不同工況對噴灌水量分布的影響

史永杰,朱興業(yè)，胡廣，張愛英，李吉鵬

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

噴灌是一種利用專門的設(shè)備將壓力水噴灑到空中形成細(xì)小水滴，近似天然降水，均勻地落到田間的灌水方法[1].噴灌能夠控制作物用水量，防止水分的徑向和滲透的流失.噴灌均勻度是衡量噴灑區(qū)域內(nèi)水量分布均勻程度的指標(biāo)，是評價噴灌系統(tǒng)性能的重要參數(shù)[2].影響噴灌均勻度的主要因素有噴頭結(jié)構(gòu)、噴頭工作壓力、噴頭組合間距、噴頭的數(shù)量及組合方式[3].

孫豐剛等[4]經(jīng)分析認(rèn)為影響噴灌均勻度的因素由強(qiáng)到弱依次為組合系數(shù)、工作壓力、布置形式.李永沖等[3]提出了有風(fēng)條件下噴頭水滴運(yùn)動與噴灌水量分布模擬方法，并利用Visual Basic 6.0開發(fā)了噴灌水量分布模擬軟件.趙偉霞等[5]研究了噴頭不同高度對圓形噴灌機(jī)灌水質(zhì)量的影響.許迪等[6]研究了大田噴灌中，各處噴頭不同工作壓力情況下噴灌均勻度的計算評價方法.朱興業(yè)等[7]在不同工作壓力下對旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的水量分布等參數(shù)進(jìn)行試驗，研究了噴灑均勻性與組合間距之間的關(guān)系，為噴灌系統(tǒng)優(yōu)化配置提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ).劉俊萍等[8]研究了噴頭壓力對水量分布模型的影響，指出低壓噴頭的噴灌強(qiáng)度隨著壓力的增大先逐漸增大，達(dá)到一定值后基本保持不變，提出了低壓范圍內(nèi)噴灌組合均勻系數(shù)和組合分布均勻系數(shù)兩者的函數(shù)關(guān)系式.

以上研究中，在不同工況下的噴頭噴灑均勻性之間的相互關(guān)系鮮見相關(guān)的研究報道.因此，通過對射流式噴頭的降水強(qiáng)度，利用Matlab擬合不同工況下的噴灌水量空間分布進(jìn)行后續(xù)分析；然后根據(jù)正三角形和正方形的組合形式，選取最小基本單元，由單噴頭降水強(qiáng)度計算出不同工作壓力及組合間距下的噴灌均勻度CU和分布均勻性系數(shù)DU；進(jìn)而分析工作壓力及組合間距對上述組合方式均勻度的影響.最后綜合考量生產(chǎn)實際中的成本以及生產(chǎn)效率，給出均勻度和經(jīng)濟(jì)效益最佳的噴灌組合設(shè)計方式.

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)置

試驗所用射流式噴頭是基于擁有射流附壁效應(yīng)的全射流噴頭改進(jìn)的，能夠采用信號嘴從儲水環(huán)中進(jìn)行的新型射流式噴頭.射流式噴頭樣機(jī)及關(guān)鍵部件如圖1所示.噴嘴的當(dāng)量直徑為6 mm.其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：信號孔與分水孔之間的夾角α為0°、儲水箱內(nèi)徑為30 mm、長度為10 mm、基圓孔直徑為4 mm、取水信號嘴內(nèi)徑為2 mm、收縮角為14°、第一補(bǔ)氣孔和第二補(bǔ)氣孔均為1 mm.

圖1 射流式噴頭樣機(jī)及關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)

射流式噴頭噴灑試驗系統(tǒng)示意圖如圖2所示.噴頭連接壓力調(diào)節(jié)器，噴頭旋轉(zhuǎn)速度通過精度為0.01 s的秒表測量，試驗過程中噴頭工作壓力由精度為0.4級的精密壓力表保證，試驗在噴頭穩(wěn)定工作5 min后進(jìn)行.

圖2 試驗系統(tǒng)圖

對射流式噴頭在安裝高度為1.4 m，工作壓力分別為0.10，0.15，0.20，0.25和0.30 MPa的情況進(jìn)行全圓域噴灑.水量采用內(nèi)徑為20 cm、高為60 cm的雨量筒測量，雨量筒以噴頭垂下地面位置為中心徑向布置，雨量桶間距為0.5 m，每組試驗測量3次，每組測試時間為1 h.圖3為噴頭分別呈三角形和正方形組合的組合方式及組合間距.

