搖臂式噴頭噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)及水力性能試驗研究

王子君，惠 鑫，黎耀軍，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.勢加透博（北京）科技有限公司，北京 100012）

1 研究背景

噴頭是噴灌系統(tǒng)中的重要組成部件之一，其水力性能將直接影響噴灌工程質(zhì)量的優(yōu)劣［1］。在眾多噴頭設(shè)備當(dāng)中，搖臂式噴頭因其工作范圍廣，運行性能穩(wěn)定，規(guī)格種類齊全等優(yōu)點，近年來在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其是在大田作物灌溉中得到了廣泛應(yīng)用［2］。但在應(yīng)用過程中，出現(xiàn)了噴灌系統(tǒng)運行成本過高，噴灌均勻性較低等諸多問題，從而使得噴頭的應(yīng)用效果大打折扣。基于以上問題，國內(nèi)外學(xué)者從噴頭自身結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)進(jìn)行了大量的改進(jìn)研究［3-7］，尤其是優(yōu)化對噴頭水力性能影響較大的噴嘴結(jié)構(gòu)。如李久生［8］對搖臂式噴頭方形噴嘴的水力性能展開了研究，認(rèn)為方形噴嘴不僅具有一定的節(jié)能效果，而且可以改善噴頭的霧化程度和水量分布。李英能等［9］研究了異形噴嘴的設(shè)計原理和方法，得出適用于不同異形噴嘴的最佳設(shè)計方案。劉俊萍等［10］根據(jù)水射流原理，設(shè)計出了PY系列搖臂式噴頭一種新型結(jié)構(gòu)的副噴嘴，并分別對副噴嘴改進(jìn)前后的水量分布進(jìn)行了對比試驗，結(jié)果表明改進(jìn)副噴嘴后其噴灌均勻系數(shù)有所提高，在不同組合間距下均在80%以上。除了試驗研究外，國內(nèi)外許多學(xué)者還將CFD技術(shù)應(yīng)用到噴嘴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究［11-16］。嚴(yán)海軍等［17］利用Fluent軟件對PY140搖臂式噴頭噴嘴的內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)減小噴嘴出口擴散角可改善噴嘴出口流態(tài)，提高噴頭流量。劉中善等［18］通過CFD數(shù)值模擬建立了圓錐形噴嘴各結(jié)構(gòu)參數(shù)與流量系數(shù)的定量關(guān)系。張前等［19］運用ANSYS軟件對噴頭在低壓工況下的內(nèi)流場進(jìn)行了三維仿真模擬，結(jié)果表明倒U 形噴嘴有利于提高噴頭射程，改善噴灌均勻性。從上述研究可知，改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)能夠顯著改善噴頭水力性能，提高噴灌質(zhì)量，但搖臂式噴頭種類繁多，不同型號噴頭的噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案可能存在較大差異，因此關(guān)于搖臂式噴頭噴嘴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究還需進(jìn)一步完善。

綜上所述，本文以目前工程中應(yīng)用較廣的8034D搖臂式噴頭為研究對象，對其主、副噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并研究噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后對噴頭流量、徑向水量分布和組合噴灌均勻度的影響，從而提出改善噴頭水力性能的優(yōu)化方案，以期為搖臂式噴頭的優(yōu)化運行管理提供參考。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進(jìn)

2.1 主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)本文選取的8034D搖臂式噴頭是用高強度銅合金制造，噴頭安裝雙噴嘴，主噴嘴仰角為27°，副噴嘴為25°，如圖1所示。其主噴嘴為圓錐形結(jié)構(gòu)（圖2），其中D1為進(jìn)口直徑，D2為出口直徑，L 為圓柱段長度，θ 為內(nèi)腔錐度角，α 為擴散段倒角。噴頭出廠時主噴嘴D1為9.3 mm，D2為4.4 mm，L為4.9 mm，θ為54°，α為30°。

圖1 8034D搖臂式噴頭

圖2 原主噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)

