20PY2摇臂喷头低压液气射流试验研究

摘 要：掺气摇臂喷头是一种基于液气两相流理论设计的新型摇臂喷头，为研究该喷头低压下喷灌均匀程度、结构优化特点和喷灌系统的改善，以摇臂喷头为参照物，采用高速摄影技术分析了液气射流的特征。试验研究的影响因素为工作压力，评价指标为气柱特征长度、气柱脉动频率和射流破碎长度。试验结果表明：①气柱脉动频率和特征长度随工作压力增大而增大，在200 kPa和300 kPa下，气柱脉动频率分别为75 Hz和140 Hz，气柱特征长度分别为7.7 mm和8.0 mm；②水射流掺气是改变射流破碎长度的重要因素；③两种工况下，液气两相射流的破碎长度比水射流的短约14.7%，其分散效果较好、对应的喷灌均匀度较高；④通过研究获得了射流破碎长度与射程经验公式，其具有一定的适用范围。研究结果可为掌握液气射流特征提供依据，为揭示液气射流原理提供技术支撑。

关键词：掺气摇臂喷头；液气两相射流；高速摄影；低压；射流破碎长度

中图分类号：S277.9+4 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2025）1-146-6

DOI：10.19345/j.cnki.xckj.1674-7909.2025.01.026

0 引言

节能、节水始终是节水灌溉装备的发展主题［1］。在喷灌装备应用中，摇臂喷头工作中存在能耗较高的问题，如何实现维持低压喷灌效果且能耗更低成为喷头发展的技术难点之一。在射流技术应用领域，气液两相射流形式具有雾化程度较高、液滴颗粒小的特点，在内燃机油嘴［2-3］、喷雾除尘［4-5］、农药喷洒［6］及农田喷灌［7］等领域广泛应用。借鉴其他领域先进行业技术提高喷头低压下的分散效果，为喷灌技术发展提供了新的思路。

在液气两相射流的分散效果研究中，LEFEBVRE等［8］在消防雾化喷嘴方面的研究发现，喷嘴中含有少量的气体可以使射流的分散效果更好；刘联胜［9］通过气泡雾化喷嘴研究其下游液滴平均直径的变化状况，总结出喷嘴较近距离内的气泡影响射流碎裂及液滴分散的结论；徐方等［10］通过小孔把气体注入流动的液体形成悬浮的小气泡，流经混合室进一步混合及喷嘴喷出后形成均匀气泡的两相流，其中气泡对液体的挤压使其爆破形成喷雾。以上学者的研究可论证，将一定量的气体注入摇臂喷头的水射流中可以影响射流破碎、液滴分散，从而起到干扰水量分布的作用。基于以上研究，许正典［11］、向清江等［12］结合液气两相射流形式和学者对摇臂喷头基础理论、设计方法和水力性能等［13-17］方面研究成果，设计制作了掺气摇臂喷头，并针对其低压下的水量分布、液滴特性等开展了细致的研究。为了揭示掺气摇臂喷头液气射流的破碎、雾化过程，笔者针对该类型喷头液气射流的特征开展了研究。

射流破碎长度、液滴直径等为衡量射流效果的主要指标，受射流装备的工作压力和喷嘴直径等因素的影响，其研究方法通常为理论分析、数值模拟和实验研究。韩文霆等［18］通过三种研究方法总结出影响射流碎裂长度、液滴直径等的主要因素是喷嘴直径和工作压力，得出射流碎裂长度与韦伯数的关系。JIANG等［19］采用高速摄影和数值模拟的方法，发现射流破碎长度理论值、实验值和模拟值的契合度较高，相对误差保持在10%以内，并且得出射流破碎长度与射程的关系公式。张锐等［20］通过数值模拟建立了射流破碎和液滴形状的喷洒水运动轨迹改进模型，解决了现有弹道轨迹模型过度简化运动液滴的破碎过程及形状变化导致模型精度不足的问题，为应用弹道轨迹模拟喷洒液滴分布特征提供新思路。以上研究成果，为掺气摇臂喷头液气射流特征的研究分析提供了技术支撑。

由于掺气摇臂喷头液气射流中存在脉动气柱，试验以气柱特征（即气柱脉动频率、气柱特征长度）和射流破碎长度为测定指标，运用高速摄影技术，开展低压下的射流碎裂规律研究。该研究有益于摇臂喷头节能、结构优化及改善喷灌系统的性能。

