射流三通連接滴灌帶的水力性能沿程變化規(guī)律

張晨曦，王新坤，靳彬彬，姚吉成，薛子龍，王軒

(江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

滴灌是目前應(yīng)用較為廣泛的高效農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù).灌水均勻度是評價滴灌系統(tǒng)的重要指標[1-2]，而有研究[3-5]表明脈沖滴灌可以提高滴灌系統(tǒng)的均勻性.

王新坤[6]發(fā)明的射流三通利用特有的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脈沖效應(yīng)，從而構(gòu)建脈沖滴灌系統(tǒng).許鵬等[7]發(fā)現(xiàn)射流三通的水頭振幅隨著噴嘴寬度增大而增大，脈沖頻率隨著噴嘴寬度增大而減小.楊玉超等[8]通過對比進口壓力相同時射流三通和普通三通的水力性能，發(fā)現(xiàn)射流三通能提高滴灌帶的灌水均勻系數(shù)、降低流量偏差率；進一步探究了射流三通的影響因素，得出了各因素對脈沖性能影響的主次順序.樊二東等[9]模擬6種噴嘴寬度對脈沖頻率、振幅及水力性能的影響，提出噴嘴寬度為4 mm的射流三通能夠產(chǎn)生水頭振幅大、頻率高的脈沖水流.文獻[10-11]擬合了射流三通各水力性能之間的關(guān)系，提出了水力設(shè)計的方法，并進一步研究了射流三通產(chǎn)生的脈沖水流對滴灌灌水器抗堵能力的影響，指出射流三通產(chǎn)生的高頻脈沖水流是灌水器抗堵塞能力強于普通三通的主要因素[12-13].

上述主要是對相同進口壓力下射流三通和普通三通的水力性能以及抗堵性能方面進行研究，未對射流三通連接滴灌帶沿程水力性能進行分析.

文中通過對滴灌帶沿程水力性能進行探究，得到射流三通連接的脈沖滴灌系統(tǒng)的流量閾值，研究脈沖參數(shù)的沿程衰減規(guī)律，分析導致射流三通連接滴灌帶的灌水均勻度與普通三通產(chǎn)生差異的原因，并找出射流三通連接60 m滴灌帶的最優(yōu)流量的水力設(shè)計，為射流三通脈沖滴灌系統(tǒng)的水力設(shè)計提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗設(shè)備包括額定揚程45 m的離心泵、內(nèi)鑲式滴灌帶(上海華維節(jié)水灌溉有限公司，滴頭間距30 cm，內(nèi)徑16 mm，額定流量2.7 L/h)、精密壓力表(紅旗儀表有限公司，精度0.4級)、渦輪流量計(上海帆揚機電有限公司，精度0.50%)、射流三通、普通三通、內(nèi)徑16和28 mm的PVC管.

圖1為射流三通結(jié)構(gòu)與實物圖，其具體參數(shù)：噴嘴寬度w為4 mm，劈距H為28 mm，位差s為2.1 mm，分流劈半徑R為2 mm，控制管寬度cw為3 mm，控制管長度c1為120 mm，側(cè)壁夾角θ為20°，射流三通出口內(nèi)寬度low為8 mm.圖1b中的射流三通上方2個開孔處，由內(nèi)徑為3 mm軟管相連.

圖1 射流三通

試驗在江蘇大學噴灌大廳內(nèi)進行，支管采用內(nèi)徑28 mm的PVC管，毛管采用內(nèi)徑16 mm的PVC管；射流三通和普通三通單側(cè)鋪設(shè)長度為60 m，每隔10 m設(shè)置1個測試點，測試滴灌帶沿程的壓力和滴頭流量值，分析滴灌帶沿程的流量壓力分布.在壓力表的彎管與PVC管接頭處裝有閥門，以減少壓力表指針擺動對滴灌帶內(nèi)脈沖水流的影響.試驗中的脈沖水流由毛管上的射流三通產(chǎn)生，射流三通和普通三通前安裝的壓力表讀數(shù)恒定，表明2種滴灌形式之間沒有影響.試驗具體布置如圖2所示.

