異形噴嘴噴頭水滴分布特性試驗(yàn)研究

劉佳玲，萬(wàn)吉祥，李浩，蔣躍

?灌溉技術(shù)與裝備?

異形噴嘴噴頭水滴分布特性試驗(yàn)研究

劉佳玲1,2，萬(wàn)吉祥3，李浩1*，蔣躍2

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.宿遷市水利局，江蘇 宿遷 223999）

研究異形噴嘴水滴直徑、速度及動(dòng)能的分布規(guī)律。采用視頻雨滴譜儀對(duì)PY15搖臂式噴頭在100、150、200、250、300 kPa共5個(gè)工作壓力下進(jìn)行室內(nèi)無(wú)風(fēng)水滴分布試驗(yàn)。等流量噴嘴的射程：圓形＞菱形＞橢圓；異形噴嘴的形狀系數(shù)隨出口直徑增加而減小，隨長(zhǎng)徑比增加而增大；菱形噴嘴水滴直徑沿徑向增大的趨勢(shì)最大。形狀系數(shù)越大，相同工作壓力下的末端水滴直徑越小。出口直徑越大，射程越遠(yuǎn)，水滴速度隨直徑增加的幅度越大。長(zhǎng)徑比越大，射程越近，水滴平均直徑和速度越大。隨水滴直徑增大，橢圓形噴嘴的水滴速度增幅最小。相同位置處的單位體積水滴打擊動(dòng)能及增長(zhǎng)幅度隨壓力增大而減小。水滴直徑和水滴動(dòng)能沿徑向分別呈指數(shù)函數(shù)和線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系，水滴速度與直徑呈對(duì)數(shù)分布，3個(gè)水滴分布預(yù)測(cè)模型擬合系數(shù)都在0.9以上，可以用來(lái)模擬異形噴嘴噴頭的形狀系數(shù)、出口直徑、長(zhǎng)徑比與水滴分布特性的關(guān)系。

搖臂式噴頭；異形噴嘴；視頻雨滴譜儀；水滴直徑分布；水滴動(dòng)能分布

0 引言

【研究意義】噴灌是農(nóng)業(yè)節(jié)水中一種有效的灌溉方式，噴灌系統(tǒng)一般由水源工程、水泵及動(dòng)力設(shè)備、輸水管道系統(tǒng)和噴頭等部分組成，其中噴頭是實(shí)施噴灌的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣不僅直接影響噴灑質(zhì)量，而且關(guān)系到整個(gè)噴灌系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[1-3]。

【研究進(jìn)展】噴頭水力性能主要包括射程、流量、工作壓力、噴灌強(qiáng)度、噴灌均勻度、水滴打擊強(qiáng)度等。其中，噴灌強(qiáng)度、噴灌均勻度和水滴打擊強(qiáng)度都與噴頭噴灑水滴分布特性相關(guān)。因此，噴頭噴灑水滴直徑、水滴速度及水滴打擊動(dòng)能是評(píng)價(jià)噴灌系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)，對(duì)噴灌的水力性能有著重要的影響[4-6]。

