喷嘴设计及计算

第一章喷头改进设计的必要性
喷雾喷头是通过一定方法，将液体分离细小雾滴的装置，目前在使用的一般是采用减小喷口直径，这些喷头雾化效率低，水量小，
第二章喷嘴设计及计算
喷嘴是喷头的重要部件，也是直接影响喷灌质量和喷头水力性能的一个部件。

它不但要最大限度地把水流压能变成动能，而且要保持稳流器整理过的水流仍具有较低的紊流程度。

喷嘴的结构形式一般有下列三种：
1．圆锥形喷嘴
圆锥形喷嘴由于其结构简单，加工方便而被大量应用于喷头，其结构如图。

圆锥形喷嘴的主要结构参数是：喷嘴直径D c,喷嘴圆柱段长度l,喷嘴内腔锥角。

有的喷头为了提高雾化程度或增加喷头近处的水量，而在喷嘴出口处增加一粉碎螺钉，其结构见图。

由于射流撞击在螺钉上，增加了碰撞阻力以致影响了喷头的射程及喷洒均匀度，所以现在除了个别喷头外已很少采用加粉碎螺钉的结构。

2．流线形喷嘴
为了使水流平顺，有的喷头设计成流线形，以减少水流冲击损失。

流线形喷嘴结构如图所示。

苏联维多新斯基为流线形喷嘴的设计提供了计算公式：
实验表明，水流不很平顺的喷头采用流线形喷嘴，喷头射程能增加8~12%。

但水流很平顺的喷头采用流线形喷嘴，喷头的射程增加很微小。

由此可见，流线形喷嘴能使水流平稳从而提高喷头射程。

3。

流线圆锥形喷嘴
流线圆锥形喷嘴是上述两种形式之结合，图12就是这种形式的喷嘴。

从图可以看出来，水流自喷管先经过喷嘴的流线形段，继而经过圆锥形段。

从加工来说，凸流线形喷嘴易于加工。

由于圆锥形喷嘴有结构简单，加工方便等优点，所以目前喷头大多采用圆锥形喷头。

第二节 喷嘴直径的确定
喷嘴直径是一个重要的数值，它直接影响到喷灌质量，如喷灌强度，均匀度和雾化程度。

它又和喷头的结构和水力性能有极为密切的关系，诸如喷灌直径Dcm ，喷头流量，射程和工作压力等。

由于喷头喷出的射流是高压高速水流的孔口出流，所以可应用水力学的圆形孔口出流公式计算。

即： Q=02024gH D πμ
式中：
0H =2φH
其中， Q —喷嘴流量 μ --流量系数
0D -射流收缩断面的直径
0H -射流收缩断面的压力
φ- 流速系数
H-喷头工作压力
知道了射流收缩断面的直径可由奥克勒所推荐的计算式计算喷嘴直径： D )2sin 16.01(1
0θ-=C D D
式中1θ-喷嘴内腔渐缩角
但是，喷嘴直径还对喷头射程 雨滴粒径有显著的影响。

这是因为，喷头的工作压力与喷头直径的比值（H/Dc ）对于射程和雨滴粒径具有显著的影响。

所以，喷嘴直径的确定不仅要考虑到流量，而且还更应该考虑到影响射程和雨滴直径的H/Dc 值。

H/Dc 值对喷头射程具有较高度而显著的影响，我们为了综合考察喷头仰角，喷头，找出对射程影响最显著的因素，并评定各因子的合适数值范围，试验结果经显著性检验，得到喷头的工作压力与喷嘴直径的比值H/Dc 对喷头设计列表如下：
从图中可以看出，当喷嘴直径一定时，射程会随着压力的增大而增大，开始增长的很快，而后即行缓慢，达到某一极限，不管压力多大，射程增长很微，甚至不增加。

