。图9为脉冲频率和压力振幅随工作压力的变化曲线图，由图可知，脉冲频率和压力振幅均随着工作压力增大而不断增大，符合抛物线关系变化，变化范围分别为8～24 Hz和0.015～0.125 MPa。在工作压力对脉冲特性影响的数值模拟过程中发现，工作压力越大射流的切换频率与压力振幅越大的内在原因主要是压力越大进口射流流速越大，射流的卷吸效果越显著，射流的切换频率也越大，这对针对射流进口尺寸与喷嘴尺寸的匹配设计减少喷头进口流速，流量损失提供了参考。

图9 工作压力对脉冲特性的影响关系

5 结 论

1）通过对负压反馈射流喷头的设计原理和喷洒机制进行理论分析，确定了高脉冲频率和高压力振幅的喷头优化方向。采用数值模拟及控制变量的研究方法，确定了能产生良好脉冲特性的射流元件结构参数的设计范围：位差比取0.375～0.525，侧壁倾角取10°～12°，劈距比取7～9；得到了各主要结构参数对喷头脉冲特性的影响规律。

2）通过正交试验，计算相对影响指数，得到了各因素对喷头脉冲频率影响的主次顺序为：位差比、劈距比、侧壁倾角；进一步确定了脉冲特性最优结构参数组合为：位差比0.450、侧壁倾角10°、劈距比7，即位差1.80 mm、侧壁倾角10°、劈距28.0 mm。对最优结构下的喷头，进行了模拟脉冲机理研究，并得出喷头工作压力与脉冲频率、压力振幅关系的抛物线型经验公式。

3）试验条件下的喷头脉冲频率与压力振幅难以测量，因此本文主要从模拟结果角度分析了脉冲形成机理，以及各个因素对脉冲特性的影响，后续需要探究可行的试验方案进行相应试验验证。除了结构参数对脉冲特性有影响，主射流的流速对高速射流卷吸附壁以及切换也具有一定影响，后续可针对这一点进行喷嘴和射流进口的匹配性结构优化研究。同时后续可针对主射流附壁点位置及方向，以减少水头损失提高喷头效能为目的，进行相应的结构优化研究。

[1]康绍忠. 贯彻落实国家节水行动方案推动农业适水发展与绿色高效节水[J]. 中国水利，2019(13)：1－6. Kang Shaozhong. National water conservation initiative for promoting water-adapted and green agriculture and highly-efficient water use[J]. China Water Resources, 2019(13): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[2]袁寿其，李红，王新坤. 中国节水灌溉装备发展现状、问题、趋势与建议[J]. 排灌机械工程学报, 2015, 33(1): 78－92. Yuan Shouqi, Li Hong, Wang Xinkun. Status, problems, trends and suggestions for water-saving irrigation equipment in China[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2015, 33(1): 78－92. (in Chinese with English abstract)

[3]国家发展改革委, 水利部关于印发《国家节水行动方案》的通知[EB/OL]. 2019-04-15 [2019-08-10]. http://www.ndrc. gov.cn/zcfb/gfxwj/ 201904/t20190418_933455. html

[4]喻黎明. 国内外几种主要喷头水力性能测试与评价[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2002. Yu Liming. The Test and the Remark of the Hydraulic Performance of Several Main Sprinklers at Home and Abroad[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2002. (in Chinese with English abstract)

[5]朱忠锐，范永申，段福义，等. 喷灌灌水与施肥对春小麦水分动态及产量的影响[J]. 排灌机械工程学报，2019，37(2)：174－178. Zhu Zhongrui, Fan Yongshen, Duan Fuyi, et al. Effects of sprinkler irrigation and fertilization on water dynamic and yield of spring wheat[J]. Journal of Drainage and Irrigation Engineering, 2019, 37(2): 174－178. (in Chinese with English abstract)

[6]严海军，刘竹青，王福星，等. 我国摇臂式喷头的研究与发展[J]. 中国农业大学学报，2007，12(1)：77－80. Yan Haijun, Liu Zhuqing, Wang Fuxing, et al. Research and development of impact sprinklers in China[J]. Journal of China Agricultural University, 2007, 12(1): 77－80. (in Chinese with English abstract)

[7]范兴科，吴普特，冯浩，等. 全圆旋转摇臂式喷头的非圆形域喷洒[J]. 灌溉排水学报，2006，25(1)：58－61. Fan Xingke, Wu Pute, Feng Hao, et al. Non-circular spray region of the round rotatory rocker arm sprinkler[J]. Journal of Irrigation & Drainage, 2006, 25(1): 58－61. (in Chinese with English abstract)

[8]严海军，徐成波，陆文红，等. 摇臂式喷头内流道流动分析与数值模拟[J]. 水利学报，2009，40(1)：122－127. Yan Haijun, Xu Chengbo, Lu Wenhong et al. Numerical simulation of internal flow field in impact sprinkler[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009, 40(1): 122－127. (in Chinese with English abstract)