關(guān)于主噴嘴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要是對其圓柱段長度和內(nèi)腔錐度角兩因素的改進(jìn)，其目的是為了探討這兩個因素對噴頭水力性能的影響。在主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案中，將圓柱段長度L設(shè)計為1、3和5 mm三個水平，內(nèi)腔錐度角θ設(shè)計為42°、48°、54°和60°四個水平，其設(shè)計改變的依據(jù)是在原主噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行上下取值的結(jié)果。其他參數(shù)與原主噴嘴相同，共加工12 個主噴嘴，如圖3 所示。為了敘述方便，將L為1 mm、θ為42°的主噴嘴表示為1 mm#42°，以此類推。

圖3 主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

2.2 副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)8034D搖臂式噴頭出廠時副噴嘴結(jié)構(gòu)如圖4所示，其出口直徑為2.4 mm，內(nèi)部為圓錐形結(jié)構(gòu)，出口處為偏心擴散段，且在噴嘴側(cè)面有斜切口，加工較麻煩。為此，本文設(shè)計出比原副噴嘴結(jié)構(gòu)更為簡單且方便加工的異形副噴嘴方案，其內(nèi)部為圓筒形結(jié)構(gòu)，在噴嘴側(cè)面加設(shè)直切口，如圖5所示。改進(jìn)后的副噴嘴進(jìn)口直徑為6.5 mm，與出廠副噴嘴相同，出口中心圓直徑d2、矩形寬度b和切口長度S分別選取1.8、0.8和3.0 mm。

圖4 8034D搖臂式噴頭原副噴嘴

圖5 副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

3 試驗方法

3.1 試驗裝置本文在250、300和350 kPa 3種工作壓力下分別對不同主、副噴嘴結(jié)構(gòu)組合時的噴頭進(jìn)行噴灌水量分布試驗。試驗在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院噴頭水力性能自動測試系統(tǒng)上完成。試驗參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50085-2007［20］。自動測試系統(tǒng)由雨量筒、擋水罩、試驗控制柜、回水槽、噴頭安裝豎管和供水系統(tǒng)等6部分組成，如圖6所示，其工作原理是通過沿射流方向以0.5 m等間距布置的雨量筒收集噴頭噴灑出的水量并轉(zhuǎn)換成噴灌強度，從而獲得噴頭的徑向水量分布數(shù)據(jù)。其中雨量筒形狀為紅酒杯狀，其承水口直徑為150 mm，高度為0.43 m，雨量筒上邊緣與噴嘴的垂直距離為1.0 m。雨量筒收集的噴水量由其下方的BK-3A型稱重傳感器（精度為0.6 g）自動采集，噴頭工作壓力采用0.4級精密壓力表監(jiān)測，噴頭流量采用LDTH型電磁流量計（精度為0.2%）測得。每組水量分布試驗重復(fù)3次，每次測試時間為1 h。

圖6 噴頭水力性能自動測試系統(tǒng)

3.2 噴灌均勻系數(shù)計算采用克里斯琴森均勻系數(shù)CU作為評價噴灌均勻性的標(biāo)準(zhǔn)［20］，其計算公式為

式中：CU為克里斯琴森均勻系數(shù)；n為典型區(qū)域內(nèi)測點數(shù)；hi為典型面積內(nèi)測點的噴灑水深，mm；hˉ為典型面積內(nèi)各個測點的平均噴灑水深，mm。

4 結(jié)果與分析

4.1 噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)對噴頭流量的影響

4.1.1 主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)對噴頭流量的影響 圖7給出了噴頭工作壓力為250 kPa，各內(nèi)腔錐度角下不同圓柱段長度時的噴頭流量情況。從圖中可以看出，隨著內(nèi)腔錐度角的逐漸變大，任一圓柱段長度下的噴頭流量總體呈下降趨勢，這與Li等［21］的研究結(jié)果相似。這是因為當(dāng)圓柱段長度固定時，內(nèi)腔錐度角變大，主噴嘴內(nèi)產(chǎn)生脫壁、回流等不良流態(tài)加劇，影響水流速度，從而導(dǎo)致噴頭流量下降。當(dāng)內(nèi)腔錐度角為42°時，各圓柱段長度下的噴頭流量最大，其流量值均不低于1.50 m3/h；當(dāng)內(nèi)腔錐度角為60°時，各圓柱段長度下的噴頭流量均最小，其流量值平均在1.35 m3/h左右。