圖2 試驗平臺布置示意圖

1.2 試驗方法

通過啟閉閥門以調(diào)節(jié)三通進口流量，其值由安裝在三通進口的渦流流量計讀出.同時開展基于射流三通的脈沖滴灌與基于普通三通穩(wěn)壓滴灌的相同條件對比試驗.進行三通的水力性能試驗時，待三通進口流量穩(wěn)定3 min后，再測量壓力與滴頭流量.采用JT-HD61E型高速攝像機拍攝每個壓力表壓力振幅和頻率變化過程，通過后處理軟件i-SPEED記錄壓力變化值.在測量滴頭流量時，每次測量10 min，考慮到相鄰滴頭之間可能存在制造差異，每1個測量點選取3個滴頭進行測量，最后取其平均值.

1.3 主要參數(shù)計算方法

1) 脈沖頻率.脈沖頻率是單位時間內(nèi)滴灌帶壓力變化的次數(shù).試驗每次測量時間為1 min，脈沖頻率取1 min內(nèi)的平均值.

f=n/t，

(1)

式中：f為壓力表的擺動頻率，Hz；n為一定時間內(nèi)壓力表指針擺動的次數(shù)；t為壓力表指針擺動n次的時間，s.

2) 水頭振幅.水頭振幅是滴灌帶內(nèi)壓力的波動幅度，取1 min內(nèi)射流三通單次擺動振幅的平均值.

(2)

式中：h為水頭振幅，m；himax，himin分別為滴灌帶內(nèi)第i次擺動的最大、最小值，m.

3) 灌水均勻度.灌水均勻度包括灌水均勻系數(shù)和流量偏差率，是反映滴灌帶灌水均勻性的2個重要參數(shù)[12-13].

(3)

(4)

4) 水頭損失.射流三通滴灌帶內(nèi)測試點的壓力值，取1 min內(nèi)該點每次擺動最大值和最小值的平均值.水頭損失為前后壓力值之差.

(5)

hw=h0-h60，

(6)

式中：hk為距離滴灌帶進口k(m)處的壓力值指針每次擺動值，m；hjmax，hjmin分別為1 min內(nèi)壓力值指針擺動的最大值和最小值；hw為滴灌帶內(nèi)的水頭損失，m；h0為滴灌帶進口處壓力值，m；h60為滴灌帶尾端壓力值，m.

2 結(jié)果分析

2.1 射流三通進口流量與出口水頭振幅的關(guān)系

圖3為射流三通出口處的水頭振幅h隨射流三通進口流量Q1T變化的關(guān)系曲線.由圖可知，當進口流量為0.1～1.2 m3/h時，射流三通的水頭振幅為0～4 m.當進口流量小于0.2 m3/h時，射流三通不產(chǎn)生脈沖水流，水頭振幅為0.隨著流量增大，射流三通的水頭振幅也逐漸增大.當進口流量大于1.0 m3/h時，水頭振幅變化趨于平緩.但當進口流量大于0.8 m3/h時，進口壓力已超出了滴頭額定壓力要求，則脈沖滴灌系統(tǒng)的水力設(shè)計不考慮進口流量大于0.8 m3/h的情況，所以脈沖滴灌系統(tǒng)的流量閾值為0.2～0.8 m3/h.

圖3 射流三通進口流量與出口水頭振幅關(guān)系

射流三通是基于射流附壁效應(yīng)而設(shè)計的一種脈沖發(fā)生器.當進口流量小于0.2 m3/h時，由于射流三通內(nèi)的水流流速較慢，射流與壁面之間不能產(chǎn)生干涉，從而無法形成脈沖水流，所以振幅為0.隨著進口流量增加，進口流速也在逐漸增大，射流的卷吸作用更強，水流與射流三通壁面之間開始產(chǎn)生干涉，從而形成脈沖水流，并且隨流量增大，水頭振幅也逐漸增大.但當流量增加到一定程度時，射流三通的結(jié)構(gòu)尺寸將會成為限制振幅變化的主要因素，水頭振幅將保持不變.

