圓形噴灌機(jī)噴頭選型及配置

侯永勝，董曉麗，嚴(yán)海軍，董云雷，高江永，蔡振華，史海玲，崔 康

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083； 2.北京機(jī)科國(guó)創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司，北京100083；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京100083)

0 引言

圓形噴灌機(jī)(中心支軸式噴灌機(jī))是噴灑支管固定在若干個(gè)塔架車上，并繞中心支軸旋轉(zhuǎn)的一種噴灌機(jī)。作為一種典型的節(jié)水灌溉設(shè)備，具有噴灑質(zhì)量好、工作效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、自動(dòng)化程度高和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地塊較大、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件較好的大型農(nóng)場(chǎng)。

圓形噴灌機(jī)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，由美國(guó)人Frank Zybach發(fā)明，后經(jīng)維蒙特(Valmont)等公司改進(jìn)得以推向市場(chǎng)。到20世紀(jì)60年代，噴灌機(jī)得到初步應(yīng)用，但全年產(chǎn)量只有50臺(tái)。隨著全球范圍內(nèi)節(jié)約水資源和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、集約化的發(fā)展，圓形噴灌機(jī)進(jìn)入快速應(yīng)用階段，根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織編寫的《機(jī)械化噴灌溉》資料統(tǒng)計(jì)，1972年美國(guó)境內(nèi)安裝13 600臺(tái)，1978年美國(guó)境內(nèi)安裝臺(tái)數(shù)達(dá)到51 965臺(tái)，在此期間，美國(guó)累計(jì)國(guó)外銷售51 095臺(tái)。預(yù)計(jì)到2027年，全世界圓形噴灌機(jī)產(chǎn)值將達(dá)到19億美元。由于圓形噴灌機(jī)在灌溉和節(jié)水方面的多種優(yōu)勢(shì)，美國(guó)著名科技刊物《科學(xué)美國(guó)》曾稱贊道：“圓形噴灌機(jī)是自從拖拉機(jī)取代耕畜以來，意義最重大的農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)明”[1]。

我國(guó)大型噴灌機(jī)技術(shù)的發(fā)展從1976年末開始，經(jīng)歷4個(gè)階段：起步引進(jìn)階段、關(guān)鍵部件攻關(guān)階段、完善提高和穩(wěn)妥推廣階段、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化階段。2009年以前，大型噴灌機(jī)市場(chǎng)需求量較小。從2010年開始，市場(chǎng)需求量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。截止到2018年底，全國(guó)大型噴灌機(jī)保有量超過1.6萬臺(tái)，累計(jì)灌溉覆蓋面積超過48.67萬hm2。

圓形噴灌機(jī)噴灌作業(yè)時(shí)，桁架輸水管圍繞固定中心支軸旋轉(zhuǎn)，灌溉區(qū)域呈圓形或扇形，灌溉面積隨機(jī)組有效長(zhǎng)度的2次方關(guān)系增加，輸水管內(nèi)的壓力隨著機(jī)組有效長(zhǎng)度的增加大幅度降低。圓形噴灌機(jī)機(jī)組噴灌強(qiáng)度沿著機(jī)組方向線性增加，因而機(jī)組末端噴灌強(qiáng)度超過土壤入滲率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)地面徑流(低壓散水式噴頭較為明顯)，引起土壤破壞和肥料的分布不均。為了緩解此問題，圓形噴灌機(jī)工程設(shè)計(jì)時(shí)必須要重視噴頭選型、噴頭配置方式及其他多種因素，如作物種類、土壤類型、噴頭類型及噴灑性能等。噴頭類型及噴頭配置方式對(duì)整個(gè)噴灌機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、灌溉質(zhì)量和運(yùn)行管理等方面具有重要意義[2-3]。

圍繞圓形噴灌機(jī)使用，從噴頭類型發(fā)展演變、噴頭結(jié)構(gòu)及性能研究和噴頭配置方式等多個(gè)方面，闡述其研究現(xiàn)狀，并進(jìn)行歸納總結(jié)。

1 噴頭類型演變過程

灌溉用噴頭的發(fā)明早于圓形噴灌機(jī)，由于圓形噴灌機(jī)對(duì)噴頭的各種需求，使得噴頭種類有了不斷的發(fā)展和更新，經(jīng)歷了從單純機(jī)械組合到有機(jī)整體的過程。

1933年搖臂式噴頭問世，由Rainbird和Nelson公司生產(chǎn)，有力促進(jìn)了當(dāng)時(shí)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的快速發(fā)展[4]。20世紀(jì)60年代中后期，出現(xiàn)了行走式噴灌機(jī)，并得到快速推廣應(yīng)用，其中以圓形噴灌機(jī)為主要代表，采用搖臂式噴頭，工作壓力在340 kPa左右，實(shí)際運(yùn)行成本高，飄移嚴(yán)重。為了降低成本和減少飄逸，又研制出低仰角搖臂式噴頭，工作壓力170～270 kPa，緩解了上述問題，但是噴頭流量受灌溉地形高低起伏影響嚴(yán)重。20世紀(jì)70年代，研制出的流量控制噴頭和固定式壓力調(diào)節(jié)器，解決了噴頭流量受地形影響難題。20世紀(jì)70年代中期，為了降低機(jī)組運(yùn)行能耗，研制出低壓折射式噴頭，工作壓力≤200 kPa，同時(shí)，通過對(duì)噴嘴和折射盤的系列化、通用化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同作物及土壤需求。由于噴頭工作壓力降低，導(dǎo)致射程變短(如D3000系列噴頭，流量7 m3/h，最大射程7 m)，噴頭間距變密，噴灌強(qiáng)度增大，產(chǎn)生地表徑流[5-6]。針對(duì)這一問題，先后出現(xiàn)兩種解決方案：方案1，通過調(diào)整噴頭配置方式，即通過增大噴頭間距，降低噴灌強(qiáng)度，避免產(chǎn)生地表徑流；方案2，通過設(shè)計(jì)新型噴頭產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)，即通過水沖力和阻尼器使帶有溝槽的噴盤以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，擴(kuò)大噴灑面積，降低噴灌強(qiáng)度，如R3000系列噴頭，流量7 m3/h，最大射程11 m，大大降低了機(jī)組的噴灌強(qiáng)度[7-9]。

