一种柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头

摘要

本发明公开了一种柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头，包括与管路连接的喷管，喷管的出口连接有作为喷嘴的柔性套管，该柔性套管一端用固定装置固定于喷头的外壁上，柔性套管另一端的末端比喷头末端长，或者将柔性套管套在原锥形刚性喷嘴上，从而实现柔性喷嘴变量喷洒。柔性喷嘴采用弹性材料，喷头入口压力增加时，柔性喷嘴随内壁水压力增加扩张，从而使出流面积增大，雨滴直径随之增加。当喷头入口压力减小时，柔性喷嘴随内壁水压力降低而收缩，从而使出流面积降低，雨滴直径随之减小。其结构简单，科学合理，重量轻，成本低，可以用于人工降雨模拟系统，也可以用于农田和园林景观的精确灌溉系统中，还可以用于灭火施雨系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种喷头，特别涉及一种柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头。

背景技术

已有的农业喷灌、人工模拟降雨、消防灭火、喷药等喷洒系统及工业生产中用的各种喷洒器和喷射器的喷头，如图1所示，由喷头2和喷嘴1等组成；喷嘴1安装在喷头2上；其喷嘴1和喷头2大多是由刚性材料制作，尽管不同喷头的喷嘴1有不同出口形状及尺寸，但对于一种固定的喷头其出口截面面积是固定的，不随喷头入口压力变化而变化，当压力增加时，液滴直径和射程随压力增加幅度较小，且雾化程度增加，有时反而降低液滴直径。但在有些实际情况中，需要在不更换喷头的情况下，通过压力调节来控制喷头液滴和射程随喷射压力的变化而显著变化，这样可以大大节省时间和节约成本。如人工降雨模拟系统可以更接近地模拟自然降雨雨滴情况、消防灭火系统可以根据火势大小位置自动增加或减小射程和雨滴大小、节水喷灌系统可以根据地块形状自动调节喷头射程而避免漏喷等。

已有变量喷洒的实现技术中，有一种将喷嘴尺寸不同的喷头安装在多排并列管道上，工作时根据需要可控制其中一条管道单独工作或几条管道同时工作来实现变量喷洒，如用于农业精确灌溉的喷灌机，但这种方法成本高；第二种是通过附加安装一定机械装置来适时改变喷嘴出口面积，如美国的King、Bradley A.等（1998）开发了一种变喷嘴出口面积的装置，在喷嘴内安装一种可以随压力伸缩的锥形头，喷头进水口压力增加时，锥形头向喷嘴出口处移动，堵住喷嘴，使喷嘴出口面积降低。压力减小时，锥形头远离喷嘴，使喷嘴出口面积增加。喷嘴出口截面积根据压力变化而呈相应变化，椎形头移动控制由电磁阀来控制。这种方法的缺点是调节装置安装在喷头内部，增加了射流阻力，压力损失较大，不利于节能，且控制系统复杂，成本高。袁寿其、魏洋洋等（2010）研究了一种用于喷灌系统的簧片式异形喷嘴摇臂式喷头，在该变量喷头的喷嘴出口处安装了一个挡水板和弹簧，水流流经异形喷嘴装置，弹簧的变形量随着来流压力大小相应变化。当异形喷嘴装置前来流压力稳定时，水流对挡水板的作用力保持不变，出口截面不变；水流压力增大，来流对挡水板的作用力增大，弹簧受到向下的作用力被压缩，挡水板向下移动，喷嘴出口截面增大；水流压力变小，相应出口截面变小。喷嘴出口截面积根据压力变化而呈相应变化。这种方法由弹簧代替了电磁法控制系统，虽然简化了控制系统，降低了成本，但由于调节装置也是安装在喷头内部，增加了喷头射流的压力损失，节能问题还是未能解决。

发明内容

针对上述变量喷头存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种新型柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头，该柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头的喷嘴出口面积可随压力变化而产生变化。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头，包括与管路连接的喷管，其特征在于，所述的喷管的出口连接有作为喷嘴的柔性套管，该柔性套管一端用固定装置固定于喷头的外壁上，柔性套管另一端的末端比喷头末端长。

本发明的另一种技术解决方案是：

一种柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头，包括刚性喷嘴和喷管，其特征在于，所述的刚性喷嘴的外形为锥形，在刚性喷嘴的外径上套有柔性套管，该柔性套管一端用固定装置固定于喷管的外径上，柔性套管另一端的末端比喷嘴的末端长。

本发明的柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头，在原有降雨模拟喷头的基础上，加装可方便拆卸的柔性喷嘴，实现变雨滴施雨。柔性套管选用合理的弹性材料制造，并建立柔性套嘴扩张程度与入口压力关系模型，进而建立雨滴直径和入口压力的关系模型，使之达到降雨系统实时控制雨滴直径的要求。

