滾球內(nèi)驅(qū)動(dòng)噴頭水力性能試驗(yàn)與工作參數(shù)確定

惠 鑫，朱能杰，檀海斌，謝樹華，龐鈞儒，嚴(yán)海軍

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100083；3.國家半干旱農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，石家莊 050000)

0 引 言

噴灌因具有省水、省工、增產(chǎn)和對(duì)地形條件適應(yīng)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來在我國各地得到穩(wěn)定推廣[1,2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2016年底，全國噴灌工程面積已達(dá)4.07×106hm2。噴頭作為噴灌系統(tǒng)中的重要組成部件之一，其水力性能好壞將直接影響噴灌工程質(zhì)量[3]。目前大田糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的噴灌仍采用管道式噴灌系統(tǒng)為主，使用ZY和PY系列搖臂式噴頭，工作壓力為0.35 MPa，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用較高、末端噴灑水滴直徑偏大、噴頭彈簧等運(yùn)動(dòng)部件易損壞是主要問題。因此，開發(fā)和應(yīng)用能夠低壓工作且結(jié)構(gòu)簡單的噴頭至關(guān)重要，這符合噴灌低壓節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)。近幾年，在大田作物噴灌技術(shù)上試驗(yàn)推廣了滾球內(nèi)驅(qū)動(dòng)噴頭與塑料軟管組合的經(jīng)濟(jì)型噴灌系統(tǒng)，所采用的噴頭組合間距9 m×9 m，并獲得了成功。使用的滾球內(nèi)驅(qū)動(dòng)噴頭是一種利用金屬旋球驅(qū)動(dòng)噴嘴旋轉(zhuǎn)的低壓噴頭，不能實(shí)現(xiàn)扇形噴灑，易于清洗，對(duì)水質(zhì)沒有要求。噴頭結(jié)構(gòu)簡單，沒有搖臂式噴頭的搖臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)密封機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)等，其旋轉(zhuǎn)速度僅取決于工作壓力和結(jié)構(gòu)參數(shù)，工作中不易控制，也不能調(diào)整。國內(nèi)外關(guān)于滾球內(nèi)驅(qū)動(dòng)噴頭的報(bào)道主要以專利成果為主[4-7]，如張國華等[4]設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于鋼珠驅(qū)動(dòng)的全地埋式噴灌裝置，將噴頭直接埋入耕作層以下，有利于田間耕作。Rosenberg[5]優(yōu)化了傳統(tǒng)滾球內(nèi)驅(qū)動(dòng)噴頭，降低了噴頭的生產(chǎn)和組裝成本。但是有關(guān)滾球內(nèi)驅(qū)動(dòng)噴頭的水力性能測(cè)試、工作技術(shù)參數(shù)和田間應(yīng)用等研究報(bào)道尚不多見。

綜上所述，以進(jìn)水口直徑為1/2″的滾球內(nèi)驅(qū)動(dòng)噴頭為研究對(duì)象，在室內(nèi)無風(fēng)條件下對(duì)其進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，探討其導(dǎo)流體設(shè)置小孔是否影響噴頭流量、運(yùn)轉(zhuǎn)速度和徑向水量分布；并以無孔導(dǎo)流體為參照，設(shè)計(jì)并3D打印不同進(jìn)水口角度的導(dǎo)流體，研究導(dǎo)流體進(jìn)水口角度對(duì)噴頭組合噴灌均勻度和末端水滴直徑分布的影響，提出滾球內(nèi)驅(qū)動(dòng)式噴頭的運(yùn)行工作參數(shù)，為噴頭今后在工程上的推廣和應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)噴頭

試驗(yàn)所用噴頭為進(jìn)水口直徑為1/2″的滾球內(nèi)驅(qū)動(dòng)式噴頭，如圖1(a)所示。其部件主要由噴嘴(出水孔直徑為1.9 mm)、腔室(由上噴體和下噴體組成)、導(dǎo)流體(分為有孔和無孔2種)、不銹鋼珠(直徑為7.8 mm)和旋轉(zhuǎn)元件等5部分組成，其中有孔(圓孔孔徑為1.8 mm)和無孔導(dǎo)流體進(jìn)水口角度均為18.5°。試驗(yàn)時(shí)，壓力水經(jīng)由導(dǎo)流體(圖1(b))進(jìn)入腔室后形成高速旋轉(zhuǎn)水流沖擊不銹鋼珠在腔室內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，并不斷撞擊與噴嘴相連的凸緣，從而使噴嘴旋轉(zhuǎn)射流。噴頭設(shè)計(jì)工作壓力范圍為0.25～0.40 MPa。

