旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭噴嘴直徑對(duì)噴盤(pán)轉(zhuǎn)速和噴灌強(qiáng)度的影響

焦 健，蘇德榮，王亞?wèn)|，羅 琰，李興福(北京林業(yè)大學(xué)草地生態(tài)與資源研究中心，北京 100083)

0 引 言

中心支軸式噴灌機(jī)具有灌溉效率高、覆蓋面積廣、自動(dòng)化程度高以及省水省肥等優(yōu)勢(shì)[1-3]，在現(xiàn)代草牧業(yè)生產(chǎn)灌溉中占據(jù)重要地位，在我國(guó)以至全世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛[4,5]。中心支軸噴灌機(jī)是一種典型的頂端噴灌模式，即噴頭垂直懸掛于冠層以上進(jìn)行噴灌。為降低能耗，當(dāng)前中心支軸式噴灌機(jī)多使用低壓散射式噴頭[6]。噴頭內(nèi)部的水流垂直射向噴盤(pán)(折射盤(pán))，根據(jù)噴盤(pán)射流槽的形狀，折射水流以特定形態(tài)射向噴頭四周。而根據(jù)噴盤(pán)是否能夠轉(zhuǎn)動(dòng)將噴頭分為固定噴盤(pán)噴頭和旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭[7,8]。相比固定噴盤(pán)噴頭，旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭具有更多的優(yōu)點(diǎn)[7]。以往的研究表明，旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭的水量分布形態(tài)更理想[7,9]，旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭的噴灑均勻度較固定噴盤(pán)噴頭高10%左右[10,11]。因此為提高灌溉質(zhì)量，旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭中，旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)連接一個(gè)阻尼器以控制噴盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度，阻尼器中阻尼脂的濃度決定了噴盤(pán)旋轉(zhuǎn)的阻尼力度。已有研究報(bào)道了不同阻尼脂濃度對(duì)旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)阻尼脂濃度越低，噴盤(pán)轉(zhuǎn)速越高，且轉(zhuǎn)速越高，噴頭的射程越近[12,13]。也有研究對(duì)比了兩種轉(zhuǎn)速不同的旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭，結(jié)果顯示噴盤(pán)轉(zhuǎn)速更高的噴頭具有更低的射程[14]。而King和Bjorneberg[15]對(duì)多種旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭研究指出，噴盤(pán)轉(zhuǎn)速更高的噴頭的噴灌強(qiáng)度更高，這容易引起水土流失問(wèn)題。綜合以上研究結(jié)果，可見(jiàn)噴盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)同時(shí)引起噴灑范圍減小和噴灌強(qiáng)度增加。目前對(duì)旋轉(zhuǎn)噴頭轉(zhuǎn)速的研究主要以控制阻尼器的阻尼或?qū)Ρ葍煞N型號(hào)的旋轉(zhuǎn)噴頭為主，而未考慮噴嘴尺寸對(duì)其噴盤(pán)轉(zhuǎn)速、噴灑半徑和噴灌強(qiáng)度的影響。在中心支軸噴灌機(jī)實(shí)際噴頭配置中，通常未考慮噴頭阻尼器阻尼的變化。對(duì)大型中心支軸式噴灌機(jī)，由于輸水管路較長(zhǎng)，相比靠近中心軸處的噴頭，距中心軸較遠(yuǎn)的噴頭相對(duì)地面的線速度更大，為了保證沿噴灌機(jī)半徑方向有滿意的噴灌均勻度，沿噴灌機(jī)半徑方向噴頭的噴嘴直徑必須逐漸增大[16,17]，以增加流量。

因此本研究旨在不同壓力下，測(cè)量不同噴嘴直徑下中心支軸噴灌機(jī)用旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭的噴盤(pán)轉(zhuǎn)速、流量和噴灑半徑，并分析其噴灌強(qiáng)度。研究由于噴嘴直徑引起的噴盤(pán)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，以及進(jìn)一步的轉(zhuǎn)速與流量、噴灑半徑和噴灌強(qiáng)度間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 噴 頭