灌溉使用的噴頭分類有多種方法。

按驅(qū)動(dòng)方式：搖臂(水平、垂直)式、球驅(qū)動(dòng)式、齒輪驅(qū)動(dòng)式、葉輪式和反沖阻尼式。

按工作壓力等級(jí)：高壓噴頭(500～800 kPa)、中壓噴頭(200～500 kPa)、低壓噴頭(100～200 kPa)和微噴頭(50～150 kPa)[4]。

根據(jù)作物高度情況和噴頭射程需要，噴頭安裝有頂部倒噴式(圖1a)和下垂式(圖1b)兩種方式。

按噴灑特征：散水式(折射式、縫隙式和離心式)和旋轉(zhuǎn)式。根據(jù)目前圓形噴灌機(jī)噴頭發(fā)展和應(yīng)用特征，筆者建議當(dāng)按照噴灑特征分類時(shí)，應(yīng)新增旋轉(zhuǎn)折射式類型。

根據(jù)噴頭的噴灑特征、驅(qū)動(dòng)方式和工作壓力等參數(shù)，圓形噴灌機(jī)的噴頭類型演變過程如表1所示[4]。

表1 圓形噴灌機(jī)噴頭類型演變過程

2 噴頭研究現(xiàn)狀

綜合圓形噴灌機(jī)工作原理，并考慮其末端噴灌強(qiáng)度較大的工作特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于噴頭的研究，主要集中在幾何參數(shù)(進(jìn)水口直徑D、噴嘴直徑d、噴射仰角α)和工作參數(shù)(噴頭流量qp、噴頭工作壓力hp、噴頭射程R)，而對(duì)水力性能參數(shù)[噴灌強(qiáng)度ρ、水滴打擊強(qiáng)度(水滴直徑、水量分布圖或水量分布曲線)]的影響及噴灑漂移損失等方面研究較少。

圓形噴灌機(jī)常用噴頭為旋轉(zhuǎn)搖臂式(以下簡(jiǎn)稱搖臂式)、散水式、旋轉(zhuǎn)折射反沖阻尼式(以下簡(jiǎn)稱旋轉(zhuǎn)折射式)3大類。以下從這3類圓形噴灌機(jī)常用噴頭入手，對(duì)噴頭的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和討論。

數(shù)據(jù)來源：美國(guó)Nelson和 Senninger產(chǎn)品樣本

2.1 搖臂式噴頭

搖臂式噴頭是指繞其鉛垂軸旋轉(zhuǎn)并將水灑布在圓形或扇形面積上的裝置。它是在噴管上方的搖臂軸上，套裝一個(gè)前端設(shè)有偏流板(擋水板)和導(dǎo)流板的搖臂，壓力水從噴管的噴嘴中噴出時(shí)，經(jīng)偏流板沖擊導(dǎo)流板，使搖臂產(chǎn)生切向運(yùn)動(dòng)力繞懸臂回轉(zhuǎn)一定角度，然后在扭力彈簧的作用下返回并撞擊噴管，使噴管旋轉(zhuǎn)一定角度，如此反復(fù)進(jìn)行，噴頭即可作全圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。如在噴頭上加設(shè)限位裝置和換向機(jī)構(gòu)，使噴管在轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后換向轉(zhuǎn)動(dòng)，即可進(jìn)行扇形噴灌。

搖臂式噴頭研究方法通常為試驗(yàn)方法、流動(dòng)與結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算方法。研究?jī)?nèi)容主要集中在噴頭的噴灑特性、射程、噴嘴形成水滴、水量和水滴直徑的預(yù)測(cè)，以及影響因素等方面。