同时，从式中可知，喷嘴直径是可以反映喷嘴流量的，并且在工作压力一定时，对于相同直径的喷嘴，其流量也是相同的。

而且由于射流功率N=rQH,所以在一定功率的条件下，只有在喷嘴压力和喷嘴直径有正确的比例，才能获得最远射程。

喷头工作压力和喷嘴直径的比值H/Dc ，在一定程度上反映了喷嘴的雾化程度，即喷沙 。

对于喷嘴，随着H/Dc 的值的增加，水滴直径将减少；对于不同的喷嘴，在相同的H/Dc,随着喷嘴直径的增大水滴随着喷嘴直径的增大水滴直径将减少，因为雷诺数增大。

所以，对于喷嘴口径不同的喷头，不能规定统一的适宜雾化指标。

对于小
口径喷嘴的喷头，其适宜的H/Dc值要比大的大口径的喷头大。

所以，有的国家对各种尺寸的喷嘴规定在最佳工作压力范围，认为在这样的压力下所产生水滴是无害的。

综上所述，由于喷嘴直径的大小影响到喷头的喷洒量，功率消耗，射程和水
流密致段较长，从而使喷头获得最大射程。

由于喷嘴近似圆锥形收缩管，所以锥角收缩管水力摩阻试验得到验证，即由于其有较小的摩阻系数，因而使得喷嘴前压力较大而使喷头射程较远。

由于喷头是有压孔口出流，其出流量与喷嘴有密切的关系，计算式，喷嘴内锥角与流量系数也有一定关系。

这一具有相当精度的关系可以用来计算喷头喷嘴
之流量系数μ。

二喷嘴内表面的光洁度
由于通过喷嘴的水流为高速水流，其速度一般都在20米/秒以上，所以喷嘴内表面的光洁度也是至关重要的。

因为对于管嘴的孔口出流来说，流道粗糙将会破坏水流表面，增大水力损失，并破环喷嘴射流的密致段，从而影响射程,出流量和雾化程度等。

我国的喷头一般都规定喷嘴的光洁度为不低于5
∇喷嘴光洁度对流量系数的影响。

由以上应选取45度内锥角，流量系数为0。

86。

光洁度（表面光洁度）应为5
∇。

考虑影响射程和水滴直径H/Dc值，H/Dc对喷头有高度影响，比值H/Dc在一定程度上反映雾化程度，即喷洒雨滴的直径，所以大家把它称为雾化指标。

当
H/Dc=3000时有最远射程。

喷头工作压力和喷头直径的比值H/Dc 是随其增加，水滴直径将减小，对于不同的喷嘴，，在相同的H/Dc 下，随着喷嘴直径的增加而水滴直径将减小。

提供各种雾化效果最佳选择：
压力值一般为0.2-0.7Mpa 左右
而当管口直径为2~3毫米时，H/Dc 值选3000，压力值选0.7Mpa 左右，喷嘴仰角在40度到45度左右，
光洁度在5∇。

四 改变喷头喷洒轨迹的力学途径
很多喷头采用的是喷洒轨迹为弧形的喷洒喷头，很浪费水源，面对多种喷洒的要求，本研究采用弧形轨迹改为方形轨迹为研究对象，依据流体力学原理，提出改变喷头喷洒轨迹的力学方法及途径。

1 水头对流速的影响
改变水头的途径一般有两种：一是利用水塔提升水头；二是采用机械加压，如无水塔自动上水器等。

其基本原理是，前者的压强变化是由高度差引起的，后者是采取机械加压的方法实现压强和速度的变化，两者总的力学效果是相同的。

用这两种方法获得的压强差必将对不同的高度上的流速产生一定的作用，但并非全部，因为一般的流速值还与输送管道的面积有关。

本文根据连续性原理和波努利方程讨论不同情况下的流速变化。

1.1 垂直影响
如图 所示，所取的面积为等效截面积，若选取不同的高度和不同的断面积的同一流线上两点， 图 为上下截面积相同的情况，取流线上两点A ，B 。

由于水流稳恒，流速，面积均相同，压强满足
)(21H H g p P A B -=-ρ
式中，A P ，B P 为所选截面的压强，ρ 为水的密度，，H2为两截面的高度。

式中表明，截面积相同时，压强变化与静止流体相同。

图1B 为上部截面积大于下部截面积。

图为截面积小于下部的情况。

两种情况应满足以下关系：
式中所有的V ，S ，P ，H 分别表示各截面的流速，截面积，压强和高度， 为水的密度。

换言之，当输水管道上下截面相同时，上下部的流速相同，压强只取决于高度差；当上下截面积不同时，在水塔供水的过程中存在两种情况，一是在用水高峰时，下部各分管道面积总和一般均大于上部，导致上下部水流流速降低，水压不足；二是在用水低潮时，下部各分管道面积总和小于上部，导致上下部水流流速增高，水压充足。