圖1 試驗(yàn)所用噴頭Fig.1 Sprinkler used in the experiment

1.2 工況設(shè)置

試驗(yàn)共設(shè)置2種工況：工況1，對(duì)有孔和無孔2種導(dǎo)流體下的噴頭流量、運(yùn)轉(zhuǎn)速度和徑向水量分布等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析，探討導(dǎo)流體在有孔和無孔條件下的噴頭水力性能情況；工況2，以無孔導(dǎo)流體為參照，通過3D打印的方式設(shè)計(jì)出進(jìn)水口角度為17°、19°和21° 3種導(dǎo)流體(打印材料為光敏樹脂，精度0.10 mm)，以研究不同導(dǎo)流體進(jìn)水口角度對(duì)噴頭組合噴灌均勻度和末端水滴直徑分布的影響，進(jìn)而提出滾球內(nèi)驅(qū)動(dòng)噴頭運(yùn)行工作參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)方法

噴頭水量分布試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院噴頭水力性能自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T50085-2007[8]。自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)由雨量筒、擋水罩、試驗(yàn)控制柜、回水槽、供水系統(tǒng)等5部分組成[9]，其中雨量筒采用徑向單列布置，第一個(gè)雨量筒與噴頭水平距離為1 m，其余每隔0.5 m布置一個(gè)雨量筒(承水口直徑為150 mm)。雨量筒收集的噴灑水量由其下方的BK-3A型稱重傳感器(精度為0.6 g)自動(dòng)采集并換算成噴灌強(qiáng)度。噴頭安裝與雨量筒承水口的垂直高差為1 m，試驗(yàn)壓力設(shè)置0.25、0.30和0.35 MPa 3個(gè)水平，采用0.4級(jí)精密壓力表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)過程中還測(cè)試了噴頭流量、運(yùn)轉(zhuǎn)速度和末端水滴直徑等水力性能指標(biāo)。噴頭流量和運(yùn)轉(zhuǎn)速度分別采用LDTH型電磁流量計(jì)(精度為0.2%)和TF307型電子秒表測(cè)得，每隔3 min測(cè)試一次，一共測(cè)試5次取平均值。噴灑末端水滴直徑采用奧地利Joanneum Research公司生產(chǎn)的2D視頻雨滴譜儀(Two-dimensional video disdrometer，簡稱2DVD)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并保證各測(cè)點(diǎn)收集水滴數(shù)不少于10 000 個(gè)[10,11]。

1.4 噴灌均勻度計(jì)算

噴灌均勻度是指噴灌面積上水量分布的均勻程度，是衡量噴灌質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[12-14]。為了了解滾球內(nèi)驅(qū)動(dòng)噴頭在不同工況下的組合噴灌均勻度情況，選用目前國際上通用的2種噴灌均勻系數(shù)(克里斯琴森均勻系數(shù)Cu[15]和分布均勻系數(shù)Du[16])作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Cu描述的是各測(cè)點(diǎn)水深與平均水深偏差的絕對(duì)值之和，傾向于表征整個(gè)田間水量分布與平均值偏差的情況[17]，其計(jì)算公式為：

(1)

而Du則強(qiáng)調(diào)了噴水量較小1/4部分雨量筒中水的平均水深與整個(gè)田間平均水深的占比情況，有利于保證作物獲得必要的最小灌水量[17]，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：hm為噴水量較小1/4部分雨量筒中水的平均水深，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)流體有孔或無孔對(duì)噴頭流量的影響

圖2給出了工作壓力為0.25、0.30和0.35 MPa下導(dǎo)流體有孔或無孔時(shí)的噴頭流量情況。從圖2中可以看出，隨著工作壓力的逐漸增大，2種導(dǎo)流體下的噴頭流量均呈遞增趨勢(shì)。當(dāng)工作壓力為0.25 MPa時(shí)，有孔和無孔下的噴頭平均流量僅為0.452 m3/h，而當(dāng)工作壓力增至0.35 MPa時(shí)，其平均流量達(dá)到0.548 m3/h，增幅21.1%，說明工作壓力對(duì)噴頭流量的影響顯著。從圖中還可看出，在工作壓力一定的情況下，導(dǎo)流體有孔和無孔時(shí)的噴頭流量極為相近，如工作壓力為0.25 MPa時(shí)，有孔和無孔下的噴頭流量差值僅為0.004 m3/h。由此表明，導(dǎo)流體孔口對(duì)噴頭流量的作用不大，工作壓力才是影響流量的主要因素。

圖2 導(dǎo)流體有孔或無孔下的噴頭流量Fig.2 The flow rate of sprinkler with or without a hole in the guide structure