2.1.1射程

噴頭射程影響灌溉面積、噴灌效率、噴灌強(qiáng)度等，是圓形噴灌機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要指標(biāo)，直接影響系統(tǒng)中噴頭數(shù)量。從20世紀(jì)20年代開始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分析了影響噴頭射程的因素，并提出許多種噴頭射程的經(jīng)驗(yàn)公式，BEZDEK J C等[10]提出了噴頭射程與工作壓力和噴嘴直徑的關(guān)系。于浙民[11]在PY2型系列噴頭射程試驗(yàn)的基礎(chǔ)上用曲線擬合方法，得出了旋轉(zhuǎn)式噴頭射程公式。李久生等[12]用水滴運(yùn)動(dòng)方程確定水滴落地時(shí)的速度，計(jì)算了單位質(zhì)量水滴沿徑向不同位置處的動(dòng)能和總動(dòng)能。徐紅等[13]利用ZY系列噴頭測(cè)量了在不同工作壓力下水滴直徑的室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用水重加權(quán)平均法計(jì)算水滴平均直徑更符合實(shí)際；水滴直徑沿射程方向呈現(xiàn)較好的指數(shù)函數(shù)分布；在距離噴頭同一位置處，平均水滴直徑隨噴頭工作壓力的升高而減小；隨著噴頭工作壓力的升高，產(chǎn)生小水滴的頻率增大。FRISO D等[14]提出了射程與噴嘴直徑、噴嘴壓力、噴頭高度、噴頭仰角(<30度)呈同向關(guān)系，并回歸出2個(gè)公式。

同時(shí)，還有其他用于估算旋轉(zhuǎn)式噴頭射程的經(jīng)驗(yàn)公式，如卡瓦扎公式、常文海公式、馮傳達(dá)公式和加維林公式。蔡振華[5]用射程R、噴嘴直徑d和噴頭工作壓力hp回歸出折射式噴頭的射程計(jì)算公式。

另外，噴頭安裝高度越高，則射程就越大。但安裝高度受作物高度和冠層的影響。

綜合上述情況可知，噴頭射程計(jì)算公式主要來源于3種途徑：經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸和水滴運(yùn)動(dòng)方程求解。目前，在工程應(yīng)用上以試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸(經(jīng)驗(yàn)也屬于數(shù)據(jù)回歸的另一種形式)應(yīng)用較多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，噴頭數(shù)值模擬技術(shù)也成為研究熱點(diǎn)之一，對(duì)水滴運(yùn)動(dòng)方程求解研究也逐漸細(xì)致深入。

2.1.2噴嘴直徑、工作壓力對(duì)水滴直徑和水量分布的影響

噴頭噴灑水水滴直徑的大小與噴頭水量分布、噴灌效果等均有重要關(guān)系。研究表明，噴嘴直徑與水滴直徑成正比關(guān)系，水滴較大時(shí)，水流從噴盤實(shí)際射出仰角比理論值偏大，相反則偏小[15]。當(dāng)初速度相等時(shí)，大水水滴比小水水滴具有更多動(dòng)能，運(yùn)動(dòng)距離更遠(yuǎn)[16]。在工作壓力偏高和噴嘴偏小情況下，會(huì)產(chǎn)生小水水滴，使水量集中在噴頭附近，增大噴頭附近噴灌強(qiáng)度，引起地面徑流、增大系統(tǒng)運(yùn)行能耗及漂移損失。

工作壓力較高時(shí)產(chǎn)生小水水滴。在工作壓力偏低和噴嘴偏大情況下，會(huì)產(chǎn)生大水水滴，水量集中在離噴頭較遠(yuǎn)一些區(qū)域，易產(chǎn)生地面徑流。當(dāng)壓力和噴嘴直徑同時(shí)增大時(shí)，水量集中分布在噴頭附近，但平均水滴直徑偏小，噴灑半徑偏大[17-18]。

水滴的慣性與直徑是立方的函數(shù)關(guān)系，空氣阻力與水滴直徑是平方的函數(shù)(重疊面積)，小水滴比大水滴的運(yùn)動(dòng)速度慢，動(dòng)能小，在相同條件下，運(yùn)動(dòng)距離較短。所以，噴頭射程與水滴直徑成同向增減關(guān)系，但應(yīng)工作在推薦的范圍，否則會(huì)導(dǎo)致噴頭的水量分布變差。因?yàn)?，控制水流擴(kuò)散有2個(gè)因素，分別是水流自身的變化和空氣阻力(克服水表面張力)。噴射速度對(duì)于產(chǎn)生破壞水滴所必須的空氣阻力是至關(guān)重要的。旋轉(zhuǎn)較快的噴頭具有較大角速度，使得水流更好破碎。反之，水流的破碎主要是速度變化和空氣阻力來控制，旋轉(zhuǎn)較慢時(shí)，噴灑半徑較遠(yuǎn)[19]。BAUTISTA-CAPETILLO C等[20]提出水滴動(dòng)能隨噴頭距離增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，隨壓力增長(zhǎng)而下降，并用試驗(yàn)回歸了噴頭在200、300和400 kPa壓力下，水滴與在射程方上的距離之間成指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)公式。

研究人員對(duì)噴頭的研究長(zhǎng)期致力于噴嘴直徑、工作壓力對(duì)水滴直徑和水量分布的影響。工作壓力對(duì)水量分布的影響研究是工作壓力對(duì)水滴直徑研究的另外一種表現(xiàn)形式，目前仍以試驗(yàn)定性研究為主。

