摘 要：摻氣搖臂噴頭是一種基于液氣兩相流理論設(shè)計(jì)的新型搖臂噴頭，為研究該噴頭低壓下噴灌均勻程度、結(jié)構(gòu)優(yōu)化特點(diǎn)和噴灌系統(tǒng)的改善，以搖臂噴頭為參照物，采用高速攝影技術(shù)分析了液氣射流的特征。試驗(yàn)研究的影響因素為工作壓力，評價指標(biāo)為氣柱特征長度、氣柱脈動頻率和射流破碎長度。試驗(yàn)結(jié)果表明：①氣柱脈動頻率和特征長度隨工作壓力增大而增大，在200 kPa和300 kPa下，氣柱脈動頻率分別為75 Hz和140 Hz，氣柱特征長度分別為7.7 mm和8.0 mm；②水射流摻氣是改變射流破碎長度的重要因素；③兩種工況下，液氣兩相射流的破碎長度比水射流的短約14.7%，其分散效果較好、對應(yīng)的噴灌均勻度較高；④通過研究獲得了射流破碎長度與射程經(jīng)驗(yàn)公式，其具有一定的適用范圍。研究結(jié)果可為掌握液氣射流特征提供依據(jù)，為揭示液氣射流原理提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：摻氣搖臂噴頭；液氣兩相射流；高速攝影；低壓；射流破碎長度

中圖分類號：S277.9+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-7909（2025）1-146-6

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

0 引言

節(jié)能、節(jié)水始終是節(jié)水灌溉裝備的發(fā)展主題［1］。在噴灌裝備應(yīng)用中，搖臂噴頭工作中存在能耗較高的問題，如何實(shí)現(xiàn)維持低壓噴灌效果且能耗更低成為噴頭發(fā)展的技術(shù)難點(diǎn)之一。在射流技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，氣液兩相射流形式具有霧化程度較高、液滴顆粒小的特點(diǎn)，在內(nèi)燃機(jī)油嘴［2-3］、噴霧除塵［4-5］、農(nóng)藥噴灑［6］及農(nóng)田噴灌［7］等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。借鑒其他領(lǐng)域先進(jìn)行業(yè)技術(shù)提高噴頭低壓下的分散效果，為噴灌技術(shù)發(fā)展提供了新的思路。

在液氣兩相射流的分散效果研究中，LEFEBVRE等［8］在消防霧化噴嘴方面的研究發(fā)現(xiàn)，噴嘴中含有少量的氣體可以使射流的分散效果更好；劉聯(lián)勝［9］通過氣泡霧化噴嘴研究其下游液滴平均直徑的變化狀況，總結(jié)出噴嘴較近距離內(nèi)的氣泡影響射流碎裂及液滴分散的結(jié)論；徐方等［10］通過小孔把氣體注入流動的液體形成懸浮的小氣泡，流經(jīng)混合室進(jìn)一步混合及噴嘴噴出后形成均勻氣泡的兩相流，其中氣泡對液體的擠壓使其爆破形成噴霧。以上學(xué)者的研究可論證，將一定量的氣體注入搖臂噴頭的水射流中可以影響射流破碎、液滴分散，從而起到干擾水量分布的作用?；谝陨涎芯?，許正典［11］、向清江等［12］結(jié)合液氣兩相射流形式和學(xué)者對搖臂噴頭基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方法和水力性能等［13-17］方面研究成果，設(shè)計(jì)制作了摻氣搖臂噴頭，并針對其低壓下的水量分布、液滴特性等開展了細(xì)致的研究。為了揭示摻氣搖臂噴頭液氣射流的破碎、霧化過程，筆者針對該類型噴頭液氣射流的特征開展了研究。

射流破碎長度、液滴直徑等為衡量射流效果的主要指標(biāo)，受射流裝備的工作壓力和噴嘴直徑等因素的影響，其研究方法通常為理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。韓文霆等［18］通過三種研究方法總結(jié)出影響射流碎裂長度、液滴直徑等的主要因素是噴嘴直徑和工作壓力，得出射流碎裂長度與韋伯?dāng)?shù)的關(guān)系。JIANG等［19］采用高速攝影和數(shù)值模擬的方法，發(fā)現(xiàn)射流破碎長度理論值、實(shí)驗(yàn)值和模擬值的契合度較高，相對誤差保持在10%以內(nèi)，并且得出射流破碎長度與射程的關(guān)系公式。張銳等［20］通過數(shù)值模擬建立了射流破碎和液滴形狀的噴灑水運(yùn)動軌跡改進(jìn)模型，解決了現(xiàn)有彈道軌跡模型過度簡化運(yùn)動液滴的破碎過程及形狀變化導(dǎo)致模型精度不足的問題，為應(yīng)用彈道軌跡模擬噴灑液滴分布特征提供新思路。以上研究成果，為摻氣搖臂噴頭液氣射流特征的研究分析提供了技術(shù)支撐。

