本课题来源于国家高技术研究发展计划(863计划)“精确喷灌技术与产品”(编号2011AA100506)、国家农业科技成果转化基金(863计划)“变量喷洒轻小型喷灌机组完善与中试”(编号2011GB2C100015)。全射流喷头是我国具有自主知识产权的一种新型节水灌溉产品,应用水流附壁效应完成喷头直射、步进和反向的功能,具有结构简单、造价低、喷洒性能等优点。从全射流喷头现阶段的研究来看,附壁射流元件的内部流动理论研究是全射流喷头结构优化的关键。因此,本文采用理论分析、试验研究与数值计算相结合的方法,通过研究全射流喷头射流元件中的附壁流动特性,掌握小位差比率射流元件水流附壁规律,为全射流喷头的优化设计提供理论依据,同时为其它新型射流控制元件的开发奠定理论基础,促进水射流技术在工农业生产的更广泛应用。本文主要研究工作和创新点有：(1)从自由紊动射流理论及附壁射流理论出发,推导射流元件内附壁流场关键参数的计算公式。对附壁点距离进行了编程计算。对全射流喷头射流元件的切换性能进行分析和研究,并提出将切换响应时间tq、间隙补气速度uj、附壁力Fj、最大附壁力点距离xf作为衡量射流元件性能的重要参数。(2)首次采用PIV设备对位差比率小于1的附壁式射流元件内部流动进行研究。搭建射流元件内部流动PIV试验台,设计和加工透明观测样机,对不同结构尺寸的样机在不同流量下的附壁射流流场进行了PIV测量。研究结果表明：位差比率D/b不变,附壁点距离xr随着流量的变化很小；相同流量下,附壁点距离随着位差比率的增大而增大；相同位差比率的样机,在补气孔距离h为3mmm时附壁点距离最短；在Q=3m3/h,作用区长度L为60mm时,位差比率大于0.5的样机无法实现附壁,因此将研究范围缩小到位差比率小于0.5的样机。通过PIV试验研究结果,初步得出了盖板间隙取值范围,即：左间隙值gp<2mm,右间隙值g2<1.5mmm。(3)建立全射流喷头射流附壁力模型,对射流元件内水流附壁冲击力进行了分析和计算。搭建通用喷头力测量试验台,通过测量喷头运转驱动力和转体摩擦力初步得到射流元件水流附壁冲击力Fj的间接试验值,并与理论计算和数值模拟结果进行了比较,其变化趋势相同。(4)结合CATIA知识工程顾问模块建立了一套包括三维几何模板、网格划分和数值计算在内的附壁射流元件模型参数化设计流程。建立了适合于小位差比率附壁式射流元件两相流数值计算模型。通过与PIV内部流场测量结果对比,选择SST湍流模型及表面自由两相流模型进行模拟,其附壁点距离的结果与PIV试验误差在5%以内,位差比率和补气孔距离对附壁射流流场的影响规律与PIV试验完全一致。(5)数值模拟分析了关键几何参数对于附壁射流性能的影响。保持其他结构参数相同,随着位差比率的增大,附壁点距离增大。但当位差比率大于0.5时,需要将作用区加长到70mmm水流才能实现附壁,不宜应用于射流喷头中。将射流元件的位差比率选择范围缩小到0.15-0.4范围内,并根据数值模拟计算得到的附壁点距离值对理论计算值进行了修正,得到了不同位差比率下附壁点距离的理论值和模拟值之间的函数关系式。附壁点距离随着补气孔位置的升高先减小随后增大,当h=3mm时,射流模型完全附壁所需要的长度最短。盖板间隙尺寸直接决定间隙补气速度uj,对附壁流场影响较大。通过模拟将盖板间隙的取值范围进一步缩小：盖板左间隙g1控制在0.5-1.5mm,盖板右间隙g2控制在0.25-1.25mm。(6)通过正交化数值模拟对结构参数进行优化,并设计开发出外取水射流元件及喷头。以切换响应时间tq、附壁力Fj、最大附壁力点距离xf作为正交模拟中衡量射流元件性能的指标,通过正交数值模拟得到了各位差比率所对应的最佳结构参数组合。在射流元件内部流动特性研究的基础上,对全射流喷头进行了结构优化和改进,设计出外取水射流元件及PXSBW40双向步进外取水全射流喷头。介绍了PXSBW40双向步进式全射流喷头的工作原理,分析了正向步进和反向步进的工作过程,并与PXH40喷头和PY40喷头进行了水力性能对比,结果表明PXSBW40双向步进式全射流喷头水力性能和运转稳定性优于另外两种喷头。