[9]陈超，袁寿其，李红，等. 异形喷嘴对变量喷头水力性能的影响[J]. 农业机械学报，2011，42(12)：111－115. Chen Chao, Yuan Shouqi, Li Hong, et al. Effect of non-circle nozzle on hydraulic performance of impact variable-rate sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(12): 111－115. (in Chinese with English abstract)

[10]王子君，惠鑫，黎耀军. 摇臂式喷头喷嘴结构改进及水力性能试验研究[J]. 水利学报，2019，50(4)：1－9. Wang Zijun, Hui Xin, Li Yaojun. Optimization of nozzle structure and investigation on hydraulic performance of impact sprinkler[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2019, 50(4): 1－9. (in Chinese with English abstract)

[11]袁寿其，李红，王新坤，等. 喷微灌技术与设备[M]. 北京：中国水利水电出版社，2015.

[12]刘俊萍，袁寿其，李红，等. 全射流喷头射程与喷洒均匀性影响因素分析与试验[J]. 农业机械学报，2008，39(11)：51－54. Liu Junping, Yuan Shouqi, Li Hong, et al. Analysis and experiment on influencing factors of range and spraying uniformity for complete fluidic sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(11): 51－54. (in Chinese with English abstract)

[13]朱兴业，袁寿其，李红. 全射流喷头与摇臂式喷头的对比实验[J]. 农业机械学报，2008，39(2)：70－72. Zhu Xingye, Yuan Shouqi, Li Hong. Compared experiments between complete fluidic sprinkler and impact sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(2): 70－72. (in Chinese with English abstract)

[14]李红，袁寿其，谢福琪，等. 隙控式全射流喷头性能特点及与摇臂式喷头的比较研究[J]. 农业工程学报，2006，22(5)：82－85. Li Hong, Yuan Shouqi, Xie Fuqi, et al. Performance characteristics of fluidic sprinkler controlled by clearance and comparison with impact sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(5): 82－85. (in Chinese with English abstract)

[15]刘俊萍，袁寿其，李红，等. 全射流喷头射程与喷洒均匀性影响因素分析与试验[J]. 农业机械学报，2008，39(11)：51－54. . Liu Junping, Yuan Shouqi, Li Hong, et al. Analysis and experiment on influencing factors of range and spraying uniformity for complete fluidic sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(11): 51－54. (in Chinese with English abstract)

[16]袁寿其，朱兴业，李红，等. 全射流喷头内部流场计算流体动力学数值模拟[J]. 农业机械学报，2005，36(10)：46－49. Yuan Shouqi, Zhu Xingye, Li Hong, et al. Numerical simulation of inner flow for complete fluidic sprinkler using computational fluid dynamics[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2005, 36(10): 46－49. (in Chinese with English abstract)

[17]王新坤. 一种双喷嘴射流喷头及喷洒方法：CN105944856B [P]. 2019-01-08.

[18]王新坤，徐胜荣，樊二东，等. 全圆旋转射流喷头设计与水力性能试验[J]. 农业机械学报，2019，50(2)：132－137，146. Wang Xinkun, Xu Shengrong, Fan Erdong, et al. Structure design and hydraulic performance test of round rotatory jet sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(2): 132－137, 146. (in Chinese with English abstract)

[19]射流技术翻译组. 射流元件入门[M]. 北京：科学出版社，1969.

[20]陆宏. 喷射技术理论及应用[M]. 武汉：武汉大学出版社，2004.

[21]原田正一，尾崎省太郎. 射流工程学[M]. 陆润林，郭荣译. 北京：科学出版社，1977.

[22]邹久朋，刘学武，程蛟，等. 不同外激励参数下射流的附壁振荡特性[J]. 振动、测试与诊断，2017，37(6)：1201－1207，1282. Zhou Jiupeng, Liu Xuewu, Cheng Jiao, et al. Study on seismic response of cable-supported truss with self-centering energy dissipation brace[J]. Vibration, Measurement & Diagnosis, 2017, 37(6): 1201－1207, 1282. (in Chinese with English abstract)

[23]邹久朋，刘学武，程蛟，等. 射流附壁振荡器能效分析与提升[J]. 大连理工大学学报，2017，57(3)：233－240. Zhou Jiupeng, Liu Xuewu, Cheng Jiao. Analysis and improvement of energy efficiency of jet wall-attached oscillator[J] Journal of Dalian University of Technology, 2017, 57(3): 233－240. (in Chinese with English abstract)

[24]程蛟. 射流外激励切换附壁振荡特性与优化研究[D]. 大连：大连理工大学，2016. Cheng Jiao. Research on the Characteristic and Optimization of Wall-attaching and Oscillation in External Stimulation Jet[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2016. (in Chinese with English abstract)