2.2 導(dǎo)流體有孔或無孔對(duì)噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度的影響

表1給出了工作壓力為0.25、0.30和0.35 MPa下導(dǎo)流體有孔或無孔時(shí)的噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度情況。從表中可以看出，2種導(dǎo)流體下的噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度均隨著工作壓力的增大而增大，但隨著工作壓力的逐漸變大，噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度增幅有所減緩，這與劉中善等[18]的研究結(jié)論一致。以有孔導(dǎo)流體為例，當(dāng)工作壓力從0.25 MPa增大到0.30 MPa時(shí)噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度增幅高達(dá)40.8%，而從0.30 MPa增大到0.35 MPa時(shí)其增幅又下降至15.9%。另外，在工作壓力一定時(shí)，導(dǎo)流體無孔下的噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度要比有孔時(shí)稍快。由以上分析可以看出，噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度受工作壓力和孔口的影響均較大。表2給出了這兩種因素對(duì)噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度影響的方差分析?？梢钥闯觯?5%的置信度下，工作壓力對(duì)噴頭流量的影響大于孔口。

表1 導(dǎo)流體有孔或無孔下的噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度Tab.1 Sprinkler rotating speed with or without a hole in the guide structure

表2 工作壓力和孔口對(duì)噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度影響的方差分析Tab.2 Variance analysis of the effects of working pressure and hole on sprinkler rotating speed

2.3 導(dǎo)流體有孔或無孔對(duì)噴頭徑向水量分布的影響

圖3給出了工作壓力為0.25、0.30和0.35 MPa下導(dǎo)流體有孔或無孔時(shí)的噴頭徑向水量分布情況。從圖3中可以看出，2種導(dǎo)流體在不同工作壓力下的徑向水量分布具有一定的共性，即隨著與噴頭水平距離的逐漸增加，徑向噴灌強(qiáng)度均呈遞減趨勢(shì)。當(dāng)工作壓力為0.25 MPa時(shí)，如圖3(a)所示，有孔和無孔下的噴灌強(qiáng)度沿徑向遞減過程大致可分為2個(gè)階段：第1階段為急速下降階段，第2階段為緩慢下降階段。即與噴頭水平距離小于4 m時(shí)，隨著與噴頭水平距離的逐漸增加，2種導(dǎo)流體下的噴灌強(qiáng)度均急速下降，其平均下降幅度高達(dá)69.0%；而與噴頭水平距離大于4 m時(shí)，噴灌強(qiáng)度沿徑向下降趨勢(shì)變緩，在與噴頭水平距離為4～10 m處的噴灌強(qiáng)度主要集中在1.0～2.0 mm/h。當(dāng)工作壓力增至0.30 MPa時(shí)，如圖3(b)所示，2種導(dǎo)流體下的徑向噴灌強(qiáng)度整體有所上升，其中無孔上升幅度最為明顯，其徑向平均噴灌強(qiáng)度相較0.25 MPa時(shí)上升43.3%。當(dāng)工作壓力繼續(xù)增至0.35 MPa時(shí)，如圖3(c)所示，2種導(dǎo)流體下的徑向噴灌強(qiáng)度進(jìn)一步上升，其水量分布曲線大致呈三角形。此外，在3種工作壓力下，導(dǎo)流體有孔和無孔下的噴頭射程較為接近，均在11～12 m范圍內(nèi)。

圖3 導(dǎo)流體有孔或無孔下的噴頭徑向水量分布Fig.3 Radial water distribution of sprinkler with or without a hole in the guide structure

從上述研究可以看出，孔口除了對(duì)噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度的影響較大以外，對(duì)噴頭流量和徑向水量分布的影響均不明顯，因此以下將重點(diǎn)探討導(dǎo)流體進(jìn)水口角度對(duì)噴頭水力性能的影響，進(jìn)而提出噴頭運(yùn)行工作參數(shù)。