2.2 滴灌帶沿程脈沖參數(shù)變化規(guī)律

圖4為射流三通滴灌帶脈沖性能沿程變化，圖中L為測量點到滴灌帶進口的距離.由圖4a可知，隨著射流三通進口流量Q1T增大，滴灌帶內(nèi)的水頭振幅逐漸增大；隨著測量點到進口距離增加，滴灌帶內(nèi)的水頭振幅逐漸減小.當射流三通進口流量為0.3和0.4 m3/h時，射流三通產(chǎn)生的脈沖效應(yīng)分別持續(xù)到距滴灌帶進口30和50 m處.當射流三通進口流量大于0.4 m3/h時，射流三通連接的整條滴灌帶均有脈沖效應(yīng).當射流三通進口流量分別為0.5，0.6，0.7和0.8 m3/h時，水頭振幅的衰減速率均存在突變的過程，突變點分別為距離滴灌帶進口10，20，20和30 m處.在突變點之前，水頭振幅衰減速率較大；突變點之后，水頭振幅衰減速率緩慢.隨著進口流量增大，突變點到滴灌帶進口的距離呈增大趨勢.對比4個突變點可知，突變點的水頭振幅均接近1 m，同時當進口流量為0.3或0.4 m3/h時，滴灌帶進口處的水頭振幅均小于1 m，其水頭振幅的衰減速率也較為緩慢.表明當?shù)喂鄮?nèi)的水頭振幅減小到1 m時，其在滴灌帶內(nèi)的衰減速率將會顯著減小.

圖4 射流三通滴灌帶脈沖性能沿程變化

由圖4b可知，當流量為0.3～0.8 m3/h時，滴灌帶內(nèi)水流的脈沖頻率f為0～11.98 Hz.隨著射流三通進口流量增大，脈沖頻率在逐漸增大；隨著距離增加，滴灌帶內(nèi)的脈沖頻率出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢.其中當進口流量為0.6，0.7，0.8 m3/h，在滴灌帶長度為30 m處出現(xiàn)脈沖頻率最大值；當進口流量為0.5 m3/h，在滴灌帶長度為10 m處出現(xiàn)脈沖頻率最大值；當進口流量為0.3，0.4 m3/h，滴灌帶脈沖頻率呈現(xiàn)遞減變化，脈沖頻率的最大值均出現(xiàn)在滴灌帶0 m處，即滴灌帶進口處.

結(jié)合圖4a和4b可知，水頭振幅在突變點衰減較快，是因為脈沖頻率增大，而在突變點之后，脈沖頻率呈減小趨勢，則水頭振幅衰減較慢.

2.3 穩(wěn)壓滴灌與脈沖滴灌的水頭損失對比

由于脈沖滴灌與普通滴灌系統(tǒng)的差別主要在于是否有脈沖水流，試驗中應(yīng)選擇在整條滴灌帶內(nèi)均能產(chǎn)生脈沖效應(yīng)的流量區(qū)間，因此選擇在0.5～0.8 m3/h的范圍內(nèi)，對射流三通與普通三通連接滴灌帶內(nèi)水流的水力性能進行研究.圖5為隨著射流三通和普通三通進口流量Q1T增加，其所連接60 m滴灌帶的水頭損失hw變化曲線.當進口流量為0.5～0.8 m3/h時，普通三通連接滴灌帶的沿程水頭損失為0.90～1.30 m，射流三通連接的滴灌帶的沿程水頭損失為0.50～0.85 m.在進口流量相同的情況下，相比于普通三通，射流三通連接滴灌帶的水頭損失減小了62.5%～83.3%.同時，由圖5可以看出，隨著進口流量增大，滴灌帶沿程水頭損失也逐漸增大，在射流三通進口流量為0.6 m3/h時，射流三通連接的滴灌帶的沿程水頭損失減小最多，為83.3%.

圖5 進口流量與滴灌帶水頭損失關(guān)系

2.4 穩(wěn)壓滴灌與脈沖滴灌的灌水均勻度

圖6為三通進口流量為0.5，0.6，0.7，0.8 m3/h，滴灌帶單側(cè)鋪設(shè)長度為60 m時，測試點的流量情況.圖中A1，B1，C1，D1和A2，B2，C2，D2分別代表射流三通、普通三通在進口流量為0.8，0.7，0.6，0.5 m3/h的條件下，滴灌帶上各測試點的流量Qc.由圖6可知，隨著滴頭到滴灌帶進口距離增加，滴灌帶上的滴頭流量呈減小趨勢.原因是隨著滴灌帶長度增加，滴灌帶內(nèi)的局部水頭損失和沿程水頭損失也增加，滴灌帶內(nèi)的壓力逐漸減小，從而導致流量遞減；相比于普通三通，射流三通連接滴灌帶的滴頭流量曲線變化更為平緩，流量變化更小，均勻性更高.同時，相比于普通三通，射流三通連接的滴灌帶水頭損失較小，滴灌帶內(nèi)壓力沿程變化較小，均勻性更高.