1 材料与方法

1.1 掺气摇臂喷头结构及工作原理

掺气摇臂喷头是一种采用具有气液两相射流喷头的摇臂喷头结构，在喷管液体流道内插入一根掺气管道，具体结构如图1所示。试验选用20PY2型摇臂喷头，依据旋转式喷头国家标准规定［21］，主喷嘴直径为7.0 mm。由于新结构增加了掺气管道，其占用了一定的管道通量，经计算和试验验证，20PY2型掺气摇臂喷头主喷嘴直径应为8.3 mm，掺气管内径和副喷嘴内径分别为2 mm和4 mm。图2为喷嘴与掺气管的位置关系及坐标，0点为起点，x轴方向为正方向，锥角θ为45°，掺气管伸缩量L'可调整范围为-3～2 mm。本文取L'为0 mm。

试验介质为水和空气。如图1所示，在设定压力下，水流以一定初速度经过收缩的喷管在喷嘴出口处喷出。由于掺气管两端与大气相通，水流流过掺气软管喷嘴端面时，在液体的黏性作用下，掺气管喷嘴端面形成真空状态，掺气软管两端产生压差，形成引射效应；空气被吸入掺气软管并在喷嘴处喷出时形成气柱，水射流包裹、卷吸气柱中的空气，从而达到气液两相混合的效果。

1.2 试验方法

为研究气液两相流效果对喷灌均匀性的改善情况，该试验采用同流量喷头，在相同压力下对液气两相射流和水射流的射流破碎状况展开分析。试验工作压力设定为150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa。试验器材选用i-SPEED 3摄像机，设定帧速率10 000 fps，试验过程中随机进行3次数据收集并取其平均数值，主要研究射流特征信息，包含气柱特征和射流破碎段（即射流一次破碎）等。高速摄影装置及实验台如图3所示。

2 试验结果和分析

2.1 气柱特征

图4和图5分别为掺气摇臂喷头在200 kPa和300 kPa设定压力状态下的液气射流气柱特征。该特征表现主要通过气柱脉动频率和气柱特征长度来衡量，其中气柱脉动频率采用时间进行度量。由图可知，在掺气摇臂喷头喷嘴出口处圈定的射流水柱中含有白色气相连续段，连续观测每帧照片后，发现水流与气体相融合，气柱长度先减小再恢复至原位置，并以此呈现周期性变化现象。该变化表明水射流过程是以脉动的形式掺入空气。

由图4可知，连续观测的气柱脉动周期时间为0.017 3 s～0.031 0 s，气柱脉动频率约为73 Hz，结合其他时间段内的气柱脉动周期，脉动频率平均值约为75 Hz。在气柱脉动过程中，气体掺入水射流后并未立刻破碎，而是被水射流拉长、分解。根据参照比迟的测量，掺气摇臂喷头200 kPa时的气柱特征长度约为7.7 mm。由图5可知，气柱脉动周期时间为0.025 7 s～0.032 7 s，气柱脉动频率约为142.8 Hz。结合其他时间段内的气柱脉动周期，脉动频率平均值约为140 Hz；根据参照比迟的测量，掺气摇臂喷头300 kPa时的气柱特征长度为8.0 mm，略大于200 kPa的。

经观测，150 kPa和250 kPa下的气柱特征长度均约为7.8 mm，脉动频率分别为87 Hz和112 Hz。综合上述研究可知，随着工作压力的增加，掺气摇臂喷头气柱脉动频率和气柱特征长度均增大，气体破碎的过程随之加快。

2.2 射流破碎段

两种喷头在200 kPa和300 kPa下的射流破碎过程如图6所示，其射流初始段均具有一定的稳定性，表面波和振幅均很小；在射流下游，受外界或外界与内部气体的联合作用，射流表面出现一定频率的振动波。因此，需要对掺气水射流的稳定性做出进一步探讨。

射流破碎长度是从水射流主体第一次破碎的位置至喷嘴出口的距离，是衡量射流特征及其稳定性的重要指标之一。由图6可知，在200 kPa和300 kPa下，掺气摇臂喷头和摇臂喷头的射流破碎长度分别为86.0 cm、93.9 cm和101.2 cm、109.8 cm，液气两相射流的破碎长度比水射流的短约14.7 %。结合掺气摇臂喷头150 kPa和250 kPa压力下的射流破碎长度为80.1 cm和92.2 cm可知，随着工作压力的增加，喷头射流破碎长度逐渐变长。综合以上研究可知，水射流掺气是影响射流破碎长度的重要因素。

由图6所示的射流连续段和破碎段可知，水射流的振动，使掺气水流逐渐变成不规则的大团块水滴，水滴间的连接水丝逐渐变小至破碎。水射流掺气后，振动频率使射流破碎提前发生，理论上增加了喷头水射流末端不规则水滴的碰撞和分裂次数，从而达到改善喷头喷灌均匀性的效果。