[25]李红，袁寿其，向清江，等. 基于附壁射流理论的全射流喷头射流元件设计[J]. 江苏大学学报，2009，30(3)：274－278. Li Hong, Yuan Shouqi, Xiang Qingjiang, et al. Design of fluidic sprinkler’s jet component based on offset jet theory[J] Journal of Jiangsu University, 2009, 30(3): 274－278. (in Chinese with English abstract)

[26]曹卫东，刘光辉，刘冰. 两级离心泵径向导叶水力优化[J]. 排灌机械学报，2014，32(32)：663－668. Cao Weidong, Liu Guanghui, Liu Bing. Hydraulic optimization of radial guide vanes in two-stage centrifugal pump[J]. Journal of Drainage and Irrigation Engineering, 2014, 32(32): 663－668. (in Chinese with English abstract)

Pulse characteristics and its influence of negative pressure feedback jet sprinkler

Wang Xinkun1, Yao Jicheng1, Xu Shengrong1, Jin Binbin1, Ding Shiwei2

(1., Jiangsu University Zhenjiang 212013,; 2..,271000,)

The negative pressure feedback jet sprinkler is a new type of irrigation sprinkler independently developed by China. Its design principle is based on the Coanda Effect. Pulse (including pulse frequency and pressure amplitude) is an important feature of the sprinkler, which has a significant impact on the sprinkler's range, rotation characteristics and spray uniformity. At present, the mechanism of its influence on pulse characteristics has not been systematically studied. The main factors affecting the pulse characteristics of the sprinkle are ratio of the shortest distance between inlet and side wall to inlet width (SW), ratio of distance from inlet to concave to inlet width (HW) and sidewall inclination. In this paper, firstly, design interval of the pulse characteristic structure was obtained through 125 sets of numerical simulations. Secondly, by studying the influence of different factors on the pulse characteristics, the effects of main factors on the pulse frequency and pressure amplitude were obtained. The pulse frequency decreased with the increase of SW and HW, and the values of SW at the turning point of the falling rate was 0.525 and 9 respectively; The inclination of the sidewall inclination had little effect on the pulse frequency; The pressure amplitude increased with the increase of SW, and the value of SW at the point where the growth rate became smaller was 0.450. The pressure amplitude increased first and then decreased with the increase of sidewall inclination and HW, and the value of sidewall inclination and HW at the turning point was 12° and 9, respectively. Based on the above studies, a better design interval for the pulse characteristic structure was further determined. Finally, through four-factor three-level orthogonal test, pulse frequency and pressure amplitude were used as evaluation parameters, and range analysis and comprehensive scoring methods were used to obtain the sprinkler structure with optimal pulse characteristics and they were the shortest distance between inlet and side wall of 1.80 mm, the sidewall inclination of 10°, and the distance from inlet to concave of 28.0 mm. Furthermore, the computer simulation of the sprinkler under the optimal structural parameters was carried out. The numerical simulation obtained the pressure flow diagram during the working process of the sprinkler. A periodic dynamic analysis of the pulse formation process was performed through the pressure flow diagram. At the same time, the pressure difference between the two sides of the main jet was measured during the simulation. The results showed that the maximum positive pressure on both sides of the main jet appeared near 63 mm from the nozzle cross section at different working pressures. This was because the entrainment of the high-speed water flow when the jet was attached to the wall created a strong vortex flow near the wall of the attachment point, which caused a large pressure difference. The maximum negative pressure appeared at a distance of 40 mm from the sprinkler inlet, which was caused by the movement of the deflection in the control tube caused by the uneven pressure difference between the two sides of the jet when the jet was attached to the wall. The pressure difference across the jet at a distance of 70 mm from the sprinkler inlet was also negative, which was mainly caused by the jet deflected into the nozzle, hitting the inner wall of the sprinkler and forming a local vortex. In sum, with the same internal structure design, the position of the attachment point of the sprinkler under different pressure conditions remained basically unchanged. This study provides guidance to optimization of sprinkler structure and to improvement of sprinkler performance according to the characteristics of the high-speed jet Coanda.

nozzles; pressure; numerical analysis; jet flow; pulse frequency; orthogonal test

王新坤，姚吉成，徐胜荣，靳彬彬，丁师伟. 负压反馈射流喷头脉冲特性及其影响规律[J]. 农业工程学报，2020，36(4)：90－97. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.011 http://www.tcsae.org

Wang Xinkun, Yao Jicheng, Xu Shengrong, Jin Binbin, Ding Shiwei. Pulse characteristics and its influence of negative pressure feedback jet sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 90－97. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.011 http://www.tcsae.org

2019-10-10

2019-12-10

国家自然科学基金项目（51579116）

王新坤，研究员，博士生导师，主要从事节水灌溉理论与新技术研究。Email：xjwxk@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.011

S277.9+4

A

1002-6819(2020)-04-0090-08