新型五嘴霧化噴頭噴灌強(qiáng)度及水量空間變化規(guī)律研究

黃洋漫，朱德蘭

（西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100）

0 引言

新型五嘴霧化噴頭結(jié)構(gòu)簡單，安裝拆卸方便，適用于農(nóng)業(yè)芽菜類扦插育苗灌溉技術(shù)等領(lǐng)域，是霧化效果較好的一種噴頭。相較常見的四出口霧化噴頭，新型五嘴霧化噴頭的單噴頭為新型傘形噴射微噴頭，噴霧范圍更大，霧化更強(qiáng)，避免了霧化噴頭下方出現(xiàn)噴不到的死角現(xiàn)象，霧化范圍更均衡，可通過旋轉(zhuǎn)噴嘴調(diào)節(jié)噴幅大小及關(guān)閉噴頭。但是當(dāng)噴頭里的水束射出以后，要是擴(kuò)散地不充分，就會造成噴灌水量集中，產(chǎn)生峰值非常大的水量[1-2]，易產(chǎn)生地表徑流，降低水分利用率。

國內(nèi)外學(xué)者對不同類型噴頭水量分布做了大量研究。Kincaid[3]采用安裝Nelson 型噴頭的噴灌機(jī)進(jìn)行室外試驗(yàn)，分析不同類型的噴頭灌水強(qiáng)度及水量峰值，并提出有關(guān)峰值水量的計算方法，為到地表徑流的預(yù)測提供參考。Kohl 等[4]在現(xiàn)有的研究中發(fā)現(xiàn)噴灌水的落地動能和噴灌壓力有著密切的關(guān)系，當(dāng)壓力達(dá)到最大時落地的動能也隨之增大。張以升等[5]對Nelson D3000 型藍(lán)色噴盤、噴嘴直徑4.76 mm 的噴頭進(jìn)行試驗(yàn)，建立了不同工況下水量峰值、能量峰值與工作壓力及噴灌高度的回歸關(guān)系式。楊雯等[6]對非折射式噴頭進(jìn)行研究，提出單一流道結(jié)構(gòu)非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水量分布及均勻性與流道出射角之間的關(guān)系。

此前研究的噴頭大多是已被廣泛應(yīng)用的常見噴頭，并且大多數(shù)都是在同一個高度下安裝的，通過改變噴嘴的直徑和噴頭工作時的壓力來實(shí)現(xiàn)噴灌時的水量變化，然而對于不同的峰值水量高度下空間擴(kuò)散研究較少。本文欲在不同工況下，根據(jù)單噴頭的噴灑水量以及噴灌的強(qiáng)度等作為指標(biāo)來進(jìn)行分析水量的分布和擴(kuò)散的規(guī)律，減小噴灑時的峰值區(qū)域?qū)τ谕寥酪约白魑锏膫?，提出關(guān)于噴頭合理的高度以及霧化指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

參照國家標(biāo)準(zhǔn)的GB/T 19795.2-2005[7]來進(jìn)行試驗(yàn)，采用方格形來布置雨量盒（規(guī)格：10 cm×10 cm×10 cm），噴頭之間的構(gòu)造是相對應(yīng)的，布置的間距為0.1 m×0.1 m，以微噴頭為中心進(jìn)行計算，測量區(qū)范圍為90°以內(nèi)，測試的時間為1 h，進(jìn)行3 次以上的重復(fù)測試。測試噴頭的高度設(shè)置值分別是0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m 和2.5 m 5 個水平，分別在100 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa 5 個工作壓力下測定五嘴霧化噴頭噴灑水量、噴灌強(qiáng)度等指標(biāo)。見圖1。

圖1 單噴頭水量分布試驗(yàn)裝置

1.2 測試指標(biāo)與測試方法

1.2.1 測試噴灌強(qiáng)度

按照噴灑質(zhì)量強(qiáng)度的要求，五嘴噴頭在噴灑的區(qū)域內(nèi)某一處水噴灌強(qiáng)度，按照式（1）和式（2）來進(jìn)行計算：