3 液气射流破碎长度与射程的关系

Baron提出的湍流圆柱液体碎裂长度经验式见式（1）［22］。

[Lb=538d0We0.5lRe-0.625l] （1）

式（1）中：Lb为射流破碎长度，cm；d0为喷嘴直径，mm；We为韦伯数，常量；Re为雷洛数，常量。

掺气摇臂喷头在4个不同工作压力下的射流破碎长度试验值与理论值的对比如表1所示，喷嘴直径d0=8.3 mm，试验值为每个工作压力下的3次试验平均值，测量精确到厘米级。射流破碎长度的试验值约为理论值的1.5倍，因此笔者以此倍数对理论值进行修正。

以上射流破碎长度试验值均在掺气摇臂喷头不旋转工作时得到，为了达到预测该状态下射程（R）的效果，笔者将射程与破碎长度（Lb）、喷头工作压力（P）相关联，获得拟合公式，见式（2）。

[R=1.128L0.6862BP-0.0139]" " （2）

式（2）中：R为射程，m；Lb为破碎长度，单位为cm；P为工作压力，kPa。

该公式较好映射出射程的变化趋势，其与实测射程的误差精度小于0.3 %。除此之外，该公式也可根据射程得出射流破碎长度，从而为掌握掺气摇臂喷头的射流特征提供依据。其中，喷嘴直径参数隐含于射流破碎长度计算式中，且公式（2）仅适用工作压力150～300 kPa的部分，其他工作压力范围有待进一步研究探讨。

4 结束语

采用高速摄影的方式探究液气两相射流特性（即气柱特征长度、气柱脉动频率和液气射流破碎长度），得出射程与液气射流破碎长度的关系，有益于降低摇臂喷头的能耗，为改善掺气摇臂喷头的喷灌均匀性和结构的优化提供理论依据。具体结论如下：

①掺气摇臂喷头的气柱脉动频率和特征长度均随工作压力的增大而增大。其中，工作压力200 kPa时的气柱脉动频率和长度分别约为75 Hz和7.7 mm，工作压力300 kPa时的气柱脉动频率和长度分别约为140 Hz和8.0 mm。

②水射流掺气是改变射流破碎长度的重要因素。在两种工况下，液气两相射流的破碎长度比水射流长度短约14.7%。射流破碎长度的缩短理论上增加了不规则水滴的碰撞和分裂次数，可以改善喷头喷灌均匀性。

③研究获得了掺气摇臂喷头液气射流的破碎长度与射程的经验公式。该公式具有一定的压力适用范围，可预测射程和射流破碎长度，为研究液气射流的特征提供了依据。

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Experimental Study on Low Pressure Liquid-gas Jet of 20PY2 Impact Sprinkler

XU Zhengdian1，2 XIANG Qingjiang3

1.Jiangsu Province Robot and Intelligent Equipment Engineering Technology Research and Development Center，

Suzhou 215104， China;2.School of Mechanical-Electrical Engineering， Suzhou Vocational University， Suzhou 215104， China; 3.National Research Center of Pumps， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China

Abstract：Aeration impact sprinkler is a new sprinkler which includes liquid-gas two-phase jet theory. In order to study the reasons for the high value of sprinkler irrigation uniformity under low pressure， optimization of the sprinkler structure and improve the level of sprinkler irrigation sys ⁃ tem， the characteristics of liquid-gas jet were analyzed by high-speed photography technology with the reference to the impact sprinkler. In this paper， the influencing factor was the working pressure， and the evaluation indexes were characteristic length of air column ， pulsation frequency of air column and jet break-up length. The results were as follows： Characteristic length and pulsation fre ⁃ quency of air column increase with the increase of working pressure， pulsation frequency of air col⁃ umn is 75 Hz and 140 Hz， and characteristic length of air column is 7.7 mm and 8.0 mm respectively at 200 kPa and 300 kPa. Water jet with aeration is an important factor to change thejet break-up length. Under the two conditions， the break-up length of the liquid-gas two-phase jet is about" 14.7% shorter than that of the water jet， and the dispersion effect is better and the value of the corresponding sprinkler irrigation uniformity is higher. The empirical formulas of jet break-up length and range were obtained， which have some applicable fields. The characteristics of liquid-gas jet were mastered and the principle of liquid-gas jet was revealed by the above results.

Key words：aeration impact sprinkler; liquid-gas two-phase jet; high-speed photography; low pressure;jet break-up length

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51379090）；苏州市职业大学校级项目（KY202304003）。

作者简介：向清江（1974—），男，博士，副研究员，研究方向：流体机械水射流技术。

通信作者：许正典（1989—），男，博士，讲师，研究方向：节水灌溉技术与装备。