随着水资源和能源的日益短缺,低压灌溉成为喷灌机技术发展的主要方向,国内外喷灌机配备的灌水器也从高压喷头过渡到低压喷头。低压折射式喷头因其诸多优点成为国内外喷灌机中应用最广的灌水器,折射式喷头根据喷洒原理分为非旋转折射式喷头和旋转折射式喷头。本文以国内喷灌机中常用的两种低压折射式喷头为研究对象,通过理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法,研究单喷头、喷头组合的水量及动能强度分布规律,以期为太阳能轻小型平移式喷灌机灌水器的选型和配置提供参考。主要研究内容包括以下几个方面:(1)以两种具有代表性的折射式喷头:非旋转折射式喷头Nelson D3000(蓝色喷盘)和旋转折射式喷头Nelson R3000(绿色喷盘)为研究对象进行室内喷洒性能试验,分析了喷嘴压力与流量关系,对比了两种喷头的射程,径向水量分布,并通过标准化计算得到单喷头水量分布及网格化数据。Nelson D3000型喷头喷洒水量集中在射程末端三分之一处,径向水量分布呈近似三角形分布形式。Nelson R3000型喷头的喷灌强度沿喷头射程方向分布相对均匀。Nelson D3000型喷头单喷头水量分布呈环状分布,每束射流的湿润部分与相邻两束中间无重叠部分。Nelson R3000型喷头湿润范围呈规则的圆环状。(2)首次将基于三维视频粒子测量原理的视频雨滴谱仪(Two dimensional video disdrometer,2DVD)应用到喷灌水滴粒径测试中。对Nelson D3000和Nelson R3000型喷头在多个工作压力下的水滴直径沿射程分布进行测试,分析了水滴直径沿射程的变化趋势及水滴速度、水滴角度与水滴直径之间的关系。两种喷头的体积加权平均水滴直径沿射程方向呈指数函数分布;水滴速度随水滴直径的增大呈对数函数关系增大;水滴角度随水滴直径的增加呈线性规律减小,随水滴直径的增大可分为三个变化区间。水滴直径与水滴速度、水滴直径与水滴角度之间的变化规律受工作压力影响较小。(3)在水量分布和水滴直径试验的基础上,计算对比Nelson D3000型喷头在50、100、150和200k Pa工作压力下,Nelson R3000型喷头在100、150和200k Pa工作压力下的单个水滴动能、单位体积水滴动能和动能强度,建立单个水滴动能与水滴直径关系,分析了单位体积水滴动能及动能强度沿射程方向的变化规律,通过标准化计算得到单喷头动能强度分布及网格化数据。通过对单喷头径向水量分布、水滴粒径和动能强度之间关系的分析,建议在喷头选型时,应选取喷灌强度沿射程方向减小的喷头,从而避免过大的喷灌强度在射程末端出现,引起射程末端动能强度的增大,产生地表径流。结合太阳能轻小型平移式喷灌机低能耗的配置要求,通过对比两种喷头的水量、水滴及动能强度分布。(4)以太阳能轻小型喷灌机为原型,对Nelson D3000型喷头在不同间距时的水量和动能强度分布进行研究。通过叠加法模拟50、100、150和200k Pa四个工作压力下,Nelson D3000型喷头在2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0m喷头间距时的水量和动能强度分布,计算不同间距下水量及动能强度分布均匀系数、喷头组合时横向水量和动能强度分布。通过对比分析,并结合太阳能轻小型喷灌机低压工作要求,提出配置Nelson D3000型喷头的最佳喷头间距为2.5m,工作压力50k Pa。(5)研究弹道轨迹理论在折射式喷头水滴运动模拟中的应用。应用高速摄像仪测试Nelson D3000型喷头射流离开喷头的速度及角度(射流从喷盘边缘射出时的速度和角度),建立射流速度和角度随工作压力变化关系,应用弹道轨迹运动理论建立的模型,模拟Nelson D3000型喷头的水滴运动、水滴速度、水滴落地时角度、单喷头单位体积水滴动能和动能强度、喷头组合下的水量及动能强度分布,并与2DVD测试结果比对。结果表明从喷嘴出来的射流打击喷盘后的动能损失率分别为24.2%、23.48%、21.9%和23.82%,将试验测得的射流速度和角度与弹道理论建立的模型相结合,能够准确模拟Nelson D3000型喷头水滴飞行轨迹、水滴速度、水滴落地时角度、单喷头单位体积水滴动能和动能强度、喷头组合下的水量及动能强度分布。