式中：h 表示為噴灌的強(qiáng)度，mm/h；W 表示得是雨量盒內(nèi)水體積的3 次平均測量值，cm3/s；A 是筒開口雨量的面積，cm2；t 是噴頭的噴灑時間；h 為雨量筒內(nèi)的水體積；Wi，cm3。

1.2.2 噴灌均勻度

噴灌均勻度用來判別噴灌面積上水量分布情況，是噴頭灌溉質(zhì)量評價的關(guān)鍵性能指標(biāo)[8]。按式（3）計算單噴頭流量偏差系數(shù)[9]：

式中：CVq為單噴頭流量偏差系數(shù)，CVq值越大，噴灌均勻度越高，0＜CVq＜1；N 為噴灑區(qū)域內(nèi)雨量盒的個數(shù)；qi為同一時間內(nèi)各雨量盒收集水的體積，cm3；為噴灑區(qū)域內(nèi)同一時間內(nèi)各雨量盒收集水體積的算術(shù)平均值，cm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 安裝高度和工作壓力對單噴頭噴灌均勻度的影響

圖2 流量偏差系數(shù)變化柱狀圖

圖2 為不同安裝高度和工作壓力下流量偏差系數(shù)變化柱狀圖。從圖中可以看出，噴頭安裝高度和工作壓力對單噴頭噴灌均勻度有一定影響。同一安裝高度下，流量偏差系數(shù)隨著工作壓力的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢；同一工作壓力下，流量偏差系數(shù)隨著安裝高度的增大呈波浪形上下浮動。五嘴霧化噴頭在0.5 m 安裝高度、200 kPa 工作壓力下，流量偏差系數(shù)最大，噴灌均勻度最大。

2.2 噴灌強(qiáng)度變化規(guī)律

2.2.1 水量分布變化

為了計算出五嘴霧化噴頭在90°噴灑范圍內(nèi)的有效噴射面積，以最外側(cè)的自計雨量盒來檢測降雨量為零的邊界［1］，確定噴頭噴灑區(qū)域的有效寬度，分析其噴射的距離以及噴灑時的幅寬度，根據(jù)在0.5 m～2.5 m 的安裝高度，且工作壓力分別為100 kPa～300 kPa 的情況下水量分布曲線，來分析試驗(yàn)結(jié)果。

通過增大相同安裝高度時的水壓進(jìn)行試驗(yàn)。安裝高度為0.5 m，且工作壓力分別為100 kPa～300 kPa，最大平均噴灌強(qiáng)度分別為，6.06 mm/h、6.72 mm/h、6.20 mm/h、6.57 mm/h、7.44 mm/h;安裝高度升高至1.5 m 時，噴灌強(qiáng)度減弱，其值分別為4.80 mm/h、4.64 mm/h、5.27 mm/h、5.14 mm/h、6.76 mm/h。當(dāng)噴頭離地面2.5 m時在不同的壓力下，噴灌的強(qiáng)度在3.0 mm/h 左右之內(nèi)。

因此可知，在不同工作壓力和安裝高度下，噴頭水量均集中分布在距噴頭0.3 m～0.5 m 處。

2.2.2 峰值水量變化

通過噴頭在不同的安裝高度時峰值噴灌強(qiáng)度變化柱狀圖（圖3）可以看出，在相同壓力下，噴頭安裝高度為0.5 m，噴灌強(qiáng)度的最大峰值為7.44 mm/h。噴頭安裝高度升至1 m 時，噴灌強(qiáng)度的峰值降低幅度較大。但是當(dāng)噴頭安裝高度為1.0 m～2.0 m時，噴灌強(qiáng)度的峰值降低幅度會相對比較小。安裝高度繼續(xù)升高，噴灌強(qiáng)度的峰值升高，相應(yīng)的噴灌強(qiáng)度峰值分別為3.45 mm/h、3.62 mm/h、3.83 mm/h、4.92 mm/h。此處，可以看出噴頭安裝在0.5 m 噴灌高度時，峰值水量強(qiáng)度大大增加，對土壤結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，因此0.5 m 噴灌高度是最不利的。但高度相同，隨著壓力增大，峰值水量強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，變化效果并不明顯，所以通過增大噴頭流量就可以彌補(bǔ)水分?jǐn)U散而造成的噴灌強(qiáng)度減小，避免損失。

