一种新型草坪喷头设计及分析

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1、http://www.paper.edu.cn一种新型草坪喷头设计及分析靳桂萍，陈涛北京航空航天大学，北京(100083)E-mail:jin.guiping@yahoo.com.cn摘要：本文通过对现有草坪喷头进行分析，设计出一种新型的草坪喷头，该喷头采用扫描式喷洒法，能够明显提高喷洒均匀度，缩短了喷洒时间，达到节水目的。关键词：草坪喷头，扫描式喷洒，喷洒均匀度中图分类号：S275.51.引言水资源紧缺已是一个全球性问题，我国尤为突出，全国人均水资源不足世界人均的1/4，[1]排在世界第109位，属13个贫水国之一。城市绿化作为用水大

2、户，节水问题显得尤为突[2]出。绿化通常采用的是喷灌技术，而喷头是影响喷灌灌水质量的关键设备，因此对喷头的改进与研究对于节水灌溉有着重要的意义。本文旨在以现有草坪喷头为基础，对其加以改进，设计出一种新型的草坪喷头，达到节水的目的。2.喷头工作原理及喷洒效果分析2.1喷头工作原理喷头结构如图1所示：图1草坪喷头结构图Fig.1Themodelofthelawnsprayer喷头工作原理为：由喷口喷射的水流通过击打摇臂，使得摇臂转过一个角度，摇臂在复位过程中，反向击打喷口从而改变喷口方向，同时，水流的喷射方向由于压板作用而有所改变并同时使喷

3、射水流得以雾化，扩大喷洒范围。实际使用此类喷头时可以通过手动调节偏心圆形端盖来调节压板俯仰角，以达到最大喷洒范围。2.2喷头喷洒效果分析假设：（1）水是理想不可压流体；（2）喷洒的水珠为球形；-1-http://www.paper.edu.cn（3）空气的粘度系数为常量；（4）由摇臂打散的水量为零。根据基本假设，建立平面直角坐标系xoy，设喷嘴的坐标为（x0，y0），水珠坐标为（x，y），则分析得知水珠运动轨迹如图2所示：图2水珠运动轨迹图Fig.2Thecurveofthebeadmove[3]由斯托克斯公式得知水珠受到的阻力为f=6

4、πηrv，其中η为空气的粘度系数，r为r水珠半径，v为水珠速度。由于阻力与水珠速度v的方向相反，则水珠阻力f可以表示为rrf=6πηrv。r设水珠质量为m，则水珠所受重力为mg，从而得到水珠运动微分方程为：dr2rrrmm=+gf2dt43其中，mr=πρ，ρ为水的密度，r为水珠半径。3在两个坐标轴上的投影为6πηrx&X:&&x=-43πrρ36πηry&Y：&&yg=--43πrρ3其中x&&==vyv,xy微分方程解的初始条件为x==xyy,。00经测量，喷头喷口与水平方向的夹角为23°，喷口喷射水流张角为±2.5°。[4]-5经

5、查阅相关资料得：η＝1.795×10Pa/s，r＝2mm。-2-http://www.paper.edu.cn经测量得喷灌时喷嘴位置A坐标（10，230）。当喷嘴出口速度v＝15m/s时，在没有摇臂作用情况下的喷洒效果如图3：图3喷洒效果图Fig.3Theresultoftheinsufflation3.新型喷头结构设计及分析3.1喷头设计为了达到更好的喷洒效果，在现有喷头结构的基础上，设计得到一个新型喷头，利用端盖偏心的特性，通过摇臂驱动端盖动态调节压板俯仰角以实现喷口每旋转一个角度喷洒范围[5]进行一次扫描，从而使得喷洒更加均匀。在

6、Pro/E环境下对设计的新型喷头进行建模，喷头结构如图4所示：图4新型喷头结构图Fig.4Themodelofthenewlawnsprayer3.2喷头结构及其性能分析3.2.1压板设计1、压板形状设计分析得知，当压板设计为曲面（上凹或者下凸）时，可以起到集束或扩束的作用。但是，在喷头的工作过程中，长时间的旋转，可以近似认为360°内是均匀喷射，且由于在旋转过程中压板是可动的，可以实现大范围的喷洒，所以使用曲面板的意义不大，且加工困难，故只考虑平板。2、压板长度（从转轴处算起）设计-3-http://www.paper.edu.cn分

7、析得知，压板的长短对喷洒的结果影响很大，在计算机模拟时则体现在微分方程的初值上，可以得知，初值不同，结果将会出现很大的差异。分析可知，压板设计必须满足下列条件：（1）不改变龙头最大喷洒距离；（2）压板处于不同角度的时候，尤其是-2°时，能保证近处的喷洒质量。根据条件（1），我们可以求出压板长度的上限为70mm。根据条件（2），可以求出压板长度的下限为60mm。3.2.2压板对喷洒效果影响分析由于假设水为无粘性的理想流体，且设定喷射过程中水流是定常均匀的，则流体运动如图5所示（绿色部分为流体）。图5流体运动图Fig.5Themovemen

8、toftheliquid在图5中建立坐标轴xoy。取一控制体，如图5中圆弧，使其高度与从喷口喷出的水柱一致，圆心位于o点，圆弧半径取足够大，使得控制面既包含尚未受到平板影响的液流，也包括平板上已完全转弯好的