為了單獨比較圓柱段長度和內(nèi)腔錐度角兩因素改進(jìn)后對噴頭流量的影響情況，圖8和圖9分別給出了噴頭工作壓力為250、300和350 kPa，圓柱段長度為5 mm不同內(nèi)腔錐度角和內(nèi)腔錐度角為54°不同圓柱段長度下的噴頭流量-壓力關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)主噴嘴圓柱段長度和內(nèi)腔錐度角一定的情況下，噴頭流量隨工作壓力的增大而增大。從圖8可以看出，在3種工作壓力下，內(nèi)腔錐度角改進(jìn)后的噴頭流量與原主噴嘴相比均有所下降，且內(nèi)腔錐度角為60°下的噴頭流量下降幅度最大，最大可達(dá)13.7%。從圖9可以看出，3種工作壓力下測得的圓柱段長度為3 mm時的噴頭流量均最大，超過原主噴嘴流量的平均幅度為1.6%，而其他2 種圓柱段長度（1 mm 和5 mm）下的噴頭流量均小于原主噴嘴。分析認(rèn)為當(dāng)圓柱段長度過小時，主噴嘴出口附近擾流加大，影響出口流速，使得噴頭流量下降；而當(dāng)圓柱段長度過大時，水流所受的沿程阻力增大，從而導(dǎo)致噴頭流量也呈下降趨勢。

為了更清楚地了解主噴嘴圓柱段長度和內(nèi)腔錐度角兩因素對噴頭流量的影響程度，表1給出了這兩因素對噴頭流量影響的方差分析。從表中可以看出，在95%的置信度下，主噴嘴內(nèi)腔錐度角對噴頭流量的影響呈顯著水平，而圓柱段長度對噴頭流量的影響則不顯著。

4.1.2 副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)對噴頭流量的影響 圖10給出了噴頭工作壓力為250、300和350 kPa，原副噴嘴和副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的噴頭流量對比情況。從圖中可以看出，原副噴嘴和副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的噴頭流量均隨著工作壓力的增大而逐漸增加，且當(dāng)工作壓力相同時，副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的噴頭流量和原副噴嘴相比變化較小，從而表明當(dāng)工作壓力一定時，改進(jìn)副噴嘴結(jié)構(gòu)對噴頭流量的作用不大。雖然改進(jìn)副噴嘴結(jié)構(gòu)對噴頭流量影響較小，但改進(jìn)后的副噴嘴比原副噴嘴結(jié)構(gòu)更簡單，方便加工，可降低噴頭的制造成本。

4.2 噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)對噴頭水量分布的影響

圖8 主噴嘴圓柱段長度為5mm不同內(nèi)腔錐度角時噴頭流量-壓力關(guān)系

圖9 主噴嘴內(nèi)腔錐度角為54°不同圓柱段長度時噴頭流量-壓力關(guān)系

表1 主噴嘴圓柱段長度和內(nèi)腔錐度角兩因素對噴頭流量影響的方差分析

圖10 不同工作壓力下原副噴嘴和副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭流量對比

4.2.1 主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)對噴頭水量分布的影響 圖11和圖12分別給出了噴頭工作壓力為250 kPa時，內(nèi)腔錐度角為54°的不同圓柱段長度和圓柱段長度為5 mm 的不同內(nèi)腔錐度角下的徑向水量分布情況?？偟膩碚f，隨著測點與噴頭水平距離的逐漸增加，不同內(nèi)腔錐度角和圓柱段長度下的徑向噴灌強度均呈遞減趨勢。從圖11中可以看出，當(dāng)內(nèi)腔錐度角為54°時，比較不同圓柱段長度發(fā)現(xiàn)，主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的噴頭在近處（測點與噴頭的水平距離＜5 m）和中部（測點與噴頭的水平距離在5～10 m）的噴灌強度均大于原主噴嘴，而射流末段（測點與噴頭的水平距離＞10 m）的噴灌強度相較原主噴嘴有所偏小。從圖12還可以看出，圓柱段長度為5 mm時不同內(nèi)腔錐度角下噴灌強度沿徑向的變化趨勢均與原主噴嘴較接近，表明圓柱段長度一定時，改進(jìn)主噴嘴內(nèi)腔錐度角對噴頭徑向水量曲線的形狀影響不大。

