喷头是影响喷灌技术灌水质量的关键设备，世界主要发达国家一直致力于多功能、节能与低压喷头的研究开发。为了进一步提高旋转式喷头在中低压工作条件下的灌水质量，针对现有全射流喷头在工作时存在难以稳定取得信号水或是射流给导水板的作用力矩较小等问题，对全射流喷头的取水方式进行改进，研制出了一种新型旋转式射流喷头。本文采用二维网格数值插值、摄影法及粒子追踪测速技术对旋转驱动射流喷头的水力性能及水滴破碎特征进行了系统研究。主要研究内容包括以下几个方面：
　　（1）选取位差、作用区长度、分水孔角度、分水孔直径4个因素，每个因素取3个水平，设计9个喷头进行正交试验，获得9组设计方案在稳定工作下的步进频率和步进角度，以喷头的步进频率和步进角度作为试验指标，利用极差分析法分析了所选参数对试验指标的影响规律，提出了喷头性能较优的结构方案。喷头主要结构参数的影响关系为：影响步进频率主次顺序为位差、分水孔角度、分水孔直径、作用区长度；影响步进角度主次顺序为作用区长度、分水孔直径、分水孔角度、位差。
　　（2）对喷头进行外特性试验，研究了压力和安装高度对喷头流量系数、射程和径向水量分布的影响。测量了喷头在10条射线方向上的旋转速度，通过样条插值把喷头径向水量和周向旋转速度转换为灌溉区域内的网格型数据，仿真出单喷头和组合喷灌下的三维水量分布图。计算出喷头在不同组合间距、不同工作压力以及压力波动下的均匀性系数和分布均匀性系数。模拟结果表明：喷头的灌水峰值随着压力的增大呈减小趋势并最终趋于稳定值；喷头在1.4m安装高度、0.25MPa压力下宜采用1.4R间距的三角形组合；喷头间距为1R时，不同压力下的正方形组合的灌水量从中心向四周逐渐减少，三角形组合喷灌存在三个水量集中区域，且随着压力的增大水量从边缘向内逐渐增大；0.2～0.3MPa压力下的正方形组合喷灌，右侧10%的压力损失对喷头喷灌的均匀性和灌水峰值影响不显著。
　　（3）搭建高速摄影试验台，拍取喷头水滴运动画面，对水滴图像进行滤波去噪、二值化、图像填充以及非目标水滴的排除等预处理步骤后提取了水滴的形态特征参数。计算出喷头在0.2～0.3MPa压力、距喷头6～8m处的水滴算术平均直径、中数直径、标准偏差等参数，讨论了工作压力、安装高度、距喷头距离这3个因素对水滴直径的离散程度影响的显著性。研究表明6～8m处水滴直径累计频率符合玻尔兹曼分布规律，对水滴破碎程度影响的主次顺序为工作压力、距喷头距离、安装高度。
　　（4）采用PTV技术对一系列帧水滴图像进行处理，提取了喷头在0.2～0.3MPa压力、距喷头6～8m处出水滴运动的水平速度、垂直速度及合速度，建立了该处水滴合速度频率的分布模型，统计了水滴速度的最大值、最小值和变异度等数字特征，最后模拟了喷头在9m处的水滴运动轨迹。结果表明所建立的数学模型能准确反映喷头水滴的运动规律，模型拟合的确定系数均在0.9以上，水滴群中存在极少数水滴的速度远大于水滴群的平均速度。喷头9m处水滴打击角度的频率有较好的对数正态分布趋势，打击角度随着压力增大而增大。