試驗(yàn)選用中心支軸噴灌機(jī)專用旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭R3000(Nelson irrigation Co., USA)，并配備了棕色噴盤(pán)，此噴頭和噴盤(pán)將水流折射成為多重傾角的12股水流，噴盤(pán)在水流噴射形成的力矩下轉(zhuǎn)動(dòng)，形成12股轉(zhuǎn)動(dòng)的水流，并在旋轉(zhuǎn)作用下完成單噴頭的全圓噴灑。

試驗(yàn)選用的噴嘴直徑分別為2.78、3.97、4.76、5.56、6.35、6.75和7.54 mm，并進(jìn)行了0.070、0.140和0.200 MPa共3種壓力的測(cè)量。為保持壓力一致，每次更換新噴嘴后均重新調(diào)節(jié)壓力至試驗(yàn)所需值。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在開(kāi)闊的田間條件下進(jìn)行。一個(gè)高2.3 m、長(zhǎng)8 m的塔架用于懸掛噴頭于離地100 cm高度處。噴頭由塑料軟管懸掛于塔架橫梁中央，其余部分供水管路為PVC管，管徑均為25 mm。管路中安裝有壓力表以及調(diào)壓閥門(mén)以控制入水壓，在調(diào)壓閥之前安裝有一個(gè)精度為0.5%的電磁流量計(jì)測(cè)量噴頭流量。同時(shí)還安裝有砂石過(guò)濾器以防止噴頭堵塞。水源來(lái)自于一個(gè)地面蓄水池，并由一臺(tái)最大水壓為0.35 MPa、最大流量為6 m3/h的水泵提供加壓水。

1.3 測(cè)量與數(shù)據(jù)處理

噴盤(pán)轉(zhuǎn)速的測(cè)量：以某一股水流旋轉(zhuǎn)360°記錄為噴頭旋轉(zhuǎn)一圈所用時(shí)間，即旋轉(zhuǎn)周期T，采用秒表計(jì)時(shí)，每次均測(cè)量3次并取平均值為本次測(cè)量的最終旋轉(zhuǎn)周期。隨后利用式(1)將噴頭旋轉(zhuǎn)周期換算為每分鐘所轉(zhuǎn)圈數(shù)，即轉(zhuǎn)速：

(1)

式中：RPM為噴頭的轉(zhuǎn)速，r/min；T為噴頭的旋轉(zhuǎn)周期，min。

噴頭的噴灑半徑的測(cè)量按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19795.1-2005[18]進(jìn)行。噴灑范圍由噴灑半徑按圓形計(jì)算而得，流量直接由電磁流量計(jì)測(cè)得，并可由以上二者計(jì)算得噴灌強(qiáng)度。

所有的測(cè)量均在無(wú)風(fēng)或微風(fēng)條件下進(jìn)行(<0.9 m/s)。所有壓力與噴嘴的處理組合均重復(fù)3次。數(shù)據(jù)處理采用SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析(SPSS Inc., Chicago, USA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴嘴直徑與轉(zhuǎn)速

不同噴灌壓力下，噴盤(pán)轉(zhuǎn)速隨噴嘴直徑的變化規(guī)律如圖1所示。當(dāng)壓力分別為0.070、0.140和0.200 MPa時(shí)，噴盤(pán)轉(zhuǎn)速范圍為0.431～0.737、0.987～1.639和1.921～3.128 r/min。

圖1 噴嘴直徑與噴盤(pán)轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.1 Relationships between nozzle diameters and rotational speed of spray plate

隨噴嘴直徑增加，噴盤(pán)轉(zhuǎn)速逐漸增加。當(dāng)噴嘴直徑超過(guò)5.56 mm后，轉(zhuǎn)速增加的趨勢(shì)逐漸放緩，此后對(duì)應(yīng)0.070、0.140和0.200 MPa壓力時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍分別為0.703～0.737、1.500～1.639和2.949～3.128 r/min。此外，壓力越高，當(dāng)噴嘴直徑由2.78 mm增加至5.56 mm過(guò)程中，轉(zhuǎn)速的增加速率也越高。再者，如圖2所示，壓力越強(qiáng)，噴盤(pán)平均轉(zhuǎn)速顯著越高(P<0.05)。