圖3 噴頭組合方式

1.2 噴灌水量的模擬

試驗中雨量筒測得的水深僅是噴頭X軸方向上的徑向水量分布，由于射流式噴頭轉(zhuǎn)速在全圓內(nèi)并不均勻，因此一條射線上的水深并不能代表噴頭在全圓域內(nèi)的水量分布,即在噴灌水量的模擬中需考慮轉(zhuǎn)速對其產(chǎn)生的影響.文中設(shè)定有4條射線將噴灑域劃分為4個象限Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，表示其水量分布各不相同.

(1)

Hi=hi·Wi,

(2)

式中：v0為噴頭噴溉過程中沿X軸方向的旋轉(zhuǎn)速度，r/s;vθ為噴頭噴溉過程中在P方向的旋轉(zhuǎn)速度，r/s;Wθ為網(wǎng)格P方向上的權(quán)值;Wi為任意位置i所在方向的權(quán)值.

1.3 性能評價指標(biāo)的計算方法

噴灌均勻度是水量在灌溉區(qū)域上分布的均勻程度，實踐中發(fā)現(xiàn)在整個噴灌面積上噴灑的均勻度對作物的增收有決定性的影響，是衡量噴灌質(zhì)量的重要標(biāo)志[9-10].評價噴灌均勻度的指標(biāo)有均勻性系數(shù)CU、分布均勻系數(shù)DU.

噴灌均勻度系數(shù)CU采用Christiansen計算法[11]，其計算公式為

(3)

分布均勻性系數(shù)的是指部分測點水深的均值與總水深平均值的比值[12].計算公式為

(4)

(5)

(6)

(7)

上述式中：DUlq為1/4低值分布均勻系數(shù)；DUhq為1/4高值分布均勻系數(shù)；DUlh為1/2低值分布均勻系數(shù)；DUhh為1/2高值分布均勻系數(shù)；hi為各測點水深值按從小到大排列的第i個水深值，mm.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工作壓力下的徑向水量分布

噴頭在1.4 m安裝高度的流量測量值如表1所示.

表1 不同壓力下的噴頭流量

根據(jù)流體力學(xué)知識，噴頭流量與噴嘴直徑以及工作壓力的關(guān)系為

(8)

由此可得出流量系數(shù)的計算公式為

(9)

上述式中：QP為噴頭流量，m3/h；μ為流量系數(shù)；A為噴嘴過流斷面面積，m2；H為噴嘴出口壓力，以米水柱表示，m.

從表1中可知：噴頭的流量與壓力呈正相關(guān)關(guān)系，噴頭的流量隨噴頭壓力的增大而增大；流量系數(shù)隨壓力的增大呈先上升后下降趨勢.

噴頭的徑向水量分布是評價噴頭噴灑效果的重要特征參數(shù)[12]，通過試驗獲取了雨量筒采集的數(shù)據(jù)，得到了射流式噴頭在不同工作壓力下的徑向水量分布，變化曲線如圖4所示.

圖4 噴頭安裝高度為1.4 m時的徑向水量分布

從圖4中可知，噴灌強(qiáng)度I隨距噴頭距離d的增大整體呈先上升后下降趨勢.隨噴頭工作壓力的增大，相同測點處的水量并沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，主要是因為噴射水流受到了旋轉(zhuǎn)速度、射流破碎、外界環(huán)境等多個因素的影響，噴射水流的能量損失不同工作壓力下存在著很大的隨機(jī)性.在0.1 MPa壓力下，距噴頭射程末端處噴灌強(qiáng)度急劇增大，出現(xiàn)這種突變的原因是出口處大直徑數(shù)量較多且速度梯度較小，造成水量在末端集中.壓力在0.15～0.30 MPa時，水量在距噴頭初始位置2.0～8.5 m處分布均勻，而在噴灑末端一段距離內(nèi)，水深急劇下降，說明噴頭噴灑水柱破碎均勻，噴灑末端水滴直徑與對應(yīng)同一數(shù)量級的頻數(shù)呈負(fù)相關(guān)趨勢.