由于摻氣搖臂噴頭液氣射流中存在脈動氣柱，試驗(yàn)以氣柱特征（即氣柱脈動頻率、氣柱特征長度）和射流破碎長度為測定指標(biāo)，運(yùn)用高速攝影技術(shù)，開展低壓下的射流碎裂規(guī)律研究。該研究有益于搖臂噴頭節(jié)能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改善噴灌系統(tǒng)的性能。

1 材料與方法

1.1 摻氣搖臂噴頭結(jié)構(gòu)及工作原理

摻氣搖臂噴頭是一種采用具有氣液兩相射流噴頭的搖臂噴頭結(jié)構(gòu)，在噴管液體流道內(nèi)插入一根摻氣管道，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)選用20PY2型搖臂噴頭，依據(jù)旋轉(zhuǎn)式噴頭國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［21］，主噴嘴直徑為7.0 mm。由于新結(jié)構(gòu)增加了摻氣管道，其占用了一定的管道通量，經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，20PY2型摻氣搖臂噴頭主噴嘴直徑應(yīng)為8.3 mm，摻氣管內(nèi)徑和副噴嘴內(nèi)徑分別為2 mm和4 mm。圖2為噴嘴與摻氣管的位置關(guān)系及坐標(biāo)，0點(diǎn)為起點(diǎn)，x軸方向?yàn)檎较?，錐角θ為45°，摻氣管伸縮量L'可調(diào)整范圍為-3～2 mm。本文取L'為0 mm。

試驗(yàn)介質(zhì)為水和空氣。如圖1所示，在設(shè)定壓力下，水流以一定初速度經(jīng)過收縮的噴管在噴嘴出口處噴出。由于摻氣管兩端與大氣相通，水流流過摻氣軟管噴嘴端面時，在液體的黏性作用下，摻氣管噴嘴端面形成真空狀態(tài)，摻氣軟管兩端產(chǎn)生壓差，形成引射效應(yīng)；空氣被吸入摻氣軟管并在噴嘴處噴出時形成氣柱，水射流包裹、卷吸氣柱中的空氣，從而達(dá)到氣液兩相混合的效果。

1.2 試驗(yàn)方法

為研究氣液兩相流效果對噴灌均勻性的改善情況，該試驗(yàn)采用同流量噴頭，在相同壓力下對液氣兩相射流和水射流的射流破碎狀況展開分析。試驗(yàn)工作壓力設(shè)定為150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa。試驗(yàn)器材選用i-SPEED 3攝像機(jī)，設(shè)定幀速率10 000 fps，試驗(yàn)過程中隨機(jī)進(jìn)行3次數(shù)據(jù)收集并取其平均數(shù)值，主要研究射流特征信息，包含氣柱特征和射流破碎段（即射流一次破碎）等。高速攝影裝置及實(shí)驗(yàn)臺如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 氣柱特征

圖4和圖5分別為摻氣搖臂噴頭在200 kPa和300 kPa設(shè)定壓力狀態(tài)下的液氣射流氣柱特征。該特征表現(xiàn)主要通過氣柱脈動頻率和氣柱特征長度來衡量，其中氣柱脈動頻率采用時間進(jìn)行度量。由圖可知，在摻氣搖臂噴頭噴嘴出口處圈定的射流水柱中含有白色氣相連續(xù)段，連續(xù)觀測每幀照片后，發(fā)現(xiàn)水流與氣體相融合，氣柱長度先減小再恢復(fù)至原位置，并以此呈現(xiàn)周期性變化現(xiàn)象。該變化表明水射流過程是以脈動的形式摻入空氣。

由圖4可知，連續(xù)觀測的氣柱脈動周期時間為0.017 3 s～0.031 0 s，氣柱脈動頻率約為73 Hz，結(jié)合其他時間段內(nèi)的氣柱脈動周期，脈動頻率平均值約為75 Hz。在氣柱脈動過程中，氣體摻入水射流后并未立刻破碎，而是被水射流拉長、分解。根據(jù)參照比遲的測量，摻氣搖臂噴頭200 kPa時的氣柱特征長度約為7.7 mm。由圖5可知，氣柱脈動周期時間為0.025 7 s～0.032 7 s，氣柱脈動頻率約為142.8 Hz。結(jié)合其他時間段內(nèi)的氣柱脈動周期，脈動頻率平均值約為140 Hz；根據(jù)參照比遲的測量，摻氣搖臂噴頭300 kPa時的氣柱特征長度為8.0 mm，略大于200 kPa的。

經(jīng)觀測，150 kPa和250 kPa下的氣柱特征長度均約為7.8 mm，脈動頻率分別為87 Hz和112 Hz。綜合上述研究可知，隨著工作壓力的增加，摻氣搖臂噴頭氣柱脈動頻率和氣柱特征長度均增大，氣體破碎的過程隨之加快。