2.4 導(dǎo)流體進(jìn)水口角度對(duì)組合噴灌均勻度的影響

以不同導(dǎo)流體進(jìn)水口角度下的徑向水量分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過自編軟件分別求得噴頭矩形布置下7種組合間距(10 m×10 m～16 m×16 m)時(shí)的噴灌水量分布情況，并計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的噴灌均勻度。表3給出了工作壓力為0.25、0.30和0.35 MPa下3種導(dǎo)流體進(jìn)水口角度時(shí)的組合噴灌均勻度情況。從表3中可以看出，當(dāng)工作壓力為0.25 MPa時(shí)，進(jìn)水口角度為19°的組合噴灌均勻系數(shù)Cu和分布均勻系數(shù)Du均要大于其他2種。當(dāng)工作壓力增至0.30 MPa時(shí)，19°的Cu和Du均有所下降，而17°的Cu和Du則迅速上升，并最終超過19°和21°下的組合噴灌均勻度。當(dāng)工作壓力繼續(xù)增至0.35 MPa時(shí)，進(jìn)水口角度為17°的Cu和Du繼續(xù)上升，7種組合間距下其平均值分別達(dá)到86.8%和79.2%。由以上分析得知，導(dǎo)流體進(jìn)水口角度為17°、工作壓力為0.35 MPa和進(jìn)水口角度為19°、工作壓力為0.25 MPa的2種工況噴灌質(zhì)量均較好，但是考慮其經(jīng)濟(jì)性，選擇后者顯然更符合要求。此外還發(fā)現(xiàn)，該工況(進(jìn)水口角度為19°、工作壓力為0.25 MPa)下，除了噴頭組合間距為16 m×16 m時(shí)的噴灌均勻度未達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)[8,15]以外，其他組合間距下的噴灌均勻性均能滿足灌溉要求。綜合噴灌質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，建議噴頭工作壓力設(shè)置為0.25 MPa，導(dǎo)流體進(jìn)水口角度選擇19°，且噴頭組合間距以14 m×16 m為宜。

表3 不同導(dǎo)流體進(jìn)水口角度下的組合噴灌均勻度Tab.3 Combined sprinkler uniformity under different inlet angles of guide structure

2.5 導(dǎo)流體進(jìn)水口角度對(duì)末端水滴直徑分布的影響

末端水滴直徑可在一定程度上反映噴灑水滴對(duì)地面的打擊強(qiáng)度，是評(píng)價(jià)噴灌系統(tǒng)水力性能的重要指標(biāo)[19]。圖4給出了工作壓力為0.25、0.30和0.35 MPa下3種導(dǎo)流體進(jìn)水口角度時(shí)的末端水滴直徑分布情況。從圖中可以看出，3種工作壓力下不同導(dǎo)流體進(jìn)水口角度時(shí)的末端水滴均以小直徑為主，各工況下的小水滴頻率(直徑在1.0 mm以下)均在65.0%以上，表明3種導(dǎo)流體進(jìn)水口角度下射流末端均存在水滴蒸發(fā)漂移的較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了優(yōu)選出最佳的導(dǎo)流體進(jìn)水口角度，從小水滴頻率相對(duì)較低的工況展開著重分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，工作壓力為0.25 MPa、導(dǎo)流體進(jìn)水口角度為19°時(shí)的小水滴頻率占比最小，為65.3%。而且從表4又可知，其對(duì)應(yīng)的直徑為1～3 mm的適宜水滴[20]頻率為33.2%，在所有工況中占比最高，比排在第二的適宜水滴頻率高出7.5%。一般認(rèn)為適宜水滴數(shù)量越多，代表其噴灑效果越好。因此從噴灑效果的角度來看，噴頭工作壓力選擇0.25 MPa，且導(dǎo)流體進(jìn)水口角度為19°更好。

表4 直徑為1～3 mm范圍內(nèi)的適宜水滴頻率Tab.4 Suitable droplet frequency within the range of 1～3 mm

圖4 不同導(dǎo)流體進(jìn)水口角度下的末端水滴直徑分布Fig.4 Diameter distribution of the terminal droplet under different inlet angles of guide structure

3 結(jié) 論

(1)導(dǎo)流體孔口除了對(duì)噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度的影響較大以外，對(duì)噴頭流量和徑向水量分布的影響均不明顯；隨著工作壓力的逐漸增加，導(dǎo)流體有孔或無孔條件下的徑向噴灌強(qiáng)度整體有所上升，當(dāng)工作壓力增至0.35 MPa時(shí)，其水量分布曲線大致呈三角形。

(2)工作壓力為0.25 MPa、導(dǎo)流體進(jìn)水口角度為19°下的噴灌質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性均較好，除了噴頭組合間距為16 m×16 m時(shí)的噴灌均勻度未達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)以外，其他組合間距下的噴灌均勻性均能滿足灌溉質(zhì)量要求；其對(duì)應(yīng)的適宜水滴頻率為33.2%，在所有工況中占比最高，比排在第二的適宜水滴頻率高出7.5個(gè)百分點(diǎn)。

(3)綜合噴灌質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，建議滾球內(nèi)驅(qū)動(dòng)噴頭工作壓力設(shè)置為0.25 MPa，導(dǎo)流體進(jìn)水口角度選擇19°，且噴頭組合間距以14 m×16 m為宜。