工作壓力及噴射角度對微噴帶單孔噴水特性影響的試驗(yàn)研究

王建軍，楊筠晴，蔡九茂，翟國亮

(1. 河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，鄭州 450003；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002)

微噴帶是在薄壁塑料軟管(盤卷后呈扁平帶狀)的管壁上直接加工以組為單位循環(huán)排列的微孔，在一定壓力條件下通過這些噴孔噴水進(jìn)行灌溉的一種節(jié)水灌溉管材[1]，具有灌水效果好、抗堵塞性能強(qiáng)、操作管理簡單等優(yōu)勢[2,3]。微噴帶灌溉性能主要取決于微噴帶噴水孔分布及其單孔噴水性能[4]。

微噴帶有效噴灑寬度、水分分布均勻性、灌溉強(qiáng)度以及霧化指標(biāo)(水滴直徑)是評價(jià)微噴帶灌溉性能的重要指標(biāo)。眾多研究者通過定性及定量的方式對微噴帶展開了系統(tǒng)研究，主要研究了不同壓力、不同噴射角度下的噴水量分布規(guī)律[2]，不同微噴帶長度對沿程土壤水分的影響[3]；針對實(shí)際應(yīng)用條件，研究了風(fēng)對微噴帶灌溉的影響[4]；不同類型微噴帶及不同應(yīng)用條件下微噴帶的沿程水頭損失等。眾多的研究結(jié)果揭示了微噴帶灌水均勻度、射程、噴灑寬度和灌水強(qiáng)度等性能指標(biāo)隨工作壓力、鋪設(shè)長度、噴射角度、風(fēng)速等的變化規(guī)律。微噴帶是由一定數(shù)量的微噴孔組成，因此，單噴孔的工作特性決定了微噴帶的整體工作性能。目前對于微噴帶單噴孔特性的研究還不多見。因此，本文重點(diǎn)開展了微噴帶單孔試驗(yàn)，通過理論及試驗(yàn)的方法，研究了工作壓力、噴射角度兩參數(shù)對微噴帶單孔噴灑特性、水滴直徑的影響，同時(shí)研究了不同工作壓力對微噴帶直徑的影響。

1　試驗(yàn)測試參數(shù)

微噴帶灌溉與普通的滴灌、噴灌有較大差異，根據(jù)微噴帶的噴水特點(diǎn)，將微噴帶單孔噴水特性測試參數(shù)概括總結(jié)如下。

1.1　射程R

根據(jù)噴灌的國家標(biāo)準(zhǔn)[10]，噴頭的射程是指積雨量筒中收集的水深為0.3 mm/h(噴頭流量低于0.25 mm/h的噴頭為0.15 mm/h)的那一點(diǎn)至噴頭旋轉(zhuǎn)中心的距離[5]。本試驗(yàn)中，將微噴帶射程R定義為雨量筒中的水深為0. 15 mm/h的最遠(yuǎn)點(diǎn)到微噴帶中心的平面距離，如圖1所示。

圖1　微噴帶噴灑基本特征示意圖

1.2　濕潤區(qū)及干燥區(qū)

參照射程的定義，微噴帶灌溉時(shí)的濕潤區(qū)是指噴孔噴灑區(qū)域內(nèi)灌水強(qiáng)度大于及等于0.15 mm/h的點(diǎn)所圍成的區(qū)域S。與微噴帶軸線平行的方向上，灌水強(qiáng)度為0.15 mm/h的兩點(diǎn)之間的最大距離稱為濕潤區(qū)寬度D。干燥區(qū)這一特定的概念，只存在于微噴帶灌溉時(shí)。將干燥區(qū)寬度定義為灌水強(qiáng)度為0.15 mm/h的最近點(diǎn)到微噴帶的平面距離W，如圖1所示。

1.3　水滴直徑

水滴直徑是指落在地面或作物葉面上的水滴的直徑(mm)，本文采用水滴平均直徑來評價(jià)這一隨機(jī)分布的水滴群。水滴平均直徑是指在噴灑范圍內(nèi)某一點(diǎn)觀測到的所有水滴直徑的平均值。

