流道結(jié)構(gòu)對(duì)非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水力性能影響的試驗(yàn)研究

楊 雯，朱德蘭,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭是一種廣泛應(yīng)用于我國(guó)移動(dòng)式噴灌機(jī)組的噴灌設(shè)備，具有抗風(fēng)性強(qiáng)、造價(jià)低和能耗小[1]等優(yōu)點(diǎn)。工作時(shí)，射流離開噴嘴后，在散水盤流道中散水和消能以完成噴灑[2]，因此流道結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系到整個(gè)非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的灌溉質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的研究已有很多重要成果。Faci等[3]對(duì)比了非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭和旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的水量分布模式、有風(fēng)條件下的蒸發(fā)漂移損失和不同噴頭間距下的組合均勻性系數(shù)。Yan等[4]研究了36流道噴盤Nelson D3000型噴頭壓力～流量關(guān)系、射程、有效濕潤(rùn)寬度和噴灌強(qiáng)度及在圓形噴灌機(jī)上進(jìn)行了不同百分率計(jì)時(shí)器限制下的縱向和橫向均勻性。Burillo等[5]通過試驗(yàn)獲得不同噴嘴直徑下近噴盤處的水滴速度和角度，并采用彈道軌跡模擬噴盤內(nèi)部流速和能量損失。鞏興暉等[6]采用視頻雨滴譜儀，分析了36流道噴盤Nelson D3000型噴頭水滴直徑沿射程的變化趨勢(shì)，及水滴速度水滴角度與水滴直徑之間的關(guān)系。以上對(duì)非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的研究中，主要集中在噴頭水力性能的對(duì)比及評(píng)價(jià)方面，而通過散水盤流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探究流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水力性能影響的研究鮮有報(bào)到。

本文以非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭為研究對(duì)象，通過散水盤流道長(zhǎng)度、流道個(gè)數(shù)和流道出口形狀設(shè)計(jì)，采用正交試驗(yàn)法測(cè)試并分析了單噴頭水量分布，計(jì)算射程和2.5 m噴頭間距下的組合均勻性系數(shù)，并運(yùn)用極差分析法研究了流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水力性能的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 非旋轉(zhuǎn)折射式噴盤結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

美國(guó)Nelson公司生產(chǎn)的D3000等系列非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭采用一種固定散水盤的散水結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖2為散水盤的結(jié)構(gòu)示意圖，流道結(jié)構(gòu)參數(shù)包括流道長(zhǎng)度、流道個(gè)數(shù)和流道出口形狀等。

試驗(yàn)選擇噴盤的流道長(zhǎng)度、流道個(gè)數(shù)和流道出口形狀為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平，表1為試驗(yàn)因素水平表。在Pro/E繪圖軟件完成噴盤的三維造型，在西安交通大學(xué)快速制造國(guó)家工程研究中心采用SPS450B型激光快速成型機(jī)完成試件的加工(加工精0.1 mm)，圖3為不同處理的散水盤三維實(shí)體圖。

圖1 D3000型噴頭結(jié)構(gòu)圖

圖2 非旋轉(zhuǎn)折射式散水盤結(jié)構(gòu)示意圖

水平因 素流道長(zhǎng)度/mm流道個(gè)數(shù)流道出口形狀11018矩形2715Y形3412埡口形

圖3 不同處理下散水盤三維實(shí)體圖

1.2 試驗(yàn)裝置與布置

單噴頭移動(dòng)水量分布試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)灌溉水力學(xué)試驗(yàn)廳進(jìn)行。試驗(yàn)采用自行研制的單噴頭移動(dòng)噴灌裝置，噴頭安裝高度2 m，工作壓力50 kPa，管路壓力通過0.4級(jí)精密壓力表控制。試驗(yàn)時(shí)單噴頭移動(dòng)噴灌裝置勻速行走，速度為120 m/h。在移動(dòng)噴灌裝置行走方向上布設(shè)3排雨量筒(直徑11.2 cm，高度15.5 cm)，每排間距為0.5 m，相鄰雨量筒間距為1 m，如圖4所示。用秒表記錄單噴頭噴灑水進(jìn)入雨量筒至離開雨量筒的時(shí)間，作為單噴頭移動(dòng)噴灑時(shí)間。采用稱重法測(cè)量噴灑水的質(zhì)量，取噴灌裝置行走方向上3個(gè)測(cè)點(diǎn)水量的平均值作為該點(diǎn)處的噴水量，每組處理重復(fù)三次，取平均值作為結(jié)果。

圖4 單噴頭水量分布測(cè)試布置

2 結(jié)果與分析

2.1 單噴頭水力性能

圖5為噴盤流道長(zhǎng)度分別為10、7、4 mm時(shí)，不同流道個(gè)數(shù)和流道出口形狀下的水量分布。從圖5可以看出，不同處理下的單噴頭水量分布呈波浪形上下浮動(dòng)，但波動(dòng)的幅度和噴灌強(qiáng)度峰值有差異，處理1～9的噴灌強(qiáng)度峰值分別為24.73、32.05、24.97、22.50、26.40、18.27、16.87、26.54和17.66 mm/h。依據(jù)實(shí)測(cè)的單噴頭水量分布，采用線性插值方法[7]，求出噴灌強(qiáng)度為0.15 mm/h的點(diǎn)至噴頭中心的距離，作為噴頭射程。處理1～9的射程分別為4.15、6.19、5.34、4.29、4.13、4.42、4.36、4.84和4.79 m。