除了以上2個(gè)主要研究方面外，其他研究工作還包括噴頭新結(jié)構(gòu)、噴灌均勻度的可視化、內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬、搖臂碰撞過程數(shù)值模擬、流道曲面建模和噴頭內(nèi)部曲面逆向重構(gòu)等方面。朱興業(yè)等[21]和劉俊萍等[22]針對(duì)噴頭在低壓條件下工作時(shí)水力性能較差的問題，提出采用異形噴嘴(噴嘴開槽)降低水滴打擊強(qiáng)度并改善噴灑均勻性的方法。袁壽其等[23]提出基于MATLAB的噴頭水量分布數(shù)據(jù)處理方法，通過將噴頭徑向水量分布數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格型數(shù)據(jù)，再進(jìn)行插值疊加求出各網(wǎng)格點(diǎn)總降水深，求出不同組合間距系數(shù)下的噴頭組合均勻系數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果可視化。嚴(yán)海軍等[24]和韓文霆等[25]利用三維設(shè)計(jì)軟件建模，應(yīng)用Fluent中模擬內(nèi)流道流場(chǎng)，分析了噴頭主副噴嘴的流量、入口壓力與出口平均速度等參數(shù)的關(guān)系。徐琳等[26]利用三維光學(xué)掃描儀獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)云，采用弦偏差采樣法將點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)后，選擇非均勻有理B樣條模型分別按照點(diǎn)—線—面的順序?qū)娮靸?nèi)部曲面進(jìn)行重構(gòu)。還有學(xué)者針對(duì)導(dǎo)型噴嘴和方形噴灑域進(jìn)行了相關(guān)研究[27-30]。

這些研究對(duì)噴頭的設(shè)計(jì)、特性分析、選用及產(chǎn)業(yè)化等具有重要指導(dǎo)意義。

2.2 散水式噴頭(固定散水式噴頭)

散水式噴頭是指噴頭噴出的水沿徑向向外同時(shí)散開，濕潤(rùn)面積為圓形或扇形。常用折射式噴頭，其工作原理為水流由噴嘴垂直射出后遇到折射錐盤(又稱折射盤、折射板)阻擋，形成薄水層沿四周射出，在空氣阻力作用下裂散為小水滴降落到地面。

折射式噴頭研究主要集中在噴嘴流量系數(shù)折射盤表面形狀對(duì)噴灑的影響和噴嘴出口至折射盤距離長(zhǎng)短對(duì)盤表面壓力影響等方面。王新坤等[31]和朱興業(yè)等[32]提出的全射流噴頭相關(guān)理論一定程度上可支持折射盤的水力性能設(shè)計(jì)，楊雯等[33-34]和張以升[35]分析了噴頭水力結(jié)構(gòu)對(duì)噴頭水力性能的影響。

2.2.1噴嘴流量系數(shù)

噴嘴結(jié)構(gòu)包括噴嘴進(jìn)出口直徑、噴嘴長(zhǎng)度和噴嘴內(nèi)縮角。對(duì)于任何內(nèi)縮角噴嘴，流量與壓力都可以寫成指數(shù)關(guān)系。噴嘴流量系數(shù)和射程隨內(nèi)縮角增大而減小，在超過60時(shí)尤為明顯；當(dāng)內(nèi)縮角取30時(shí)，射程較大，且水量分布較為理想。流量系數(shù)對(duì)射程影響較大。在其他條件相同情況下，噴嘴流量系數(shù)越小，則射程越近。同時(shí)，隨著內(nèi)縮角增大，噴盤旋轉(zhuǎn)速度相應(yīng)下降[36]。

可以通過合理確定噴嘴幾何參數(shù)，結(jié)合流體力學(xué)知識(shí)獲得合理的流量系數(shù)[36]。金宏智[37]對(duì)ZY1和ZY2噴頭的流量系數(shù)進(jìn)行研究，并根據(jù)噴嘴出流特性推導(dǎo)出適合于ZY系列噴頭的流量系數(shù)計(jì)算公式。嚴(yán)海軍[36]推導(dǎo)出圓錐形噴嘴流量系數(shù)的計(jì)算公式，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出流量系數(shù)隨著錐角的增加而逐漸減小的結(jié)論。以上研究有利于我國(guó)圓型噴灌機(jī)噴嘴系列化的研發(fā)。

2.2.2折射盤結(jié)構(gòu)

折射盤結(jié)構(gòu)對(duì)噴頭水量分布具有重要影響。目前，折射盤有光滑、中槽和粗槽3種，并配以不同仰角，形成不同用途的噴盤。其結(jié)構(gòu)與噴灑效果如圖2所示。

圖2 折射式錐盤結(jié)構(gòu)及噴灑效果

光滑槽面產(chǎn)生的水滴小，易受風(fēng)影響，產(chǎn)生漂移損失。中槽多數(shù)是固定式噴頭，使水沿溝槽約束方向射出，較光滑面有更大的動(dòng)能，所以折射較遠(yuǎn)，抗風(fēng)能力較強(qiáng)。盤上仰角對(duì)灌水均勻性有很大影響，仰角大，則灌水均勻性好，反之，則差，同時(shí)噴頭的抗風(fēng)能力變差[38-39]。因?yàn)閲姳P不能旋轉(zhuǎn)，通常折射盤水槽具有相同的仰角，以保證各個(gè)徑向的水量分布一致性。

WU Di等[40]通過對(duì)滅火噴頭分析研究，提出從噴嘴射流沖擊折射盤后水流分成4個(gè)區(qū)，應(yīng)用自由表面邊界層和波色散理論開發(fā)出霧化模型，用于預(yù)測(cè)水滴的最初及任意時(shí)刻直徑大小和概率分布情況。但其局限性在于此理論針對(duì)的是對(duì)無槽光面折射盤。