1.4　微噴帶直徑

微噴帶直徑即在工作狀態(tài)下的微噴帶直徑。

本文主要研究不同工作壓力及噴射角度對于工作狀態(tài)下微噴帶單孔噴灑的射程、干燥區(qū)寬度、濕潤區(qū)面積、水滴直徑以及微噴帶直徑的影響。

2　試驗(yàn)裝置及測定方法

2.1　試驗(yàn)裝置及測試方法

試驗(yàn)裝置如圖2所示。該裝置包括水泵(1.5 kW,額定流量10 m3/h，揚(yáng)程45 m)、截止閥、穩(wěn)壓分流閥、調(diào)壓閥、疊片過濾器(0.125 mm)、精密壓力表(精度0.4%，量程0.25 MPa)、微噴帶、積雨量筒、連接管路等。穩(wěn)壓分流閥以及調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)和穩(wěn)定微噴帶的工作壓力，調(diào)節(jié)范圍可以到達(dá)0.005～0.15 MPa；用精密壓力表檢測工作壓力；積雨量筒按照橫、縱中心距各11.5 cm布置(如圖2所示)，保證積雨量筒的面積大于噴孔噴水的水量分布區(qū)域，積雨量筒的容積為1 350 mL。試驗(yàn)過程中，用游標(biāo)卡尺測量微噴帶工作時(shí)不同時(shí)間點(diǎn)的直徑，測量時(shí)確保微噴帶不因測量產(chǎn)生變形；用濾紙法測量微噴帶噴灑水滴直徑；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用量筒測量積雨量筒內(nèi)水的體積。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(單位：cm)1-水泵；2-截止閥，3-疊片過濾器；4-穩(wěn)壓分流閥；5-調(diào)壓閥；6-精密壓力表；7-微噴帶；8-集雨量筒；9-堵頭

2.2　試驗(yàn)條件及試驗(yàn)步驟

該試驗(yàn)是在室內(nèi)無風(fēng)條件下進(jìn)行的，試驗(yàn)操作遵循以下步驟，且滿足以下的條件：

(1)試驗(yàn)前調(diào)整好積雨量筒的位置，保證從噴孔噴出的水量全部落入積雨量筒的分布區(qū)域內(nèi)。

(2)試驗(yàn)用的微噴帶每組噴孔14個(gè)孔，折徑為52 mm，經(jīng)測量噴孔直徑為0.4 mm。微噴帶工作時(shí)壓力恒定，每次試驗(yàn)時(shí)間為30 min。

(3)噴射角度通過轉(zhuǎn)動微噴帶來調(diào)整，噴射角是噴射水流的初始段與地面的夾角。從10°～90°，每間隔10°進(jìn)行一組試驗(yàn)。

(4)試驗(yàn)前，對積雨平臺上的積雨量筒進(jìn)行編號，記錄其積雨面積和位置。噴水結(jié)束后，測出積水量。最后采用3次的平均值來表示該位置的噴水量。

(5)試驗(yàn)時(shí)，用游標(biāo)卡尺分別測量微噴帶開始工作后4、6、11、16、21 min時(shí)微噴帶的直徑，測量時(shí)確保微噴帶無變形；用濾紙接取微噴帶噴灑區(qū)域不同位置下落的水滴共10滴；用米尺測量微噴帶單孔噴灑出射流最高點(diǎn)的高度。

(6)試驗(yàn)后，用米尺測量微噴帶射程、干燥區(qū)寬度、濕潤區(qū)長度及寬度；用游標(biāo)卡尺測量濾紙上水滴水印的直徑。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1　射　程

經(jīng)試驗(yàn)測得不同壓力及噴射角度對微噴帶單孔噴灑射程影響的曲線如圖3所示。

圖3　壓力及角度對射程的影響

可見，總體上微噴帶單孔噴灑的射程隨工作壓力的升高而增大，但在噴射角度為40°時(shí)，60 kPa的射程小于50 kPa的射程；當(dāng)壓力小于50 kPa時(shí)，射程出現(xiàn)波動；噴射角度在10°～30°之間時(shí)，射程隨角度的增大而增大，隨噴射角度在40°～90°之間時(shí)，射程隨角度的減小而減小；在噴射角度為10°時(shí)，射程最為接近，在噴射角度為30°時(shí)，射程相差最大；當(dāng)工作壓力為20 kPa，噴射角度為10°時(shí)，射程出現(xiàn)最小值10 cm，當(dāng)工作壓力為80 kPa，噴射角度為30°時(shí)，射程出現(xiàn)最大值256 cm。

