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为解决喷头水力性能受多因素影响且难以优化的问题，研究人员开展水散射针式喷头水力性能优化研究。利用 RF-NSGA II 算法优化关键参数，结合 CFD 分析机制。结果提升了喷头性能，为喷头优化提供参考。
在农业灌溉领域，喷头的水力性能至关重要。想象一下，农田里喷头喷洒的水如同天女散花，若喷洒不均匀，有的地方水多成涝，有的地方水少干旱，农作物怎能茁壮成长？而喷头的水力性能，像喷射半径、喷水速率、喷雾均匀度等指标，直接关系到灌溉系统的整体效果。影响水散射针式喷头水力性能的因素众多，包括工作压力、旋转速度（n）、水散射针的锥角（θ）、入水深度（h1）以及喷嘴出口与水散射针的距离（l） 。
随着能源危机的加剧，在设计喷头系统时节能成为关键目标。降低喷头工作压力是节能的直接方法，可这会导致喷雾半径减小和喷水不均匀。为解决这些问题，研究人员尝试通过改变旋转速度和调整水散射针参数来弥补压力降低带来的影响。但以往研究大多只关注单个因素对喷头水力性能的影响，忽略了多个因素（n、θ、h1、l ）的综合作用。而且，喷射半径和组合均匀度之间存在矛盾关系，一个指标的提升往往伴随着另一个指标的下降，这使得优化喷头的水力性能困难重重。
为了突破这些困境，国内的研究人员开展了一项深入研究。他们希望找到喷头关键参数的最佳组合，提升喷头的水力性能，为灌溉系统的优化提供有力支持。该研究成果发表在《Biosystems Engineering》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先设计了实验装置，在不同工作压力下收集了 84 组训练样本数据，涵盖旋转速度、水散射针参数等不同条件下的喷射半径和组合均匀度数据。然后利用随机森林模型（RF）建立喷射半径和组合均匀度的预测模型，该模型能有效处理复杂的非线性关系。接着运用非支配排序遗传算法 II（NSGA II）构建多目标优化模型，求解关键参数的最优组合。最后结合计算流体动力学（CFD）方法，利用 VOF 方法、重叠网格技术和自适应网格细化（AMR）技术，分析喷头水力性能提升的内在机制。
数据采集
研究人员在 160kPa、200kPa、250kPa 和 300kPa 的工作压力下，精心收集了 84 组训练样本。喷射半径通过测量喷头到喷雾半径末端水施加速率为 0.26mm h?1 处的距离来确定；组合均匀度则依据特定公式（文中未详细给出具体公式，仅提及使用 Eq.(1) ），借助 MATLAB 软件编程计算得出，计算时两相邻喷头的间距设定为特定值（文中未明确间距具体数值 ）。
多目标优化
通过 RF-NSGA II 算法进行多目标优化，整个流程包含四个主要环节。先是实验设计与搭建，获取相关数据；接着利用 RF 模型预测喷射半径和组合均匀度；然后运用 RF-NSGA II 模型开展多目标优化；最后探索优化机制。在这个过程中，RF 模型发挥了重要作用，它对喷射半径和组合均匀度的预测精度极高，最小拟合值超过 0.96。经 RF-NSGA II 算法优化后的结果与实验结果相比，最大偏差不超过 8%。这一优化成果实现了关键参数的最佳匹配，显著提升了喷射半径和组合均匀度。
优化机制分析
借助 CFD 方法，研究人员深入剖析了喷头水力性能提升的内在机制。研究发现，喷射半径增加的主要原因是熵产生减少和射流速度增加。熵产生的减少意味着能量损耗降低，更多能量可用于推动水流喷射得更远；射流速度的提升则直接增强了水流的喷射能力。而组合均匀度的改善，得益于空气夹带率增加、液膜分布面积扩大，以及液丝和液滴数量增多。空气夹带率增加能更好地混合空气与水，使喷雾更均匀；液膜分布面积扩大和液丝、液滴数量增多，则让水在更大范围内更均匀地分布。
综合来看，这项研究意义重大。它成功解决了喷头关键参数难以优化的难题，为喷头设计提供了最佳参数组合方案。通过 CFD 分析揭示的优化机制，让人们对喷头水力性能提升的原理有了更深入的理解。这不仅有助于农业灌溉领域提高水资源利用效率，实现节水节能，还为后续喷头技术的进一步发展和改进提供了坚实的理论基础和实践指导。研究人员运用的多种技术方法相互配合，为解决复杂的工程问题提供了新的思路和有效途径，对推动相关领域的发展具有重要的借鉴价值。