2.2 不同工作壓力下的空間水量分布

對噴頭在1.4 m安裝高度，組合間距為1.0R,0.1 MPa壓力下的水量分布進(jìn)行模擬，得到圖5所示的水量分布，圖中dh為橫向噴灑范圍.由圖可知：正方形組合的多噴頭噴灌區(qū)域的灌水量主要集中在正方形的中心，且水量沿正方形的4個頂點逐漸減小；三角形組合噴灌區(qū)域內(nèi)存在明顯的3個水量局部集中區(qū)域，集中區(qū)域隨壓力的增大從邊緣向內(nèi)侵蝕.

計算圖5中不同壓力下水量分布的灌水峰值、CU及分布均勻性系數(shù)，結(jié)果如表2所示.從表2中可知工作壓力為0.10～0.20 MPa時正方形組合噴灌的CU值與分布均勻性系數(shù)的大小關(guān)系依次為DUhq，DUhh，1，DUlh，CU，DUlq.當(dāng)壓力增大至0.25 MPa以上時，正方形組合噴灌的CU值與分布均勻性系數(shù)的大小關(guān)系依次為DUhq，DUhh，1，CU，DUlh，DUlq.這說明在高壓工況下，正方形組合的噴灌強(qiáng)度按最大值到最小值的次序銜接較好，在相同面積的高值區(qū)域和低值區(qū)域其平均值趨向于平均噴灌強(qiáng)度.工作壓力為0.10～0.15 MPa時三角形組合噴灌的CU值與分布均勻性系數(shù)的大小關(guān)系依次為DUhq，DUhh，1，DUlh，CU，DUlq.表明0.10～0.15 MPa下的三角形組合噴灌強(qiáng)度在最大值與最小值之間變化較為急劇，噴灌效果一般.

圖5 0.1 MPa壓力下不同組合噴灌水量分布

壓力增大至0.20 MPa以上時，正方形組合的DUlq和DUlh值均大于三角形組合，而DUhq和DUhh值則相反.正方形組合的DUlq和DUlh值隨工作壓力的增加而增大，DUhq和DUhh值則相反.表明正方形組合噴灌的低值區(qū)域噴灌強(qiáng)度隨壓力的增加在噴灌總強(qiáng)度的占比提高，高值區(qū)域的噴灌強(qiáng)度在總噴灌強(qiáng)度的占比減少.故對射流式噴頭而言，在正方形組合形式下，增大工作壓力有利于提高噴灑均勻性.

表2 不同壓力下組合均勻性系數(shù)

2.3 不同組合間距的空間水量分布

目前噴灌系統(tǒng)中噴頭組合形式主要有正方形和三角形2種組合[4]，對單噴頭在1.4 m安裝高度、0.25 MPa壓力下的水量進(jìn)行線性疊加，得到不同組合間距的噴灌水量分布.計算水量分布的灌水峰值、CU及分布均勻性系數(shù)，結(jié)果如表3所示.此處只列出了較為代表性的間距為1.0R時的空間水量分布，如圖6所示.

表3 不同組合間距下的組合均勻系數(shù)

圖6 1.0R多噴頭組合噴灌水量的空間分布

由圖6可知，正方形組合形式的多噴頭噴灌相當(dāng)于單噴頭噴灑區(qū)域中的4個象限分別置于正方形的4個頂點，疊加域內(nèi)的水量分布近似對稱.當(dāng)噴頭組合間距為1.0R時，正方形組合灌水峰值區(qū)域位于中心.結(jié)合表3可知，中心灌水峰值區(qū)域隨組合間距的增大逐漸減小，水量峰值出現(xiàn)在四周方向上.當(dāng)噴頭組合間距為1.0R時，三角形組合存在3個類似于三邊形的峰值區(qū)域.隨著組合間距的增大，三邊形面積逐漸減小，水量峰值出現(xiàn)在三邊形的中垂線方向上.

由表3可知，正方形和三角形組合噴灌區(qū)域內(nèi)的灌水峰值隨組合間距的增大而減小.不同組合間距下，正方形組合的灌水峰值均大于三角形組合， 1.0R的正方形組合灌水峰值大于其他所有的形式，這說明實際噴灌系統(tǒng)中該噴頭應(yīng)避免工作在該工況附近，以防止水土流失.