圖3 峰值噴灌強(qiáng)度變化柱狀圖

2.2.3 噴灌水?dāng)U散分析

Kincaid 等［3］采用峰值噴灌的強(qiáng)度以及平均的噴灌強(qiáng)度的比值r 來進(jìn)行分析，在噴灌水的空間來計算擴(kuò)散規(guī)律，用其來表達(dá)的方式為：

式中：r 是作為水量的擴(kuò)散系數(shù)，其值越是接近1 其擴(kuò)散就越均勻；Rp是用來表示峰值噴灌的強(qiáng)度，mm/h；Ra是用來表示平均噴灌的強(qiáng)度，mm/h。

Ra是作為單位時間內(nèi)的噴頭噴灑水量值以及在所控的面積比值，即：

式中：Q 為流量，L/s。

由公式（4）和（5）以及（6），可得出在不同工況下的水量擴(kuò)散系數(shù)為：

利用公式（7）來計算在不同工況下的r 值，結(jié)果見表1。

表1 不同工況下水量擴(kuò)散系數(shù)

射流水舌碎裂的主要原因是水分?jǐn)U散。在相同的壓力下，隨著高度的增加，延長了雨滴在空氣中的運(yùn)動時間，碎裂比較充分，小粒徑液滴的比例增大，但是當(dāng)較大的液滴碎裂時會產(chǎn)生較小粒徑的雨滴，改變原來的飛行軌跡，這樣會使水量充分?jǐn)U散；當(dāng)高度相同時，隨著壓力的增大，射流的流速變大，高速的水流會在空氣當(dāng)中摩擦變形，當(dāng)水舌的碎裂比較充分時，會產(chǎn)生很多的小粒徑液滴而發(fā)生擴(kuò)散。

當(dāng)安裝高度為0.5 m，工作壓力為100 kPa 時，r 值最大擴(kuò)散是最不均勻的；安裝高度為2 m 且工作壓力為250 kPa 時，r 值為最小。工作壓力增大時，可以通過提升安裝噴頭的高度降低r 值，使噴灌的水滴在空中充分碎裂，擴(kuò)散均勻，但是這樣也會大大增加噴灌成本。故可以選擇一種低壓力且安裝高度較高的噴頭。

3 結(jié)語

1）不同噴頭安裝高度和工作壓力下，五嘴霧化噴頭最大的區(qū)別是噴灌的均勻度。流量偏差系數(shù)在同一安裝高度下會隨著壓力先增大后減??；同一工作壓力下，流量偏差系數(shù)隨著安裝高度的增大呈波浪形上下浮動。因此可知五嘴霧化噴頭，0.5 m 安裝高度、200 kPa 工作壓力下，流量偏差系數(shù)最大，即噴灌均勻度最大。

2）噴頭安裝高度和工作壓力對噴頭噴灌強(qiáng)度都有一定影響。噴頭同一工作壓力下，隨著噴灌安裝高度的升高，噴灌強(qiáng)度減弱；噴頭相同安裝高度下，隨著噴灌工作壓力的增大，噴灌強(qiáng)度呈現(xiàn)出波浪形的浮動上下變化，效果并不明顯。但是噴頭無論在哪一種工作壓力和安裝高度下，噴頭水量均集中分布在距噴頭0.3 m～0.5 m 處，由此可知噴頭安裝高度太低會導(dǎo)致較高的峰值噴灌強(qiáng)度，會對土壤以及作物造成不利影響。只有適當(dāng)提高噴頭安裝高度，減小工作壓力，才能保證較低的噴灌峰值強(qiáng)度和適宜的水滴打擊強(qiáng)度。

3）噴灌水量的擴(kuò)散與安裝噴頭的高度和工作時的壓力有著密切的關(guān)系。安裝高度較高、工作壓力也較大時，有利于射流水舌的碎裂，水量的擴(kuò)散也會比較均勻，但是灌溉成本比較大。因此為了增大水分?jǐn)U散，降低灌溉成本，可以選擇一種工作壓力較低、且安裝高度較高的噴頭。