圖6 滴頭流量沿程分布

圖7為滴灌帶的灌水均勻度隨射流三通和普通三通進口流量變化的關(guān)系曲線.

圖7 進口流量與灌水均勻度關(guān)系

由圖7可知，當進口流量為0.5～0.8 m3/h時，普通三通的灌水均勻系數(shù)Cu為96.6%～97.3%，流量偏差率qv為11.9%～15.6%；射流三通的灌水均勻系數(shù)為97.1%～98.0%，流量偏差率為9.2%～13.5%.在進口流量相同時，射流三通連接滴灌帶的灌水均勻系數(shù)均比普通三通連接滴灌帶的灌水均勻系數(shù)提高0.6%～0.9%，流量偏差率降低1.2%～4.1%；普通三通連接滴灌帶的灌水均勻系數(shù)隨著流量增大而增大，流量偏差率逐漸減??；射流三通連接的滴灌帶的灌水均勻系數(shù)隨著流量增大出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢，流量偏差率先減小后增大.由于射流三通能夠產(chǎn)生脈沖水流，則射流三通連接的滴灌帶內(nèi)部存在脈沖效應(yīng)，從而導致滴灌帶的壓力為動壓，所以滴灌帶內(nèi)的水頭振幅和脈沖頻率是導致射流三通連接滴灌帶和普通三通連接滴灌帶的灌水均勻度產(chǎn)生差異的根本原因.

滴灌帶內(nèi)的動壓體現(xiàn)在脈沖頻率和脈沖振幅上，由圖4a可知，在(0,20] m滴灌帶段，射流三通進口流量為0.7與0.6 m3/h的沿程水頭振幅的變化趨勢相似，且數(shù)值相近.在滴灌帶(20,60] m段，射流三通進口流量為0.7與0.8 m3/h的沿程水頭振幅的變化趨勢相似，且數(shù)值相近.則與其他3種進口流量的情況相比，當進口流量為0.7 m3/h時，在保證水頭振幅足夠大的情況下，振幅的衰減速度也比較慢，所以滴灌帶灌水均勻性較高.

3 結(jié) 論

1) 當射流三通的進口流量大于0.2 m3/h時，射流三通能產(chǎn)生脈沖水流；當流量大于1.0 m3/h時，水頭振幅變化趨于平緩.在進口流量為0.2～1.0 m3/h時，脈沖頻率波動范圍為0～11.98 Hz.

2) 當進口流量分別為0.5，0.6，0.7，0.8 m3/h時，射流三通連接滴灌帶內(nèi)的沿程水頭振幅的衰減速度存在突變點，分別為距滴灌帶進口10，20，20，30 m處；射流三通連接滴灌帶內(nèi)的沿程脈沖頻率先增加后減小，脈沖頻率的最大值點分別出現(xiàn)在距滴灌帶進口10，30，30，30 m處；進口流量分別為0.3，0.4 m3/h時，射流三通連接滴灌帶的沿程水頭振幅和脈沖頻率均呈現(xiàn)遞減趨勢.

3) 在流量相同的情況下，射流三通連接滴灌帶內(nèi)的水頭損失比普通三通連接滴灌帶內(nèi)的水頭損失降低62.5%～83.3%，灌水均勻系數(shù)提高0.6%～0.9%，流量偏差率降低1.2%～4.1%.

4) 在射流三通連接60 m滴灌帶時，射流三通連接的脈沖滴灌系統(tǒng)的流量閾值為0.2～0.8 m3/h，射流三通進口流量的設(shè)計范圍為0.5～0.8 m3/h.當流量為0.7 m3/h時，射流三通連接滴灌帶的均勻度最高，流量偏差率最小，為射流三通滴灌系統(tǒng)的水力設(shè)計提供依據(jù).