本文系国家星火计划项目“丘陵山区果园微灌水肥药一体化技术示范与应用”(项目编号:2015GA690006)的部分研究内容。水药一体化微喷头能够实现低压条件下对作物根部进行灌溉,中压条件下对作物的叶片背面进行施药喷洒,在实现葡萄作物水药一体化系统过程中具有重要的研究意义和应用价值。本文采用正交试验、数值模拟、PIV测量技术相结合的方法,对水药一体化微喷头的结构进行优化设计,寻找关键结构参数对喷头喷洒性能的影响规律。主要研究内容如下:(1)对果园喷灌系统水药一体化微喷头的关键结构进行了优化设计。通过对水药一体化微喷头结构及工作原理的分析,采用正交试验研究喷头出口直径、出水小圆孔数量、出水小圆孔直径、通水斜切槽数量和通水斜切槽宽度等参数对喷洒水力性能的影响,获得了水药一体化微喷头的最佳结构参数。结果表明:综合低压和中压两种工况下,喷头关键结构参数对喷洒水力性能影响的主次顺序为:喷头出口直径、出水小圆孔直径、通水斜切槽数量、通水斜切槽宽度、出水小圆孔数量;喷头的最优结构参数为:喷头出口直径为3mm,出水小圆孔数量为3个,出水小圆孔直径为2mm,通水斜切槽数量为3个,通水斜切槽宽度为0.8mm。(2)掌握了喷头关键结构参数对内部流场的影响及变化规律。采用CFD数值模拟的方法,揭示了喷头水小圆孔数量、出水小圆孔直径、通水斜切槽数量和通水斜切槽宽度结构参数对喷头内流场的影响及变化规律。结果表明:出水小圆孔数量为3个时,在150kPa低压条件下,喷头的射程较大;当出水小圆孔直径为2mm时,满足在150kPa低压条件下喷洒高度较低,在350kPa中压条件下喷洒高度较高的研究预期要求;当通水斜切槽数量为3个,通水斜切槽宽度为0.8mm时,在低压条件下,喷头具有较小喷洒高度和较大射程,符合预期要求。(3)对喷头优化前后外流场射流速度及末端水滴平均直径进行了对比研究。采用PIV测量技术对优化前后喷头进行了外流场的测量对比试验。结果表明:随着工作压力的增加,外流场最大流度逐渐增大,在同一工作压力下,优化后喷头的外流场最大速度是优化前喷头的1.14~1.92倍,说明优化后喷头的能量转换效率较优化后更高。在相同压力条件下,优化后的喷头喷洒末端水滴平均直径要小于优化前,雾化效果更为显著。(4)对喷头优化前后水力性能进行了对比研究及评价。将优化前喷头和优化后喷头在不同工况下进行了水力性能对比试验。结果表明:在中低压工作条件下,优化后喷头流量均低于优化前;优化后喷头较优化前的喷洒净高度曲线斜率呈一稳定值;同时优化后喷头的极限射程和喷洒均匀性系数均有较大提高,极限射程提高了23.5%,喷洒均匀性最多提高了16.15%。优化后喷头的水力性能要优于优化前喷头,且水力性能完全符合预期要求。采用功效系数评分法,对优化前后喷头的喷洒性能进行了综合评价,结果表明:优化喷头的喷洒性能要优于优化前喷头。