流体动力式超声雾化喷嘴比一般的二相流喷嘴雾滴质量更好,比压电式超声雾化喷嘴雾化量大,且可以定向喷雾。而在农业大规模雾化栽培领域对雾滴质量及喷嘴喷雾量均有较高的要求,因此研制一种适用于大规模雾化栽培的流体动力式超声雾化喷头是很有必要的。鉴于此,本文根据哈特曼谐振腔的基本原理,设计出了结构参数可调节的带阶梯型谐振腔的Hartmann低频超声雾化喷嘴,包括拉瓦尔管、可旋涡流叶轮、阶梯腔深度比可调的阶梯型谐振管、锥型整流罩。并通过CFD瞬态数值模拟的方法,对锥型整流罩和阶梯型谐振管的结构参数的变化对谐振腔谐振状态的影响做了参数化研究,并据此确定阶梯型谐振腔的关键尺寸。在相同参数条件下,当谐振腔的总深度相等时,阶梯型谐振腔的谐振频率比传统圆柱型谐振腔的谐振频率高,当阶梯型谐振腔深度比超过2时其谐振频率即维持在传统圆柱型谐振腔谐振频率的1.6至1.7倍;锥型整流罩的加入对腔内气体的入流和出流造成周期性的扰动,从而对谐振腔的谐振状态造成影响;阶梯孔孔径比的变化会引起谐振模式的改变。根据以上结果,选用较优设计参数即孔径比D1/D2=2进行谐振腔的试制,并选用较优的拉瓦尔管与谐振腔距离X=5.5mm作为喷雾特性对比测试试验的初始结构参数值。首先,对不同工况和不同结构型式的喷嘴进行了雾滴粒径测定试验,并对喷嘴喷雾系统的流量特性进行了测定。试验结果表明:(1)锥型整流罩使得低压时的雾滴粒径随供气压力变化更加敏感,而在高压时其雾滴粒径与没有加装锥型整流罩的带有阶梯腔的喷嘴相比基本一致;对于带阶梯腔的喷嘴,喷嘴与腔体距离为6.5mm附近SMD达到最小值;雾滴SMD与腔内流体压力、声压级以及谐振腔谐振状态等因素密切相关。阶梯腔式超声雾化喷嘴的最小雾滴粒径为42μm,雾化量约为2L/h。(2)供气压力的变化会使液路流体的流量和流体压力呈现出相反的变化趋势,而供气压力的变大使气路流量随着变大。其次,由于声压级是影响阶梯型谐振腔式超声雾化喷嘴雾化效果的重要参数。为了对阶梯腔式哈特曼谐振腔的声场特性做进一步了解,对阶梯腔式喷嘴的声场特性进行试验,对影响阶梯型谐振腔声场特性的因素进行了研究。采用均匀设计的试验方法,对各因素影响主次顺序进行分析。试验结果表明:锥型整流罩能够有效使喷嘴的声场能量聚拢在锥型罩的范围内,与无圆锥罩相比,其声压级最大提升了13dB;供气压力是影响声压级变化的最主要因素。且试验表明,供气压力一定时,声压级最大点在阶梯腔深度比为0.6至0.8时出现。将声场特性试验结果与雾滴粒径测试结果和数值模拟结果进行对比分析,再次印证声压级是影响雾滴粒径重要参数的结论。最后,在不同的结构参数和工作参数下对喷雾角及喷雾距离的影响进行了试验测定;并设计了两段式雾化栽培器,对带锥型整流罩和可旋涡流叶轮的阶梯腔式超声雾化喷嘴在雾化栽培中应用的可行性进行了分析。结果表明:(1)供气压力在0.3MPa以下时,可旋涡流叶轮的旋转使雾滴群在锥型整流罩的辐射范围内分布的更加均匀扩散的范围更大,喷雾距离更长;(2)雾化角最大值出现在供气压力处于0.15MPa至0.25MPa范围时。这对雾化栽培器内喷嘴的布局有一定的指导意义。