圖2 不同壓力下的噴盤(pán)平均轉(zhuǎn)速Fig.2 Average rotational speed of spray plate under conditions of different pressure

2.2 流量與轉(zhuǎn)速

圖3表示了不同壓力下噴頭流量與噴盤(pán)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。首先可見(jiàn)在更大的壓力下，有更廣的流量輸出范圍，最小流量及最大流量的值均隨壓力的增加而增加。其次，與噴嘴對(duì)轉(zhuǎn)速的影響類似，流量越大則轉(zhuǎn)速越高。對(duì)0.070 MPa壓力，當(dāng)流量達(dá)到0.837 m3/h時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)0.714 r/min后基本不再增加。對(duì)0.140 MPa壓力，當(dāng)流量達(dá)到1.135 m3/h時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)1.500 r/min后基本不再增加。對(duì)0.200 MPa壓力，當(dāng)流量達(dá)到1.500 m3/h時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)3.023 r/min后基本不再增加。且壓力越大，轉(zhuǎn)速對(duì)流量的變化越敏感。

圖3 噴頭流量與噴盤(pán)轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.3 Relationship between sprinkler discharge and rotational speed of spray speed

2.3 噴嘴直徑與噴灑半徑

如圖4對(duì)任意壓力，當(dāng)噴嘴直徑小于5.56 mm時(shí)，噴灑半徑隨噴嘴直徑的增加而增加，當(dāng)噴嘴直徑為5.56 mm時(shí)，噴灑半徑達(dá)到最大值，當(dāng)噴嘴直徑大于5.56 mm后，噴灑半徑則隨噴嘴直徑的增加而減小。當(dāng)壓力為0.070、0.140和0.200 MPa時(shí)，噴灑半徑分別為3.60～4.90、5.06～6.54和6.48～7.92 m。

圖4 噴頭流量與噴灌半徑的關(guān)系Fig.4 Relationship between nozzle diameters and wetted diameters

2.4 噴嘴直徑與噴灌強(qiáng)度

噴灌強(qiáng)度一方面隨壓力的增加而降低，0.070、0.140和0.200 MPa壓力時(shí)的噴灌強(qiáng)度分別為5.60～26.31、3.84～19.46和3.10～14.31 mm/h。其中0.070 MPa時(shí)的噴灌強(qiáng)度顯著(P<0.05)高于0.140和0.200 MPa。另一方面，噴灌強(qiáng)度隨噴嘴直徑的增加而增加，噴嘴直徑越大，噴灌強(qiáng)度的增加速率越快，呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系(圖5)。

圖5 噴頭流量與噴灌強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between nozzle diameters and application intensities

通過(guò)歸回分析，試驗(yàn)中各壓力下噴嘴直徑與噴灌強(qiáng)度的關(guān)系如式(2)～式(4)所示。

0.070 MPa：

R=17.360 0-7.060 6d+1.083 7d2

R2=0.993P<0.01

(2)

0.140 MPa：

R=12.130 4-5.052 2d+0.786 2d2

R2=0.988P<0.01

(3)

0.200 MPa：

R=3.765 9-1.250 2d+0.355 9d2

R2=0.996P<0.01

(4)

式中：R為灌溉強(qiáng)度，mm/h；d為噴嘴直徑，mm。

其中二次項(xiàng)的參數(shù)值隨壓力的減小而增大，表明壓力越低，噴灌強(qiáng)度隨噴嘴直徑增加的速率越快。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

本研究觀測(cè)得的R3000噴頭在不同壓力及不同噴嘴直徑下的噴盤(pán)轉(zhuǎn)速范圍為0.431～2.949 r/min。當(dāng)噴頭壓力為0.070 MPa時(shí)，測(cè)得轉(zhuǎn)速范圍總體小于以往報(bào)道的R3000的轉(zhuǎn)速范圍[15]，但當(dāng)壓力增加至0.140 MPa后，轉(zhuǎn)速則與以往研究一致。