3.2　濕潤區(qū)寬度

經(jīng)試驗(yàn)測得不同壓力及噴射角度對微噴帶單孔噴灑濕潤區(qū)寬度影響的曲線如圖4所示。

圖4　壓力及角度對濕潤面寬的影響

可見微噴帶單孔噴灑的濕潤區(qū)寬度隨噴射角度的增大而增大，且隨工作壓力的增大而增大；在工作壓力為80 kPa，噴射角度為90°時(shí)，濕潤區(qū)寬度最大，為100 cm；在工作壓力為20 kPa，噴射角度為10°時(shí)，濕潤區(qū)寬度最小，為20 cm。

在設(shè)計(jì)制造微噴帶時(shí)，可根據(jù)濕潤區(qū)寬度隨噴射角度的變化關(guān)系，將濕潤區(qū)設(shè)計(jì)為沿微噴帶軸線方向及垂直于軸線方向搭接兩種模式。例如：已知當(dāng)噴射角度在90°左右時(shí)，濕潤區(qū)寬度為100 cm，假設(shè)在微噴帶上打孔，孔間距為100 cm，則當(dāng)噴射角度為90°時(shí)，其濕潤區(qū)將會相接觸，形成一個(gè)濕潤帶。同理，工作壓力對微噴帶單孔噴灑濕潤區(qū)寬的影響規(guī)律也會在微噴帶使用規(guī)程制定的過程中起到重要作用。濕潤區(qū)寬度隨工作壓力的增大而增大，當(dāng)壓力過大(在微噴帶適宜工作壓力范圍內(nèi))時(shí)，相鄰兩個(gè)噴孔濕潤區(qū)就會出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，且重疊區(qū)域的面積會隨著壓力的增大而增大，這就會造成灌溉水的浪費(fèi)或噴灑均勻系數(shù)的降低，因此適合的工作壓力不僅可以延長微噴帶管材的使用壽命，更可以增大微噴帶噴灑均勻系數(shù)。根據(jù)工作壓力及噴射角度對微噴帶單孔噴灑濕潤區(qū)寬度影響的規(guī)律，可將微噴帶噴孔間距設(shè)計(jì)的更為合理，并為微噴帶適宜工作壓力的制定提供依據(jù)。

3.3　干燥區(qū)寬度

因?yàn)閲娚浣嵌葹?0°時(shí)，微噴帶噴孔噴射水流垂直地面向上，水向微噴帶兩側(cè)灑落，濕潤微噴帶兩側(cè)地面，即噴射角度為90°時(shí)，干燥區(qū)寬度為0 cm。因此僅研究微噴帶噴射角度為10°～80°時(shí)的干燥區(qū)寬度規(guī)律。經(jīng)試驗(yàn)測得不同壓力及噴射角度對微噴帶單孔噴灑干燥區(qū)寬度影響的曲線如圖5所示。

圖5　壓力及角度對干燥區(qū)寬度的影響

可見干燥區(qū)寬度在噴射角度為30°時(shí)達(dá)到最大；當(dāng)工作壓力為20 kPa時(shí)，干燥區(qū)寬度曲線波動明顯，說明此壓力下微噴帶的噴灑性能穩(wěn)定性差；當(dāng)噴射角度為30°時(shí)，工作壓力為50和80 kPa時(shí)的干燥區(qū)寬度均為91 cm。射程與干燥區(qū)之間即為微噴帶單孔噴灑的濕潤區(qū)長度。

同濕潤區(qū)一樣，根據(jù)微噴帶單孔噴灑干燥區(qū)的規(guī)律，可以為微噴帶的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供依據(jù)。根據(jù)用戶需求定制微噴帶及微噴帶配置模式(微噴帶工作壓力、帶與作物之間的布置間距等)，使灌溉水直達(dá)作物根部，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)局部灌溉。這樣既可以實(shí)現(xiàn)只灌溉作物根區(qū)、節(jié)約水資源的目的，又具備易安裝拆卸、省工省時(shí)、成本低廉的優(yōu)勢，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供一種新的灌溉思路。

