本文系国家高技术研究发展计划(863计划)“精确灌溉技术与产品”(编号:2011AA100506)和国家自然科学基金项目“气液两相射流喷头水流空间破碎机理及模型研究”(编号51309117)的部分研究内容。喷头是喷灌系统质量好坏的关键设备,而喷头在低压工况下保持良好的水力性能能够降低喷灌系统的能耗。低压旋转式喷头作为一种新型的变转速喷头,在低压条件下,会出现水力性能变差以及旋转不稳定的问题,因此对低压旋转式喷头进行改进及优化具有重要的意义。本文采用理论分析、试验研究以及数值模拟等方法,对低压旋转式喷头进行了系统的研究。本文主要研究内容和创新点如下:(1)通过对低压旋转式喷头结构和工作原理的分析,首次研究了喷头阻尼机构的关键参数对喷头水力性能的影响。结果表明,相同工作条件下,随着齿轮宽度的增加,喷头转速逐渐降低,并且降低幅度逐渐增加。综合考虑喷头的水力性能,阻尼机构中齿轮宽度的最佳参数为4mm,此时喷头的转速为0.94r/min,射程为11.8m,组合均匀系数均在80%以上。(2)采用数值模拟与试验研究相结合的方法,分析了喷头出口截面形状对喷头内部流场和水力性能的影响,确定了低压旋转式喷头的最佳出口截面形状为倒U形。喷头出口形状为倒U形时的水力性能优于其它3种喷头。以200kPa工作压力为例,倒U形喷嘴的射程最远,达到了12.2m,末端平均水滴直径最小,为4.81mm,最佳组合间距为1.2R,该间距下的组合均匀性系数为85.8%。(3)采用正交设计法分析了喷头空间流道的结构参数对喷头水力性能的影响规律,并采用综合加权评分法和极差分析法确定了各因素对组合均匀系数和射程综合评价指标影响的主次顺序为:出口仰角、流道型线弧长、流道偏转角、出口截面形状。喷头空间流道的最优参数组合为出口截面为倒U形,流道偏转角为4.5°,流道型线弧长为29mm,出口仰角为19°。(4)应用PIV测速技术对喷头空间流道进行了可视化研究,对比优化前后喷头内流场流速的变化规律。结果表明,喷头内流场的主射流速度在喷嘴的渐缩管部位变化最大,同一工作压力下,优化后喷头内流场的主射流速度增长率是优化前的1.03~1.19倍。且在工作压力提高时,优化后喷头内流场同一位置处的主射流速度增长率是优化前的1.16~1.34倍。将优化前后的低压旋转式喷头进行性能对比试验研究。结果表明,优化后喷头的水力性能要优于原喷头。以175kPa工作压力为例,射程降低了2.54%,最佳组合间距提高了8.33%,最佳组合间距下的组合均匀系数提高了18.8%,末端平均水滴直径降低了12.5%。(5)首次建立了低压旋转式喷头的性能评价指标,主要包括射程降低系数、组合均匀性系数、喷灌水利用率、喷灌强度变化系数和雨滴直径的比重系数。并采用模糊综合评价的数学方法对优化前后喷头的水力性能进行综合评价。结果表明,优化后喷头的综合评价结果比优化前要好。