4.2.2 副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)對噴頭水量分布的影響 為了評價副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)對噴頭水量分布的影響，試驗對比了改進(jìn)前、后副噴嘴與原主噴嘴組合下的噴頭水量分布情況。圖13給出了噴頭工作壓力分別為250、300和350 kPa下，原副噴嘴和副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的噴頭水量分布對比結(jié)果。從圖中可以看出，在3種工作壓力下，副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭在近處的噴灌強度均顯著增大，在中部又迅速下降到原副噴嘴噴灌強度以下，在射流末段其噴灌強度和原副噴嘴下的噴灌強度基本相等。這主要是由于副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后其出口流速下降，水流動能有所減小，從而導(dǎo)致近處水量較為集中，而遠(yuǎn)處水量相較減少。此外，副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的噴頭射程相比原副噴嘴略變短。從圖中還可看出，當(dāng)工作壓力為250 kPa時，副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭在近處的噴灌強度峰值為9.1 mm/h；隨著工作壓力的逐漸增大，峰值不斷提升，當(dāng)工作壓力增至350 kPa 時，峰值達(dá)到10.6 mm/h。因此從降低噴灌強度峰值的角度考慮，建議副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭工作壓力以250 kPa為宜。

圖11 內(nèi)腔錐度角為54°時不同圓柱段長度下的徑向水量分布

圖12 圓柱段長度為5mm時不同內(nèi)腔錐度角下的徑向水量分布

圖13 不同工作壓力下原副噴嘴和副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭水量分布對比

4.3 噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)對組合噴灌均勻度的影響

4.3.1 主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)對組合噴灌均勻度的影響 試驗測得不同工況下的噴頭射程范圍在13～14 m，以主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的噴頭徑向水量分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過自編軟件分別求得噴頭正方形布置下7種組合間距（12 m×12 m～18 m×18 m）時的噴灌水量分布情況，并計算得到對應(yīng)的噴灌均勻系數(shù)。

表2 噴頭工作壓力為250kPa主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭在不同組合間距下的噴灌均勻系數(shù)

表2 給出了噴頭工作壓力為250 kPa，主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后不同組合間距下的噴灌均勻系數(shù)情況。從表中可以看出，各工況下的組合噴灌均勻系數(shù)均在76%以上，且隨著噴頭間距的不斷增大，組合噴灌均勻系數(shù)基本呈先降低后升高再降低的趨勢。如3 mm#42°時，噴頭間距為12 m×12 m下的組合噴灌均勻系數(shù)為89.3%，當(dāng)噴頭間距增至14 m×14 m時其組合噴灌均勻系數(shù)下降到87.0%，而繼續(xù)增至17 m×17 m時又回升到89.3%，說明主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭在大的組合間距下依然有獲得較好噴灌均勻度的可能。

4.3.2 副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)對組合噴灌均勻度的影響 圖14 給出了噴頭工作壓力分別為250、300、350 kPa，原副噴嘴和副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭在不同組合間距下的噴灌均勻性對比情況?？梢钥闯?，當(dāng)噴頭工作壓力為250 kPa時，如圖14（a）所示，原副噴嘴和副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后組合噴灌均勻系數(shù)隨噴頭間距的不斷增大均有先降低后回升再降低的趨勢。而且還發(fā)現(xiàn)，副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭間距在14 m×14 m～17 m×17 m時的組合噴灌均勻系數(shù)要明顯優(yōu)于原副噴嘴，說明改進(jìn)副噴嘴結(jié)構(gòu)有助于改善噴頭在低壓大組合間距下的噴灌均勻性。當(dāng)噴頭工作壓力為300 kPa時，如圖14（b）所示，原副噴嘴和副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭在不同組合間距下的噴灌均勻系數(shù)均有所提升，且原副噴嘴提升幅度更大。當(dāng)噴頭工作壓力為350 kPa時，如圖14（c）所示，在不同噴頭間距下副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的組合噴灌均勻系數(shù)相較于原副噴嘴偏低。因此，不建議副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭在高壓下運行。

圖14 不同工作壓力下原副噴嘴和副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭組合噴灌均勻系數(shù)對比