1．2 水平影响
如图 所示，取同一高度，不同截面积的同一流线上的两点，图 为截面积相同的情况下，其压强，面积，流速满足以下公式：
2喷头喷洒轨迹的变化特征
由于空气阻力受地域环境影响因子较多，在研究一般的运行轨迹，可忽略空气阻力的影响。

由力学原理可知，流体的运动只受到重力的作用，形成了抛物线轨迹。

假设喷头处的水速为V，出射角为，以流体喷出的瞬间开始计时，时间为t，则射程x与喷洒高度y应有下列关系：
图2给出了v=10m/s的轨迹图。

图中各线代表与水平夹角为15度，30度，45度，60度，75度的对应抛洒距离和高度。

由图2可知，在一定的流速情况下，抛洒轨迹具有两个明显的过程：一是抛洒轨迹与倾角有关，若在喷头高度上，出射角等于45度时射程最远；二是抛洒轨迹与喷头高度密切相关，当喷头高度增加时，小角度的喷洒距离和能力增大，因此，实际的喷灌设备应具有调节高度的能力。

3改变喷头喷洒轨迹的力学途径
从以上分析可以看出，影响喷洒轨迹的因数主要有三个，即水压，管道截面积，出射角。

现以旋转式喷头为例，探讨实现方形喷洒轨迹的力学途径。

一般的旋转式喷头的喷洒轨迹为圆弧形，要改变其轨迹，必须通过调节水压，管道截面积，出射角才能实现方形喷洒轨迹。

但是调节水压的方法在喷头的设计上不很实用，因为它将带给设备很大的体积和费用。

所以只能采取后两项来调节来完成，若考虑实际喷头的总体设计要求，可以通过改变管道头的截面积实现圆弧轨迹向方形轨迹的变化，通过出射角的变化完成所有面积的喷洒。

图3为圆弧轨迹变为方形轨迹的原理图。

其中的圆形轨迹表示表示一个旋转式的喷头的一般轨迹，方形代表改变后的轨迹。

在图3中选取AEB圆弧作为样本，研究使其成为AGFB的直线形式的方法。

图3中OG代表任一个时刻的喷洒距离，OG的长度是随时间变化的，即要求其起点为O，而终点G始终在AB直线上运行，即其长度随着旋转角度的变化规律为
L1=
式中，L1为长度；为旋转角；R为旋转半径（最大喷洒距离）。

要完成以上的变化规律，就意味着喷头的出射速度变化也将呈现的变化规律为
式中，V为旋转角为时的速度；V为最大喷射速率。

根据公式（2）和（3）可知，通过改变管道的截面积；S为旋转角为时的截面积。

在图4中，虚线部分表示管道出水的截面积，
OX线的断点X将在竖直方向匀速运动，这种匀速运动是在旋转龙头的旋转带动下经过连杆而获得的，这里相当于加装了一个遮挡片，在技术上很容易实现。

因此，本文不再讨论连杆装置，而研究在这种匀速状态下的面积变化规律。

由于圆形面积的大小与张角成正比，则图4中的截面积变化完全取决于角度的变化规律，再加之X点的匀速运动，最终使得管道出水的截面积变化规律与所要求的（6）式吻和。

4全方位灌溉的轨迹实现
在实施灌溉工程时，前面指出了轨迹由弧形向方形的改变，但未能给出对绿化地的整体扫描路径。

下面将研究实现各个区域整体抛洒的方法。

由于喷头的结构和组成要考虑其系统性，前面通过改变管道截面积达到了轨迹由弧线向方形的变化，这里以变化喷头的仰角来完成对所有区域的扫描。

图5是笔者在不考虑喷头设置高度的情况下，依照上面讨论的抛洒轨迹的变化特征，获得的不同仰角下的扫描轨迹。

图的几何中心为喷头的位置，可以看出，仰角越小，其扫描路径较密，这也是射程远的区域，在距离喷头近的区域，其
扫描路径稀疏，如果喷头喷洒过程对流体的散失有影响，这样的扫描结果也符合实际要求，因为在短距离的区域所获得的散失流体较多，抵消了扫描路径稀疏的负面影响。