而圓形噴灌機(jī)機(jī)組所用散水式噴頭盤表面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，目前尚無公開資料對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)說明和理論分析?？梢岳们娴哪嫦蛑貥?gòu)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品噴盤進(jìn)行三維建模和射流數(shù)值模擬。關(guān)于射流沖擊盤動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬，還未曾見相關(guān)文獻(xiàn)。

2.2.3噴嘴出口至折射盤距離對(duì)盤表面壓力的影響

水從噴嘴以射流形式?jīng)_擊到盤表面，在表面產(chǎn)生壓強(qiáng)，壓強(qiáng)大小受噴盤至噴嘴出口距離影響，存在最小值。AHMED A等[41]通過CFD對(duì)最小值進(jìn)行求解，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴嘴出口至噴盤錐頂距離為噴嘴直徑1.4倍時(shí)，所受沖擊壓力最小。因此，在保證噴頭水量分布要求條件下，研究射流沖擊噴盤時(shí)所形成的壓力分布，對(duì)于優(yōu)化噴盤結(jié)構(gòu)、選擇材料和降低生產(chǎn)制造成本具有重要意義。目前，相關(guān)研究還停留在CFD模擬階段，缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。

散水式噴頭對(duì)射程的研究主要是噴嘴流量系數(shù)，工程試驗(yàn)表明，研究?jī)?nèi)容相對(duì)成熟、可靠。國(guó)外有少量對(duì)于折射盤結(jié)構(gòu)、射程和水量分布的研究，主要對(duì)現(xiàn)有不同折射盤結(jié)構(gòu)的定性試驗(yàn)研究，流體在噴盤表面的動(dòng)力學(xué)研究尚屬空白。

2.3 旋轉(zhuǎn)折射式噴頭

旋轉(zhuǎn)折射式噴頭是在散水式噴頭工作原理基礎(chǔ)上發(fā)展形成的。它是指具有可旋轉(zhuǎn)的折射盤(又稱折射板)，水流噴灑形狀為全圓或扇形面積。噴盤分光滑和溝槽2種，溝槽又分凹狀、凸?fàn)詈推桨鍫?種，如圖3～4所示。該噴頭主要部件包括接頭、噴嘴、噴頭支架、低速旋轉(zhuǎn)噴盤(折射盤)和阻尼器，如圖5所示。水流從噴嘴噴出后，集中成一束噴射到旋轉(zhuǎn)噴盤的流道內(nèi)，水流經(jīng)過彎曲流道的折射后按一定的仰角噴出，同時(shí)噴射出的射流對(duì)低速旋轉(zhuǎn)噴盤形成一個(gè)反驅(qū)動(dòng)力矩，在阻尼器的粘滯阻力矩共同作用下，噴射出水流隨著旋轉(zhuǎn)噴盤作低速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。而撞擊在溝槽噴盤時(shí)，因溝槽數(shù)目和深度不同，水流噴灑形狀不同，如圖6所示。同時(shí)，通過對(duì)噴嘴和噴盤系列化、通用化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)各種作物及土壤需求，并采用顏色區(qū)分出適用范圍。

圖3 i-Wob噴盤表面形狀(Senninger公司)

圖4 R3000噴盤表面形狀(Nelson公司)

1.G3/4”接頭 2.噴嘴 3.噴頭支架 4.低速旋轉(zhuǎn)噴盤(折射盤) 5.噴盤帽 6.阻尼器

圖6 R3000旋轉(zhuǎn)折射式噴頭噴灑現(xiàn)場(chǎng)

旋轉(zhuǎn)折射式噴頭研究主要集中在折射盤表面結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)速度對(duì)水量分布影響。嚴(yán)海軍等[42]、高江永等[43]和趙偉霞等[44]分析了轉(zhuǎn)速和噴頭水力結(jié)構(gòu)對(duì)噴頭水力性能的影響。

2.3.1折射盤結(jié)構(gòu)

相對(duì)于散水式噴頭，旋轉(zhuǎn)折射式噴頭可能具有不同的流道(出水槽)截面形狀，基本結(jié)構(gòu)如圖7a所示，并且各個(gè)流道具有不同仰角(如圖7b和圖7c所示)，以滿足噴頭的不同水量分布要求或特殊功能需求。

以圖7折射盤為例，折射盤圍繞中心部共分布8個(gè)流道(含4種不同類型流道，每種2個(gè))。盤的上表面整體呈圓錐形，使流道獲得盡量大的垂直方向分量。不同類型流道的曲面形狀不完全相同，并承擔(dān)不同的功能。水流從一個(gè)固定的噴嘴流出后撞擊散水盤的中心部，8個(gè)流道將水流分成8股支流。范圍流道的主要功能是增加水的通過性能，并獲得理想的性能參數(shù)及水量分布特性。驅(qū)動(dòng)流道的曲面保證從中心垂直下落的水流驅(qū)動(dòng)折射盤按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；U型流道用于集中水流，形成較大的動(dòng)量，排開作物冠層的遮擋。制動(dòng)流道用于降低盤的旋轉(zhuǎn)速度，并抵消部分驅(qū)動(dòng)流道產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，保證折射盤在一定水量沖擊范圍內(nèi)，其旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)穩(wěn)定。