本发明的柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头，克服了现用固定出口截面面积的刚性喷嘴喷头雨滴直径随压力增加反而降低，无法实现雨滴直径随压力增加而增加的喷洒要求。本发明将变量技术引入降雨模拟系统中，采用柔性套管作为变量喷嘴，则可以实现雨滴直径和降雨强度随输水管路及喷头入口压力增加而增加，从而提高降雨系统的仿真精度。这在国内外的人工模拟降雨系统中还未见报道。

附图说明

图1是原结构形式的单喷嘴喷头结构示意图，其中图1（a）是主视图，图1（b）是图1（a）的剖视图；

图2是本发明的一种柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头结构示意图，其中图2（a）是主视图，图2（b）是图2（a）的侧视图，图2（c）是图2（a）的剖视图，主要由喷头、柔性套管和固定装置组成；

图3是本发明的另一种柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头结构示意图，其中图3（a）是主视图，图3（b）是图3（a）的剖视图，主要由刚性喷嘴、喷头、柔性套管、固定装置和刚性连接螺纹组成；

图中的标号分别表示：1、刚性喷嘴，2、喷管，3、柔性套管，4、固定装置，5、连接螺纹。

图4是柔性喷嘴技术原理示意图；

图5是水滴平均直径与喷头直径和射流压力实验结果图。

下面结合附图和发明人给出的具体实例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头，其技术思路是采用柔性喷嘴来实现变量喷头喷嘴出口截面积根据压力变化而呈相应变化的功能。柔性喷嘴采用适用的弹性材料，喷管入口压力增加时，柔性喷嘴随内壁水压力增加扩张，从而使出流面积增大，雨滴直径随之增加。当喷管入口压力减小时，柔性喷嘴随内壁水压力降低而收缩，从而使出流面积降低，雨滴直径随之减小。本发明的柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头相比其他变量喷头技术更适宜应用于人工模拟降雨系统，难点在于选用合理的弹性材料并建立喷嘴尺寸变化与压力的关系模型，从而开发柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头。

参见图2，图2是申请人给出的第一个实施例，该柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头包括与管路连接的喷管2，喷管2的出口端连接有作为喷嘴的柔性套管3，该柔性套管3一端用固定装置4固定于喷头2的外壁上，柔性套管3另一端的末端比喷头2末端稍长。

柔性套管3是根据原喷头喷管直径大小，由弹性材料制成一定直径，柔性套管3的直径可以是固定的，也可以是变直径的锥形管。工作时，将柔性套管3直径大的一端套接到喷管2上，用卡口式固定装置4固定在喷管2上，并使柔性套管3直径小的末端比喷管2末端略长。

参见图3，图3是申请人给出的另一个实施例，该柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头包括刚性喷嘴1和喷管2，刚性喷嘴1的外形为锥形，在刚性喷嘴1的外径上有柔性套管3，该柔性套管3一端用卡口式固定装置4固定于喷嘴1的外径上，柔性套管3另一端的末端比喷嘴1的末端稍长。

柔性套管3的制备与第一个实施例相同。

以下是本发明的柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头的柔性喷嘴技术原理：

1、柔性喷嘴直径随着喷嘴压力增加而增加

如图4所示，柔性喷嘴直径和喷嘴压力两者之间可以用如下的关系式表示：

P=E·△D

其中P为喷嘴的压力，D为喷嘴直径，E为柔性材料的弹性模量。

设柔性喷嘴受到的压力是各向同性的，设其应力为P₀

根据材料力学的应力与应变的关系有，P₀=E·ε

所以喷嘴压力与变形的关系为P=∑P₀=∑E·ε

因为弹性模量E为常数，而且△D=2∑ε

则喷嘴的压力与喷嘴直径的关系为P=E·△D

2、喷嘴直径和雨滴直径之间的关系

通过流体力学的中关于射流的知识有，水滴的平均直径和射流与周围空气的相对速度成反比。

P=0.5·ρ·π·R²·υ²

其中P为压力，ρ为水的密度，R为喷嘴的半径，υ为射流的初速度。

这里设在无风的条件下，υ为射流与周围空气的相对速度。

所以在射流压力P一定的情况下，相对速度υ与R成反比关系。则水滴的平均直径与喷嘴半径R成正比关系，所以在射流压力P一定的情况下，随喷嘴直径的增大，水滴的平均直径增大。

图5是水滴平均直径与喷头直径和射流压力实验结果，反映出了喷头直径跟水滴平均直径的关系。

本发明的柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头结构简单，科学合理，重量轻，成本低，可以实现雨滴直径随压力增加而增加的喷洒要求。本发明将变量技术引入降雨系统中，采用本发明的柔性喷嘴的降雨模拟变量喷头则可以实现雨滴直径和降雨强度随输水管路及喷头入口压力增加而增加，从而提高降雨系统的仿真精度。可以用于农田和园林景观的精确灌溉系统中，根据需水要求实现变量喷洒，也可以用于灭火施雨系统中。