以往研究各類旋轉(zhuǎn)噴頭噴盤(pán)轉(zhuǎn)速與水力性能的報(bào)道均指出：噴頭的最大噴灑半徑與轉(zhuǎn)速成反比[12,13]。此外，在中心支軸噴灌機(jī)用非旋轉(zhuǎn)的固定噴盤(pán)噴頭上的研究表明[8,19]，噴灑半徑也是隨噴嘴直徑增加而增加的。因此，對(duì)旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭而言，噴灑半徑是噴嘴直徑和轉(zhuǎn)速共同作用的結(jié)果。本研究中，當(dāng)噴嘴直徑大于5.56 mm后，噴灑半徑開(kāi)始縮小，表明此時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)噴灑半徑的影響開(kāi)始起主導(dǎo)作用。因此，對(duì)旋轉(zhuǎn)噴頭而言，當(dāng)配置噴嘴大于5.56 mm后，在流量增大的同時(shí)伴隨著噴灌面積縮小的問(wèn)題。

灌溉強(qiáng)度過(guò)高有引起地表徑流和土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)[15]。有研究對(duì)比兩種轉(zhuǎn)速的中心支軸式噴灌機(jī)的旋轉(zhuǎn)噴頭，結(jié)果顯示，高噴盤(pán)轉(zhuǎn)速的噴頭具有更高的最大噴灌強(qiáng)度，且在粉壤土和沙壤土條件下以及近似的流量條件下，轉(zhuǎn)速更高的噴頭具有顯著更高的產(chǎn)沙量，即造成了更顯著的水土流失。

因此，對(duì)采用了旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭的中心支軸噴灌機(jī)而言，對(duì)于遠(yuǎn)離中心軸的外側(cè)跨架而言，其配備了更大直徑的噴嘴以滿足大流量的要求，但同時(shí)需注意噴嘴直徑增大引起的轉(zhuǎn)速增加、噴灑半徑縮小和進(jìn)而導(dǎo)致噴灌強(qiáng)度增加問(wèn)題，尤其當(dāng)噴灌機(jī)壓力較低時(shí)，這一問(wèn)題將更加突出。在中心支軸噴灌機(jī)旋轉(zhuǎn)噴頭的配置中，對(duì)配置了5.56 mm以上噴嘴的噴頭，可考慮適當(dāng)增加噴頭的阻尼，以降低由于噴盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)高引起的灌溉強(qiáng)度過(guò)高問(wèn)題。

3.2 結(jié) 論

試驗(yàn)測(cè)量了中心支軸噴灌機(jī)用的旋轉(zhuǎn)噴盤(pán)噴頭(R3000)不同壓力條件下不同噴嘴直徑時(shí)噴盤(pán)轉(zhuǎn)速、流量和噴灑半徑，得到以下主要結(jié)論。

當(dāng)噴頭壓力為0.070、0.140和0.200 MPa時(shí)，噴盤(pán)的轉(zhuǎn)速分別為0.431～0.737、0.987～1.639和1.921～3.128 r/min。噴盤(pán)轉(zhuǎn)速隨噴嘴直徑增加而增加，當(dāng)噴嘴直徑達(dá)到5.56 mm后，3種壓力下轉(zhuǎn)速范圍分別穩(wěn)定在0.703～0.737、1.500～1.639和2.949～3.128 r/min內(nèi)。

噴盤(pán)轉(zhuǎn)速隨流量的增加而增加，在壓力為0.070、0.140和0.200 MPa條件下，當(dāng)流量分別達(dá)到0.837、1.135和1.500 m3/h時(shí)，轉(zhuǎn)速分別達(dá)到0.714、1.135和3.023 r/min后，轉(zhuǎn)速達(dá)基本穩(wěn)定。且壓力越大，轉(zhuǎn)速隨流量的變化越劇烈。

在任何壓力下，噴嘴直徑小于5.56 mm時(shí)，噴灑半徑隨噴嘴直徑的增加而增加，當(dāng)噴嘴直徑大于5.56 mm后，噴灑半徑則隨噴嘴直徑的增加而減小。

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