1.散水盤的中心部 2.范圍流道 3.驅(qū)動(dòng)流道 4.U型流道 5.制動(dòng)流道

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)拋物線運(yùn)動(dòng)方程和破碎與霧化模型可知，噴頭水量分布與從噴盤流道末端射流的初始速度密切相關(guān)[45-47]?？梢酝ㄟ^設(shè)定各個(gè)流道的預(yù)期速度，然后利用水泵葉片設(shè)計(jì)原理來設(shè)計(jì)各個(gè)流道，實(shí)現(xiàn)預(yù)期速度分布方法。

2.3.2折射盤旋轉(zhuǎn)速度對(duì)水量分布的影響

劉中善等[48]試驗(yàn)結(jié)果表明，折射盤轉(zhuǎn)速對(duì)水量分布有較大影響。當(dāng)折射盤超過一定臨界轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度會(huì)破壞正常射流，射程變短。穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)水量分布也有很大的影響，低轉(zhuǎn)速噴頭水量分布更趨近于三角形[49]。R3000噴頭采用阻尼脂產(chǎn)生阻尼力矩來平衡水射流對(duì)折射盤的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保證噴頭在10 r/min范圍內(nèi)運(yùn)行[50]。

有學(xué)者對(duì)R3000(試驗(yàn)轉(zhuǎn)速10 r/min)和i-Wob(試驗(yàn)轉(zhuǎn)速100～600 r/min)的射程和水滴大小進(jìn)行試驗(yàn)[51-52]。結(jié)果表明，水滴直徑與射程的平均動(dòng)能和噴嘴壓力的平方具有相關(guān)性，噴盤旋轉(zhuǎn)快慢對(duì)平均動(dòng)能的影響較小?？焖傩D(zhuǎn)噴頭的局部噴灌強(qiáng)度較小，約20 mm/h，且連續(xù)性強(qiáng)，與自然降雨強(qiáng)度相類似；而慢速旋轉(zhuǎn)噴頭的雨量空間分布不連續(xù)，局部噴灌強(qiáng)度較大，約200 mm/h，且有間斷。因此，可以根據(jù)折射盤旋轉(zhuǎn)速度要求，來進(jìn)行阻尼器的設(shè)計(jì)。

旋轉(zhuǎn)折射式噴頭與散水式噴頭的水力性能有較大區(qū)別，可以借助于旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械相關(guān)理論進(jìn)行分析。葉片制作可以參考水泵葉片設(shè)計(jì)方法。通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，建立一套旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的設(shè)計(jì)方法。

2.4 噴頭試驗(yàn)

噴頭特性的研究主要以試驗(yàn)為主。噴頭試驗(yàn)可以分為單噴頭試驗(yàn)和機(jī)組試驗(yàn)。目前，圓形噴灌機(jī)及噴頭試驗(yàn)主要依據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)：JB/T 6280—2013《圓形(中心支軸式)和平移式噴灌機(jī)》、GB/T 19797—2012《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備 中心支軸式和平移式噴灌機(jī) 水量分布均勻度的測(cè)定》、GB/T 18687—2012《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備 非旋轉(zhuǎn)式噴頭技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》、JB/T 7867—2012《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備 旋轉(zhuǎn)式噴頭》、GB/T 22999—2008《旋轉(zhuǎn)式噴頭》。

在單噴頭試驗(yàn)時(shí)，主要是對(duì)噴頭的水量分布曲線的測(cè)定，對(duì)機(jī)組主要是對(duì)水量分布均勻度測(cè)定。

目前，國(guó)內(nèi)噴頭水量分布曲線通常采用雨量筒按照標(biāo)準(zhǔn)所要求的排列形式來收集各個(gè)位置的水量，并進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方式包括量杯式、翻斗式雨量筒式和電子稱式雨量筒式。其中，采用翻斗式雨量筒式和電子稱式易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集測(cè)試系統(tǒng)。

2.5 其他方面

圓形噴灌機(jī)除了用于噴水灌溉外，還可以同時(shí)施肥，實(shí)現(xiàn)水肥一體化，具有省肥節(jié)水、省工省力、降低濕度、減輕病害和增產(chǎn)高效等優(yōu)點(diǎn)。另外，圓形噴灌機(jī)還可以用于污水灌溉和植保噴藥。根據(jù)水質(zhì)和機(jī)組用途不同，對(duì)噴頭的水力性能也有所不同。受圓形噴灌機(jī)工作原理限制，其配套噴頭流量由中心支軸處向末端按一定規(guī)律遞增，才能滿足灌溉或植保作業(yè)要求。

對(duì)于用于水肥一體化噴頭，流量范圍為0.1～20.0 m3/h。根據(jù)作物各個(gè)生長(zhǎng)期對(duì)灌水量不同，基于系統(tǒng)流量，通過調(diào)整機(jī)組的行走速度來提高灌溉效率和肥料的利用率。對(duì)于噴灑糞液進(jìn)行施肥的噴頭，需要加大噴頭流道，以增強(qiáng)噴頭的污物通過能力。植保噴藥時(shí)，要求噴頭具有較好的霧化指標(biāo)。現(xiàn)有植保機(jī)械噴頭多為一條支管上均布若干參數(shù)相同的噴頭，通過行走機(jī)械背負(fù)載藥箱沿直線行進(jìn)作業(yè)。與灌溉作業(yè)噴頭相比，噴頭流量較小，流道較窄，噴頭規(guī)格數(shù)量較少，且沒有形成系列化，因此還不能與現(xiàn)有圓形噴灌機(jī)作業(yè)模式相配套，有待進(jìn)一步深入研究。