圖5 不同處理下單噴頭移動(dòng)水量分布曲線

采用極差分析法分析試驗(yàn)各因素水平的改變對(duì)射程和噴灌強(qiáng)度峰值的影響，如表2所示。從表2可以看出，流道長(zhǎng)度L、流道個(gè)數(shù)N和流道出口形狀S對(duì)射程影響的極差分別為：0.95、0.79和0.62，主次順序依次為流道長(zhǎng)度、流道個(gè)數(shù)、流道出口形狀，由于較遠(yuǎn)的射程是噴頭噴灌的主要技術(shù)要求之一，所以3個(gè)因素各水平的均值k最大的值是因素的最優(yōu)水平，得到三因素的最優(yōu)組合是L1N2S2。

表2 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射程R和噴灌強(qiáng)度峰值Hm影響的極差分析

注：L、N、S分別表示流道長(zhǎng)度、流道個(gè)數(shù)和流道出口形狀；K1、K2、K3表示各因素各不相同水平的流態(tài)指數(shù)或流量和；k1、k2、k3表示K1、K2、K3的均值；R表示各因素的極差，為各因素水平的最大平均值減去最小平均值的差值。表3同。

流道長(zhǎng)度L、流道個(gè)數(shù)N和流道出口形狀S對(duì)噴灌強(qiáng)度峰值影響的極差分別為：6.90、8.03和1.32，主次順序依次為流道個(gè)數(shù)、流道長(zhǎng)度、流道出口形狀，由于噴灌強(qiáng)度峰值過大，會(huì)增加產(chǎn)生地表徑流可能性，因此3個(gè)因素各水平的均值k最小的值是因素的最優(yōu)水平，得到三因素的最優(yōu)組合是L3N3S3。且從流道長(zhǎng)度各水平的均值k可以看出，隨著流道長(zhǎng)度的減小，噴灌強(qiáng)度峰值逐漸降低。

2.2 組合噴灑均勻性系數(shù)

非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭組合間距經(jīng)濟(jì)合理的范圍不大于3 m[2]，選取非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭常用組合間距2.5 m，采用直接疊加法，得到組合噴頭水量分布，組合疊加方法[3]如圖6所示(以處理1為例)。再采用Christiansen計(jì)算法[8]求得處理1～9的噴灑組合均勻性系數(shù)，依次為94.62%、79.13%、80.10%、91.93%、76.85%、93.30%、90.53%、76.28%和85.23%。其中，處理1、處理4、處理6、處理7、處理9的組合均勻性系數(shù)均大于85%以上，符合我國(guó)噴灌工程技術(shù)規(guī)范[9]規(guī)定的行噴式噴灌均勻度不應(yīng)低于85%的要求，而其他處理的噴灌均勻度相對(duì)較低，但均大于75%，這由于在相同的噴頭組合間距下，單噴頭水量分布不同所致。

圖6 噴頭間距為2.5 m時(shí)組合水量分布疊加方法示意圖

采用極差分析法分析試驗(yàn)各因素水平的改變對(duì)組合噴灑均勻性系數(shù)的影響，如表3所示。從表3可以看出，流道長(zhǎng)度L、流道個(gè)數(shù)N和流道出口形狀S對(duì)組合噴灑均勻性系數(shù)影響的極差分別為：3.55、14.94和0.14，主次順

表3 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴灑組合均勻性系數(shù)Cu影響的極差分析

序依次為流道個(gè)數(shù)、流道長(zhǎng)度、流道出口形狀，由于組合噴灑均勻性系數(shù)越高，噴灌效果越好，所以3個(gè)因素各水平的均值k最大的值是因素的最優(yōu)水平，得到三因素的最優(yōu)組合是L2N1S1。

3 結(jié) 語(yǔ)

不同流道長(zhǎng)度、流道個(gè)數(shù)和流道出口形狀非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的單噴頭水量分布呈波浪形上下浮動(dòng)，但波動(dòng)的幅度有差異。流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射程影響的主次順序?yàn)榱鞯篱L(zhǎng)度、流道個(gè)數(shù)、流道出口形狀，對(duì)噴灌強(qiáng)度峰值影響的主次順序?yàn)榱鞯纻€(gè)數(shù)、流道長(zhǎng)度、流道出口形狀。隨著流道長(zhǎng)度的減小，噴灌強(qiáng)度峰值逐漸降低。流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)組合噴灑均勻性系數(shù)影響的主次順序?yàn)榱鞯纻€(gè)數(shù)、流道長(zhǎng)度、流道出口形狀。

[1] Yan H J, Bai G, He J Q, et al. Influence of droplet kinetic energy flux density from fixed spray-plate sprinklers on soil infiltration, runoff and sediment yield[J]. Biosystems Engineering, 2011,110(2):213-221.

[2] 蔡振華. 中心支軸式噴灌機(jī)關(guān)鍵灌水組件開發(fā)及試驗(yàn)研究[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院, 2009.

[3] Faci J M, Salvador R, Playán E, et al. Comparison of fixed and rotating spray plate sprinklers[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2001,127(4):224-233.

[4] Yan H J, Jin H Z, Qian Y C. Characterizing center pivot irrigation with fixed spray plate sprinklers[J]. Science China Technological Sciences, 2010, 53(5):1 398-1 405.

[5] Sánchez Burillo G, Delirhasannia R, Playán E, et al. Initial drop velocity in a fixed spray plate sprinkler[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2013,139(7):521-531.

[6] 鞏興暉, 朱德蘭, 張 林, 等. 基于2DVD的非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水滴直徑分布規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014,45(8):128-133.

[7] 柴春嶺,楊路華, 脫云飛,等. 可調(diào)式微噴頭出水口流道形式對(duì)噴灑水性能影響的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(3):17-20.

[8] Christiansen J E. Irrigation by sprinkling[California Agricultural Experiment Station Bull.No.670][R]. Davis: California University, 1942.

[9] GB/T50085-2007，噴灌工程技術(shù)規(guī)范[S]．