3.4　水滴直徑

經(jīng)試驗(yàn)測得不同壓力及噴射角度對微噴帶單孔噴灑水滴直徑影響的曲線如圖6所示。

圖6　工作壓力及噴射角度對水滴直徑的影響

可見，微噴帶噴灑水滴直徑隨著工作壓力的變化而有明顯波動；在工作壓力為20 kPa、噴射角度為90°時(shí)，水滴直徑出現(xiàn)最大值3.64 mm，這是因?yàn)楣ぷ鲏毫?0 kPa時(shí)，壓力過小且微噴帶噴灑性能不穩(wěn)定，并不能將出射水流完全打散，且噴射角度為90°時(shí)噴射水流垂直地面向上，達(dá)到最高點(diǎn)后散落在地面，已經(jīng)被打散的水滴在空中匯聚，水滴直徑變大。工作壓力為50 kPa、噴射角度為70°時(shí)出現(xiàn)最小值1.82 mm，說明工作壓力為50 kPa、噴射角度為70°有助于打散水滴，加強(qiáng)微噴帶噴灑的霧化效果。

3.5　微噴帶直徑

由于微噴帶是薄壁軟管，管徑會隨著管內(nèi)壓力的變化而變化。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)微噴帶管徑在噴灑過程中呈現(xiàn)先增大、穩(wěn)定、再增大的變化趨勢為了研究工作壓力對微噴帶直徑的影響，測量微噴帶噴灑過程中不同時(shí)間點(diǎn)微噴帶的直徑。試驗(yàn)中每個(gè)工作壓力選取5個(gè)時(shí)間點(diǎn)，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)用游標(biāo)卡尺測試3次直徑，求平均值，并繪制工作壓力對微噴帶直徑影響的曲線圖。不同壓力對微噴帶工作帶寬影響的曲線如圖7所示。

圖7　工作壓力對帶寬的影響

可見，微噴帶平均直徑在工作過程中隨著壓力增大；其中當(dāng)工作壓力在50～60 kPa之間時(shí)，微噴帶的直徑穩(wěn)定。對比圖1、2、3發(fā)現(xiàn)微噴帶參數(shù)變化曲線較接近，即50～60 kPa時(shí)，微噴帶性能相對穩(wěn)定，說明微噴帶直徑保持穩(wěn)定有助于提高微噴帶噴灑性能的穩(wěn)定性。

4　結(jié)　語

通過對微噴帶單孔噴灑特性進(jìn)行試驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：

(1)噴射角度為30°時(shí)，微噴帶單孔噴灑射程最大，為256 cm，即實(shí)際工作過程中微噴帶的噴灑半徑應(yīng)小于250 cm。

(2)在試驗(yàn)條件下，濕潤區(qū)寬度隨著噴射角度和工作壓力的增大而增大，最大值100 cm，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意使孔間距與工作壓力相適應(yīng)，提高微噴帶噴灑均勻系數(shù)。

(3)干燥區(qū)寬度最大值為91 cm，最小值為0 cm。若要實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)灌溉，作物與微噴帶間的垂直距離應(yīng)大于91 cm。

(4)工作壓力小于20 kPa時(shí)，微噴帶的射程、濕潤區(qū)寬度及干燥區(qū)寬度曲線均呈現(xiàn)劇烈波動現(xiàn)象，說明此時(shí)微噴帶噴灑性能并不穩(wěn)定，不適宜應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。

(5)工作壓力為50 kPa、噴射角度為70°時(shí)水滴直徑最小，為1.82 mm，即工作壓力為50 kPa、噴射角度為70°有助于加強(qiáng)微噴帶噴灑的霧化效果。當(dāng)然試驗(yàn)中存在取樣不全，不能完全反映工作壓力及噴射角度對微噴帶霧化效果的影響規(guī)律，有待進(jìn)一步研究。

(6)保持工作狀態(tài)下微噴帶的直徑穩(wěn)定有助于保障微噴帶噴灑性能穩(wěn)定。

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