3 噴頭配置方式現(xiàn)狀

3.1 圓形噴灌機(jī)噴頭配置特殊性

由于圓形噴灌機(jī)噴頭沿中心支軸向末端，所控制面積呈線性關(guān)系增加，要求噴頭流量依次增加，并且水量分布合理。因此，需要對(duì)噴頭配置進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，使機(jī)組具有合適的噴灌強(qiáng)度、較高的噴灑均勻度、合理的地面打擊強(qiáng)度。同時(shí)，特別注意避免機(jī)組末端產(chǎn)生地面徑流[53-55]。

在相同噴嘴直徑和噴頭間距條件下，通常折射旋轉(zhuǎn)式噴頭的組合均勻性要優(yōu)于散水式噴頭。試驗(yàn)證明，旋轉(zhuǎn)折射式噴頭R3000較折射式噴頭D3000噴灑均勻系數(shù)能高出5%左右。另外，選擇一些新型噴頭也可提高噴灌均勻性，如R2000WF，在相同工作壓力、組合形式及間距條件下，與傳統(tǒng)搖臂式噴頭相比，噴頭具有更高的噴灌均勻性，更適合于低壓條件下工作[56]。

機(jī)組末端噴灌強(qiáng)度大于土壤入滲率時(shí)易產(chǎn)生地面徑流。因此，需要結(jié)合各種具體土壤和植被條件確定相應(yīng)噴頭允許噴灌強(qiáng)度。

所謂允許噴灌強(qiáng)度是指小于等于在一定噴水量所需噴灑歷時(shí)末土壤入滲速度的噴灌強(qiáng)度。當(dāng)用允許噴灌強(qiáng)度噴灌時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)基本上不遭到破壞，噴灑的水量能近乎全部滲入土中，土壤表面不產(chǎn)生水洼或徑流。一般理論認(rèn)為，噴灌設(shè)計(jì)時(shí)，其噴灌強(qiáng)度應(yīng)小于土壤的最大入滲速率，以避免造成土壤結(jié)構(gòu)破壞和地表積水或徑流。不同土壤的入滲速率不同，所以在選用噴頭之前先要根據(jù)圓形噴灌機(jī)的使用環(huán)境做土壤類型的鑒定。根據(jù)土壤的入滲速率曲線來選擇噴頭類型[15]。為了比較噴灌強(qiáng)度和土壤入滲速率的差距，將入滲速率曲線和噴灌強(qiáng)度曲線(陰影等腰三角形的兩條邊)放在同一個(gè)坐標(biāo)內(nèi)，如圖8所示。

圖8 砂土入滲率與噴頭噴灌強(qiáng)度對(duì)比

圖8中陰影三角形所包圍的面積表示單次灌水量。噴灌強(qiáng)度曲線(陰影三角形等腰邊)高于土壤入滲速率曲線表示可能產(chǎn)生徑流。要保證機(jī)組的噴灌強(qiáng)度曲線，基本在所要灌溉土壤的入滲曲線以下或附近，才能保證灌溉過程不發(fā)生徑流，引起土壤的板結(jié)。需要根據(jù)各種土壤和作物的需求來開發(fā)多種噴灌強(qiáng)度的噴頭以滿足需要。

需要合理布置機(jī)組主輸水管路上的噴頭間距，并在滿足噴灌強(qiáng)度、噴灑均勻度前提下，選擇較經(jīng)濟(jì)的噴頭。

3.2 圓形噴灌機(jī)常用3種噴頭配置方式

機(jī)組主輸水管路配置噴頭主要有3種方式，如圖9所示[5]。

圖9 機(jī)組主輸水管路噴頭配置方法

(1)等間距、不等流量配置。

主輸水管路噴頭配置間距相等，間距視具體噴頭而定。第N個(gè)噴頭所控制灌溉面積與第N+1個(gè)噴頭所控制灌溉面積之比為N∶(N+1)。那么從出水量上來講，第N個(gè)噴頭是第1個(gè)噴頭的N倍。相應(yīng)的噴嘴直徑需要N種規(guī)格。但考慮到實(shí)際加工能力和使用過程堵塞的影響，往往對(duì)最小噴嘴直徑有下限。另外，從水力性能講，噴嘴規(guī)格越多，機(jī)組的噴嘴均勻系數(shù)越高，從生產(chǎn)使用實(shí)踐講，噴嘴規(guī)格越少越有利于組織管理。因此，需要綜合考慮，如美國(guó)Nelson公司提出36種噴嘴直徑規(guī)格。

選型配置時(shí)，應(yīng)根據(jù)相關(guān)噴頭配置數(shù)學(xué)模型計(jì)算出噴嘴理論直徑，從現(xiàn)有噴嘴直徑的數(shù)據(jù)庫中選取，是目前使用最普遍的方法[42-43]。

(2)不等間距、等流量配置。

主輸水管路配置完全相同的噴頭。越靠近中心支軸，噴頭間距越大；沿主輸水管路越往外側(cè)，噴頭間距逐漸縮小。任意噴頭的間距和該噴頭至中心支軸的距離成反比，即該噴頭間距與該噴頭至中心支軸距離的乘積是常數(shù)。