從圖中還可看出，3種工作壓力時原副噴嘴和副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭在不同組合間距下的組合噴灌均勻系數(shù)均在83%以上，符合規(guī)定固定式噴灌系統(tǒng)不低于75%的標(biāo)準(zhǔn)［20］，均能滿足噴灌質(zhì)量要求，但是從經(jīng)濟性的角度考慮，較低的噴頭工作壓力可降低噴灌系統(tǒng)的運行成本。綜上所述，在實際工程設(shè)計時，建議8034D搖臂式噴頭工作壓力設(shè)置為250 kPa。

4.3.3 主、副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)對組合噴灌均勻度的影響 從表2中選取平均噴灌均勻系數(shù)最高的4種主噴嘴（1 mm#48°、1 mm#54°、3 mm#60°和5 mm#60°）與改進(jìn)后的副噴嘴一一組合，為便于分析，分別將其命名為組合1、組合2、組合3和組合4，并與原噴嘴進(jìn)行對比。

圖15 5種組合方式在不同噴頭間距下的噴灌均勻系數(shù)

圖15給出了噴頭工作壓力為250 kPa，不同組合間距下的噴灌均勻系數(shù)情況。從圖中可以看出，除了噴頭間距為18 m×18 m以外，組合2和組合4在其他噴頭間距下的噴灌均勻系數(shù)均顯著高于原噴嘴。在這2種組合方式中，組合4的噴灌均勻性要稍優(yōu)于組合2，其在各噴頭間距下的平均噴灌均勻系數(shù)達(dá)到87.9%，相比原噴嘴時噴灌均勻系數(shù)86.1%提高了2.1%。但由前面主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)對噴頭流量的影響研究來看，內(nèi)腔錐度角為60°時的噴頭流量最小，意味著噴頭能量利用率最低［22］。綜合考慮噴頭組合噴灌均勻性和能量利用率，選擇噴頭流量較大且噴灌均勻性較好的組合2 作為8034D 搖臂式噴頭主、副噴嘴的最佳組合方式，其在各噴頭間距下的平均噴灌均勻系數(shù)為87.8%。此外，從圖中還可觀察到，4 種組合在噴頭間距為17 m×17 m 時噴灌均勻系數(shù)均達(dá)到較大噴頭間距下的峰值，其中組合2 在該噴頭間距下的噴灌均勻系數(shù)為89.3%。因此在進(jìn)行噴灌系統(tǒng)設(shè)計時，建議噴頭間距以17 m×17 m為宜。

5 結(jié)論

（1）主噴嘴內(nèi)腔錐度角對噴頭流量的影響呈顯著水平，內(nèi)腔錐度角越大，噴頭流量越小；當(dāng)圓柱段長度和內(nèi)腔錐度角一定時，噴頭流量隨工作壓力的增大而增大。隨著測點與噴頭水平距離的逐漸增加，不同內(nèi)腔錐度角和圓柱段長度下的徑向噴灌強度均呈遞減趨勢。主噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭在大的組合間距下依然有獲得較好噴灌均勻度的可能。

（2）當(dāng)工作壓力相同時，改進(jìn)副噴嘴結(jié)構(gòu)對噴頭流量的作用不大。在不同工作壓力下，副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭在近處的噴灌強度顯著增大，在中部又迅速下降到原副噴嘴噴灌強度以下，而在射流末段時其噴灌強度和原副噴嘴下的噴灌強度基本相等。3種工作壓力時原副噴嘴和副噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后噴頭均具有良好的組合噴灌均勻性，噴頭間距為12 m×12 m～18 m×18 m下的組合噴灌均勻系數(shù)均在83%以上。

（3）組合2的噴灌均勻性較好，其在各噴頭間距下的平均噴灌均勻系數(shù)為87.8%，其中噴頭間距為17 m×17 m時的噴灌均勻系數(shù)峰值達(dá)到89.3%。綜合考慮噴灌質(zhì)量和經(jīng)濟性兩方面，在實際工程設(shè)計時，建議8034D搖臂式噴頭主、副噴嘴的組合方式優(yōu)先選用組合2，噴頭工作壓力設(shè)置為250 kPa，且噴頭組合間距以17 m×17 m為宜。