因此，采用匀速改变仰角的方法，一方面可以实现整个区域灌溉要求，另一方面又便于喷头装置的整体设计。

5结论与讨论
1）改变喷头的喷洒轨迹的途径有三种，即改变水压，管道面积，和喷头出射角（仰角）。

2）实际喷头喷洒轨迹的设计应选用较为实用的方法，即通过遮挡管道截面实现流速变化，进而达到轨迹的变化；通过旋转带动喷头出射角（仰角）的变化，实现全方位的喷洒，而使整个绿化地得到均匀灌溉。

3）在方形绿化地使用的喷头，应将喷头的遮挡片作成扇形，并使其与旋转的连杆想配合，组成一个整体，实现截面积的变化呈选余规律进行的，达到旋转
喷头的弧形轨迹向方形轨迹的转变。

各种喷头方案计算
1对喷式喷头原理及计算
这种改进喷头采用两个相对的喷嘴喷出高速水流，在空中撞击后形成细小水滴。

它可以形成更加细微的水滴；用较小的水量和较少的能量达到比传统喷嘴理想的雾化效果，以节约能源。

这种新技术的解决方案是：由喷嘴本体、两个喷嘴和安装在两个喷嘴内孔外端的三个堵丝组成一种对喷式雾化喷嘴。

两个喷嘴对称安装在喷嘴本体的同一轴线
上，在相对的两个喷嘴之间的进水口之间留有间隙，两个喷嘴的内部通孔及喷嘴本体上的进水口相连通。

高速度的压力水从进水口进入内部通孔、两喷嘴口喷出的水相撞后向四周散开形成细微的水滴，呈雾化状态。

进入进水口的水受压力越达，其流量越大，喷出的液体速度也大，雾化形成的直径也大，效果也好。

对喷式喷头喷出的是5~50米/秒的高速高压水流的孔出流，所以应用水力学公式进行流量计算： Q=02024gH D πμ
式中：
0H =2φH
通过查液压手册的液体阻力系数28.0=ξ
其中H=60m, μ=0.86,φ=
t v v =ξ+11=0.87 则 Q=0.8687.0601024)103(2
3⨯⨯⨯⨯⨯⨯π=1.85⨯410-3m /s=11L/min
同时可算出出流速：由流体力学流量公式：
Q=A V
则V=A Q =s m /26)103(4
1085.12
34=⨯⨯⨯--π 在两个截面1-1和2-2应用伯努利方程式： gh g
u r P g u r P ++=+2233211 22
1123)(11
2A A P v -=ρ 所以
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2212311A A V P ρ/2=0.32610⨯pa 压力损失：局部压力损失
014.1102263.0233
2
1=⨯⨯==∆v p ρε 沿程压力损失：
2特殊多功能喷头设计原理及计算
根据上述理论，设计特殊的多功能喷头，阀芯进水部分应尽可能地增大其过流截面积，以减小喷嘴的流动阻力，为此把进水截面的形状设计成如图所示的用三个圆周均匀分布的环行喷水槽。

这种设计不但使流通面积充分增大，而且还使构件具有较高的刚性。

从而保证零件加工完后，保持精度要求。

阀芯主体部分采用特殊的流线型设计。

并使各部分呈圆弧曲面过渡，大大降低了流体流动通过喷嘴时所产生的流组。

阀芯头部做成锥度为49度的圆锥曲面与阀套的圆形喷孔相配合，具有一定的启闭特性，又能得到良好的喷射特性。

如图所示。

经测量和计算得到喷头阀芯的移动与喷嘴截流面积之间的关系（以喷口直径为4mm 的喷嘴为例），如图所示。

喷头阀体内表面采用与阀芯流线型相匹配的圆弧过度。

并在阀芯处于适当位置使过流面有较长的近似等截面，实现流体在较长的惯性通道内曲面加速。

这种结构的优点是避免了因断面突然收缩式扩大所产生的损失。

根据局部压力损失计算公式：22m v p ρ∆=ℑ
， 由于
3 离心旋转式喷头
这是一种利用围绕雾化盘旋转，由离心力的作用，水被破碎成小颗粒，小颗粒由
4带针式喷头
这种喷头采用高压水流经喷孔后撞击雾化针，撞击后形成细小雾滴。