這種配置方法最大的優(yōu)點(diǎn)是噴頭規(guī)格少，安裝方便，但噴頭間距不等，造成噴頭座加工非常困難，不利于輸水管的通用性和互換性，對(duì)機(jī)組長(zhǎng)度和流量變化的適應(yīng)性也較差。

(3)分段等間距、不等流量配置。

將主輸水管路分成3～4段，每段內(nèi)的噴頭等間距配置，噴頭的流量配置不同。每段內(nèi)的噴頭配置近似于第1種方法?？拷行闹лS處的噴頭間距越大。

目前，機(jī)組最常用配置方法是第1種。在此基礎(chǔ)上，可以將折射式噴頭D3000和旋轉(zhuǎn)式噴頭R3000混合分段使用，如靠近中心支軸部分使用D3000，靠近末端部分使用R3000，通過利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化調(diào)整，使機(jī)組滿足噴灑均勻性和噴灌強(qiáng)度條件下，盡量使用價(jià)格便宜的D3000，以降低機(jī)組的成本。

如圖10所示，當(dāng)按圖10a的形式進(jìn)行噴頭布置，當(dāng)機(jī)組系統(tǒng)長(zhǎng)度>415 m時(shí)，很可能在噴頭3和4處出現(xiàn)噴灌強(qiáng)度仍然大于土壤入滲率，因此造成地面徑流。當(dāng)圖10a噴頭3和4改進(jìn)為圖10b中布置，在輸水管兩側(cè)垂直方向各增加2個(gè)流量相對(duì)小的噴頭，即噴頭5、6和7、8，可以有效克服地面徑流問題。

圖10 末端噴頭降低噴灌強(qiáng)度的布置方式

3.3 噴頭配置模型及軟件

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于噴頭配置主要采用面積法原理，以保證灌水均勻度為約束條件，進(jìn)行噴頭配置，通過控制機(jī)組運(yùn)行速度來控制灌水深度。國(guó)外各公司開發(fā)了基于自身噴頭產(chǎn)品的噴頭配置軟件，如Nelson的CPNozzle軟件。

儀修堂等[57]提出了圓形噴灌機(jī)在噴頭等間距布置時(shí)的配置數(shù)學(xué)模型及相關(guān)軟件，軟件通過設(shè)定末端噴頭流量和工作壓力條件下，通過計(jì)算各段水力損失優(yōu)化出一組有序噴頭排列組合。但水力損失計(jì)算中未考慮噴頭下垂管部分，在一定程度上降低了配置精度。

嚴(yán)海軍等[58-59]提出了增加噴頭下垂部分水力損失計(jì)算的噴頭配置模型，開發(fā)出基于D3000單噴頭水量分布曲線的噴頭配置軟件，軟件還增加了機(jī)組水力性能預(yù)測(cè)功能。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值具有相同的趨勢(shì)。

建立和完善各類噴頭在各種工作條件的單噴頭水量分布曲線數(shù)據(jù)庫，才能精確配置噴頭和預(yù)測(cè)機(jī)組性能。

4 結(jié)論

隨著土地流轉(zhuǎn)進(jìn)程的加快，大型農(nóng)場(chǎng)所占比例不斷攀升。整機(jī)長(zhǎng)度超過400 m的圓形噴灌機(jī)所占比例逐漸增加，圓形噴灌機(jī)噴頭選型及配置方式越來越受到學(xué)者和農(nóng)牧民用戶的重視與關(guān)注，對(duì)此進(jìn)行了綜述分析，并得到以下結(jié)論。

(1)總結(jié)了圓形噴灌機(jī)噴頭類型演化發(fā)展的主要過程與發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)組噴頭從20世紀(jì)60年代的中壓搖臂式噴頭發(fā)展為低壓折射式，并朝著低壓反沖阻尼旋轉(zhuǎn)式噴頭發(fā)展。噴頭工作壓力整體呈下降趨勢(shì)，并且還會(huì)進(jìn)一步下降。另外，開發(fā)適合特定場(chǎng)合、具有特殊性能的噴頭是其發(fā)展的另一趨勢(shì)。

(2)旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的需求量逐年增加，但國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究報(bào)道很少，亟待展開該類噴頭的研究和國(guó)產(chǎn)化，以滿足日益增長(zhǎng)的規(guī)?；r(nóng)業(yè)對(duì)噴灌機(jī)的市場(chǎng)需求。研究方向應(yīng)從噴頭工作參數(shù)(工作壓力、噴嘴直徑)、折射盤結(jié)構(gòu)、錐盤旋轉(zhuǎn)速度等方面開展噴灑水滴產(chǎn)生的水動(dòng)力學(xué)特征入手，構(gòu)建完善的水力設(shè)計(jì)方法，保證噴灑特性。對(duì)圓形噴灌機(jī)配套植保噴藥噴頭的研究尚屬空白，有待深入研究，具有廣泛的市場(chǎng)前景。

(3)噴頭配置方式對(duì)于機(jī)組整體水力性能具有重要影響，在進(jìn)行機(jī)組選擇和設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)各種噴頭的混合使用和擴(kuò)大末端噴頭間距方面進(jìn)行更深入細(xì)致的研究。完善現(xiàn)有噴頭的單噴頭水量分布曲線數(shù)據(jù)庫建立，為合理配置噴頭提供必要條件。