2.2 射流破碎段

兩種噴頭在200 kPa和300 kPa下的射流破碎過程如圖6所示，其射流初始段均具有一定的穩(wěn)定性，表面波和振幅均很小；在射流下游，受外界或外界與內(nèi)部氣體的聯(lián)合作用，射流表面出現(xiàn)一定頻率的振動波。因此，需要對摻氣水射流的穩(wěn)定性做出進(jìn)一步探討。

射流破碎長度是從水射流主體第一次破碎的位置至噴嘴出口的距離，是衡量射流特征及其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。由圖6可知，在200 kPa和300 kPa下，摻氣搖臂噴頭和搖臂噴頭的射流破碎長度分別為86.0 cm、93.9 cm和101.2 cm、109.8 cm，液氣兩相射流的破碎長度比水射流的短約14.7 %。結(jié)合摻氣搖臂噴頭150 kPa和250 kPa壓力下的射流破碎長度為80.1 cm和92.2 cm可知，隨著工作壓力的增加，噴頭射流破碎長度逐漸變長。綜合以上研究可知，水射流摻氣是影響射流破碎長度的重要因素。

由圖6所示的射流連續(xù)段和破碎段可知，水射流的振動，使摻氣水流逐漸變成不規(guī)則的大團(tuán)塊水滴，水滴間的連接水絲逐漸變小至破碎。水射流摻氣后，振動頻率使射流破碎提前發(fā)生，理論上增加了噴頭水射流末端不規(guī)則水滴的碰撞和分裂次數(shù)，從而達(dá)到改善噴頭噴灌均勻性的效果。

3 液氣射流破碎長度與射程的關(guān)系

Baron提出的湍流圓柱液體碎裂長度經(jīng)驗(yàn)式見式（1）［22］。

[Lb=538d0We0.5lRe-0.625l] （1）

式（1）中：Lb為射流破碎長度，cm；d0為噴嘴直徑，mm；We為韋伯?dāng)?shù)，常量；Re為雷洛數(shù)，常量。

摻氣搖臂噴頭在4個不同工作壓力下的射流破碎長度試驗(yàn)值與理論值的對比如表1所示，噴嘴直徑d0=8.3 mm，試驗(yàn)值為每個工作壓力下的3次試驗(yàn)平均值，測量精確到厘米級。射流破碎長度的試驗(yàn)值約為理論值的1.5倍，因此筆者以此倍數(shù)對理論值進(jìn)行修正。

以上射流破碎長度試驗(yàn)值均在摻氣搖臂噴頭不旋轉(zhuǎn)工作時得到，為了達(dá)到預(yù)測該狀態(tài)下射程（R）的效果，筆者將射程與破碎長度（Lb）、噴頭工作壓力（P）相關(guān)聯(lián)，獲得擬合公式，見式（2）。

[R=1.128L0.6862BP-0.0139]" " （2）

式（2）中：R為射程，m；Lb為破碎長度，單位為cm；P為工作壓力，kPa。

該公式較好映射出射程的變化趨勢，其與實(shí)測射程的誤差精度小于0.3 %。除此之外，該公式也可根據(jù)射程得出射流破碎長度，從而為掌握摻氣搖臂噴頭的射流特征提供依據(jù)。其中，噴嘴直徑參數(shù)隱含于射流破碎長度計(jì)算式中，且公式（2）僅適用工作壓力150～300 kPa的部分，其他工作壓力范圍有待進(jìn)一步研究探討。

4 結(jié)束語

采用高速攝影的方式探究液氣兩相射流特性（即氣柱特征長度、氣柱脈動頻率和液氣射流破碎長度），得出射程與液氣射流破碎長度的關(guān)系，有益于降低搖臂噴頭的能耗，為改善摻氣搖臂噴頭的噴灌均勻性和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。具體結(jié)論如下：

①摻氣搖臂噴頭的氣柱脈動頻率和特征長度均隨工作壓力的增大而增大。其中，工作壓力200 kPa時的氣柱脈動頻率和長度分別約為75 Hz和7.7 mm，工作壓力300 kPa時的氣柱脈動頻率和長度分別約為140 Hz和8.0 mm。

②水射流摻氣是改變射流破碎長度的重要因素。在兩種工況下，液氣兩相射流的破碎長度比水射流長度短約14.7%。射流破碎長度的縮短理論上增加了不規(guī)則水滴的碰撞和分裂次數(shù)，可以改善噴頭噴灌均勻性。

③研究獲得了摻氣搖臂噴頭液氣射流的破碎長度與射程的經(jīng)驗(yàn)公式。該公式具有一定的壓力適用范圍，可預(yù)測射程和射流破碎長度，為研究液氣射流的特征提供了依據(jù)。

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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

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51379090）；蘇州市職業(yè)大學(xué)校級項(xiàng)目（KY202304003）。

作者簡介：向清江（1974—），男，博士，副研究員，研究方向：流體機(jī)械水射流技術(shù)。

通信作者：許正典（1989—），男，博士，講師，研究方向：節(jié)水灌溉技術(shù)與裝備。