雾化喷头是由基体,喷口,和雾化针组成。

雾化针在基体上部，直径约为3mm左右，喷口直径也为3mm左右，喷口与雾化针的距离为1mm，雾化针尾端固连在基体上，针头与雾孔同轴心。

在基体中间有一个中间孔，中间孔内雾化针的下面有保持架
第二部分产品数据管理（PDM）
一、人员模型的创建和修改
在Javelin系统中已经预先创建好了部分人员模型，系统中已经录入的用户如下表所示：
用户登录名用户姓名密码用户角色所属工
作组
所属部门备注
1sa超级用户设计、研
究室主任
教师
教研室1、
教研室2
2teacher教师teacher 设计、研
究室主任
教师
教研室1、
教研室3
超级用户（需
要修改）
3teacher2教师2teacher 设计、研
究室主任
教师
教研室1、
教研室4
超级用户（需
要修改）
4student1student1s设计学生学生
5student2student2s设计学生学生
6student3student3s设计学生学生
……………………………………
41student41student41s设计学生学生
42student42student42s设计学生学生
43student43student43s设计学生学生
44student44student44s设计学生学生
45student45student45s设计学生学生
注意修改系统超级用户sa的密码，默认状态sa，需要修改。

按下列步骤进行用户的添加、角色的添加、部门的添加。

添加用户
▪执行开始--> 程序--> 大恒--> 人员模型或从桌面上执行。

系统弹出“登录”对话框。

▪在“登录”对话框中，以超级用户“sa”登录。

系统弹出“人员模型-EmployeeAdmin”对话框。

▪选择用户，单击鼠标右键，在右键菜单中选择“新建用户”。

▪在“新建用户”对话框中输入登录名、用户名及密码。

注意密码不能为空。

修改用户属性
▪执行开始--> 程序--> 大恒--> 人员模型或从桌面上执行。

系统弹出“人员模型-EmployeeAdmin”对话框。

▪在用户列表区选择“teacher”，单击鼠标右键，在右键菜单中选择“属性”。

▪在“用户属性向导”对话框中修改用户“teacher”的密码。

▪选择“用户属性向导”对话框的“工作组”子页。

▪单击<添加>按钮。

系统弹出“添加所属工作组”对话框。

▪在工作组中选择希望添加的工作组。

▪单击<确定>按钮。

▪返回到“用户属性对话框”，单击<确定>按钮，完成工作组的修改。

角色的修改过程与工作组的修改大同小异，这里不在赘述。

添加工作组和角色类型
添加工作组和角色类型的过程同添加用户的过程，这里不在赘述。

二、进行系统建模
JAVELIN的WIZARD模块是整个软件的核心模块。

它借鉴了面向对象的思想，使用这个模块的过程其实就是一个信息建模的过程。

所谓信息建模，就是从现实世界中捕捉并抽象出应领域的基本结构的过程。

关于信息建模，举例来说明这个概念。

例如：变速箱是汽车上的一个零部件，在特定的应用领域中，它可被看成是由箱体等零部件组成的一个集合。

而在另一个应用领域中（从工艺的角度），它的组成成分可以是毛坯重量、毛坯外形尺寸等。

再换一个应用领域（从生产管理的角度），它的组成成分可以是库存量、成本等。

当然，这里的信息建模与软件工程中面向对象的信息建模还是有所区别：一般软件工程中的信息建模是OOA（面向对象分析）的核心，它包含5个层次：对象-类层、属性层、服务层（也称方法层）、结构层、主题层，而WIZARD中只包含3个层次：对象-类层、属性层、结构层。