從表3可以看出，1.2R，1.4R間距的正方形和三角形組合下的CU值與分布均勻性系數(shù)的大小關(guān)系均依次表現(xiàn)為DUhq,DUhh,1,DUlh,CU,DUlq.表明在該組合噴灌下的噴灌強(qiáng)度按從最高值到最低值的次序銜接一般，在相同面積的高值區(qū)域和低值區(qū)域，兩者的平均值與平均噴灌強(qiáng)度存在一定差距，噴溉效果一般.1.0R間距的正方形和三角形組合下CU值與分布均勻系數(shù)的大小關(guān)系均依次表現(xiàn)為DUhq,DUhh,1,CU,DUlh,DUlq.說明在此組合噴灌工況下的噴灌強(qiáng)度按從最高值到最低值的次序銜接較好，在相同面積的高值區(qū)域和低值區(qū)域，兩者的平均值與平均噴灌強(qiáng)度之間相隔較近，噴溉效果較好.1.0R和1.2R組合間距下，正方形組合的DUlq和DUlh值均大于三角形組合，且其DUhq與DUhh均小于三角形組合.說明正方形組合噴灌低值區(qū)域的噴灌強(qiáng)度在灌溉總強(qiáng)度的占比，比三角形組合高；正方形組合噴灌高值區(qū)域的噴灌強(qiáng)度在噴灌總強(qiáng)度的占比，比三角形組合低；1.4R的組合間距則與上述相反.

噴頭組合間距在1.0R～1.4R變化時，正方形組合噴灌的CU值隨噴頭間距的增大呈下降趨勢，但CU值均大于70%.三角形組合噴灌的CU值隨噴頭間距的增大呈先下降后上升趨勢，1.4R間距下的CU值達(dá)到73.85%.1.2R間距下，三角形組合的CU值遠(yuǎn)小于正方形組合，兩者相差8.49%.綜合考慮噴灌系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及噴灑質(zhì)量，射流式噴頭1.4 m安裝高度、0.25 MPa壓力下宜采用1.4R間距的三角形組合.

2.4 相同壓力損失下的空間水量分布

在實際噴灌系統(tǒng)中，由于各種因素的影響，水流存在一定的壓力損失.為探究噴頭布置過程中壓力損失對組合噴灑水量分布均勻性的影響，采用正方形布置，選取左側(cè)兩噴頭工作壓力依次為0.15，0.20，0.25和0.30 MPa，組合間距為1.0R的噴灌情形.假設(shè)右側(cè)噴頭工作壓力降低10%，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并計算分布均性系數(shù)及CU值，結(jié)果如表4所示.由表可知，CU，DUlq和DUlh隨兩側(cè)壓力pl，pr的遞加而增加，DUhq和DUhh則相反.說明噴頭在正方形組合中同時增大兩側(cè)壓力，噴灌更加均勻.對比表2不存在壓力損失的情況，能夠得知壓力損失并不總是降低噴灌的均勻性，0.20～0.30 MPa壓力下，10%的壓力損失對噴頭噴灌均勻性幾乎沒有影響.

表4 壓力損失下的組合均勻系數(shù)

圖7為噴灌強(qiáng)度，由圖可知，0.15～0.30 MPa壓力下的噴灌強(qiáng)度分別在(6,8],(8,10],(8,10]和(10,12]區(qū)間內(nèi)的頻率達(dá)到最大值.0.15～0.30 MPa的灌水峰值分別為22.05,20.07,20.16和17.92 mm/h，相比右側(cè)不存在壓力波動，噴灌強(qiáng)度峰值變化幅度的絕對值小于7%，說明0.15～0.30 MPa壓力下，10%的壓力損失對噴頭過量灌溉的影響不大.

圖7 噴灌強(qiáng)度的柱狀分布

3 結(jié) 論

1) 正方形組合形式下，增大工作壓力有利于提高噴灑區(qū)域內(nèi)的均勻性.

2) 射流式噴頭1.4 m安裝高度、0.25 MPa壓力下宜采用1.4R間距的三角形組合.

3) 當(dāng)壓力增大至0.25 MPa以上時，正方形組合的噴灌強(qiáng)度按最大值到最小值的次序銜接較好，在相同面積的高值及低值區(qū)域的平均值趨向于平均噴灌強(qiáng)度，噴灌效果理想.