尽管如此，JAVELIN的WIZARD模块还是提供了足够的柔性。

它可以在不更改程序的情况下就能够更改PDM模型的结构和属性，从而根据企业的实际情况定制出一个适合企业的应用模型。

本例中已经创建好了工程，建立了一个典型的数据对象。

下面将简单地对已有的数据对象进行编辑。

创建对象
▪双击桌面上的快捷方式。

▪以超级用户sa身份登录登录。

系统显示Wizard的工作界面，在本例中使用了南京压缩机厂的建模对象。

为区别对象的设置，在下面的练习中将增加归档文件夹“叉车”，当然压缩机厂是不生产叉车的。

▪选择工程，单击鼠标右键，在右键菜单中选择“增加类”。

▪在“输入”对话框中输入类名“叉车”。

▪对象列表区中显示新增加的类“叉车”。

对象设置
在增加了类“叉车”后，下一步需要对类进行设置。

在本例中，叉车将设为一归档文件夹。

▪选择新加的“叉车”，单击鼠标右键，在右键菜单中选择“修改”。

界面变为：
▪在类型中选择“档案柜”。

▪单击图标，为叉车选择18X18的BMP位图图形。

▪单击图标，保存修改内容。

属性设置
在类对象已经修改后，下一步进行类属性的添加和修改。

▪在类对象列表区选择“叉车”，单击鼠标右键，在邮件菜单中选择“增加类属性”。

系统弹出“增加字段”对话框。

▪在输入字段名称中输入“名称”，单击<增加并结束>按钮。

系统显示如下：
在增加属性后，需要对属性作必要定义。

▪选择属性“CN_名称”，单击鼠标右键，在右键菜单中选择“修改”。

▪在下述的对话框中，选择“在树状结构中显示字段”、“关键字段”，并在大小中输入254。

▪单击图标，保存修改内容。

界面编辑
Javelin建模系统可以对每一个类建立独自的管理界面。

▪选择“界面”页。

▪在右边选择“基本属性”页。

▪在空白区单击鼠标右键，在右键菜单中选择“修改用户界面”。

▪在“基本属性”对话框中可以对字段作修改，通过选择工具条
上的按钮也可以添加新的文字、图片等作客户化的定制。

▪定制完成后，在空白区单击鼠标右键，右键菜单中选择“更新修改结果”即可。

层次关系定义
在前面已经定义了很多对象类，每个类之间是有不同的关系的，因此需要作独立的设置。

▪选择“层次关系”属性页。

▪选择类“叉车”下的“允许加入的类”，单击鼠标右键，在右键菜单中选择“增加一个允许插入的类”。

▪选择类“零部件”、“工程图”和“文件”。

▪选择“零部件”、“工程图”，单击鼠标右键、在右键菜单中选择“只能引用该类”。

显示变为如下：
保存
在完成数据对象的各项设置后，需要对所作的内容作保存。

▪选择菜单“工具”--> “创建/更新数据库结构”。

系统弹出如下提示：
▪单击<是(Y)>按钮，完成数据的保存。

四、系统设置
归档设置
▪启动桌面快捷方式。

▪以超级用户sa登录Javelin。

▪进入“系统管理”，选择“归档设置”。

▪在“归档设置”列表区选择“叉车”，单击鼠标右键，右键菜单中选择“修改归档设置”。

▪在“归档设置”对话框中单击<增加>按钮。

▪双击教研室1下面的用户，为方便起见，这里三个用户全部选择。

▪单击<确定>按钮。

▪“归档设置”对话框中显示如下：
▪单击<确定>按钮，系统显示如下图。

流程模板设置
流程模板是一个企业多年经验积累的结果，是工作规范的成果，流程模板是企业标准的工作流程。

▪选择“流程模板”。

在流程模板列表区可以选择浏览其中已经定义好的流程，浏览流程的属性及具体的流程节点。

新流程的定义这里不再创建，创建新流程请参看手册《Javelin项目管理操作手册》。

修改流程
▪选择“删除--DELETE”流程，单击鼠标右键、在右键菜单中选择“修改流程”，
在弹出的对话框中选择“流程图”子页。

▪在流程图中选择“审批”节点，单击鼠标右键、在右键菜单中选择“属性”。

▪在弹出的对话框中选择“执行人”子页。

▪在弹出的人员设置对话框中双击“教师”。

然后单击<确定>按钮。

▪单击<确定>按钮。