常規(guī)噴嘴噴頭的形狀為圓形，異形噴嘴作為一種非圓形新型噴嘴，具有改善噴頭水量分布、噴灑均勻 性、低壓下水力性能比圓形噴嘴更好等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)噴灌領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于各種形狀噴嘴的噴頭噴灑水滴分布特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。徐紅等[7]、SáNCHEZ等[8]研究了水滴直徑分布，得到了噴灑區(qū)域的水滴直徑正態(tài)分布模型、平方根正態(tài)分布模型、對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型、上限對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型（簡(jiǎn)稱(chēng)ULLN）等。鞏興暉等[9]采用視頻雨滴譜儀對(duì)NelsonD3000噴頭在不同壓力下水滴直徑沿射程分布進(jìn)行研究，分析了水滴直徑沿射程的變化趨勢(shì)及水滴速度、角度與水滴直徑間的關(guān)系，結(jié)果表明，水滴直徑與射程符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，水滴速度與水滴直徑呈對(duì)數(shù)關(guān)系。Lorenzini[10]研究了噴灌噴灑過(guò)程中不同工作壓力下水滴速度及蒸發(fā)的規(guī)律，結(jié)果表明，空氣溫度對(duì)液滴蒸發(fā)有顯著影響，在計(jì)算液滴蒸發(fā)時(shí)，空氣摩擦可能被錯(cuò)誤地忽略。Ouazaa等[11]利用彈道模型研究分析了水滴速度及水滴動(dòng)能，結(jié)果表明，在138 kPa和69 kPa的工作壓力下，動(dòng)能損失隨噴嘴直徑的增加而減小。朱興業(yè)等[12]通過(guò)試驗(yàn)研究了全射流噴頭的單個(gè)水滴動(dòng)能、單位體積水滴動(dòng)能、動(dòng)能強(qiáng)度分布規(guī)律及動(dòng)能強(qiáng)度均勻性系數(shù)與組合間距之間的關(guān)系，結(jié)果表明，全射流噴頭的單個(gè)水滴動(dòng)能分布與水滴直徑之間呈冪函數(shù)關(guān)系，單位體積水滴動(dòng)能沿徑向呈一次函數(shù)關(guān)系增大。上述研究均針對(duì)圓形噴嘴噴頭。陳超等[13]研究了菱形、半圓+三角形、半圓+矩形、星形4種形狀的異形噴嘴的形狀系數(shù)對(duì)水滴直徑的影響，得到了末端水滴直徑隨形狀系數(shù)的增大而減小的結(jié)論。李棟等[14]討論了異形噴嘴形狀及壓力改變對(duì)低壓射流形態(tài)變化的影響，通過(guò)試驗(yàn)分析了噴嘴出口形狀、壓力及入口角改變對(duì)射流形態(tài)變化的影響。周小引等[15]采用面積相同原則設(shè)計(jì)了多種異形噴嘴，通過(guò)試驗(yàn)討論了異形噴嘴的噴灌均勻性，發(fā)現(xiàn)異形噴嘴的組合均勻性系數(shù)顯著高于圓形噴嘴的。Jiang等[16]采用高速攝影（HSP）技術(shù)研究了異形噴嘴的破碎過(guò)程和流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)三角形射流具有最短的破裂長(zhǎng)度和相同壓力下射流的擴(kuò)散角。由于異形噴嘴產(chǎn)生不同的射流形態(tài)，異形噴嘴噴頭在低壓下水力性能得到改善。與圓形噴嘴相比，異形噴嘴的射程降低了，但在低壓下的噴灌均勻性更高、水滴分布更均勻。

【切入點(diǎn)】綜上可知，異形噴嘴由于其特殊幾何結(jié)構(gòu)，具有多變的射流形狀，能夠降低噴頭工作壓力，改善噴頭的水力性能。對(duì)不同噴頭工作壓力下異形噴嘴水滴分布特性的量化研究將有利于促進(jìn)異形噴嘴的合理應(yīng)用?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以異形噴嘴為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)3種不同形狀的噴嘴，采用視頻雨滴譜儀測(cè)試不同工況下不同形狀噴嘴的水滴直徑分布、水滴速度分布及水滴動(dòng)能分布規(guī)律，探究噴頭水力性能對(duì)水滴分布特性的影響規(guī)律，為進(jìn)一步提升噴灑性能，選取適宜的異形噴嘴工作壓力參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 異形噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

異形噴嘴出口截面的尺寸設(shè)計(jì)可以根據(jù)以下2種方法確定：①面積相同原則，即噴嘴出口截面面積相同。以圓形噴嘴的出口截面面積為標(biāo)準(zhǔn)，確保異形噴嘴的出口截面積和圓形噴嘴的出口截面積相等。②流量相同原則，即流過(guò)噴嘴的流量相同。以圓形噴嘴的出口面積為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)公式P3 600(g)1/2換算確定對(duì)應(yīng)的異形噴嘴的面積，保證在同一工作壓力下異形噴嘴的流量和圓形噴嘴一致。

以常見(jiàn)的圓形噴嘴為對(duì)照，采用流量相同原則，設(shè)計(jì)了橢圓和菱形2種形狀的等流量異形噴嘴。圓形噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，0為圓形噴嘴的出口直徑，分別取4、5 mm和6 mm；為噴嘴進(jìn)口錐角，選取45°；其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。本文試驗(yàn)研究的9個(gè)噴嘴的出口形狀和尺寸如表1所示。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

采用線(xiàn)切割加工法加工出的各噴嘴材質(zhì)為鋁?？紤]到誤差，在加工完成后進(jìn)行流量誤差試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相同進(jìn)口錐角和出口直徑的異形噴嘴在等壓下的流量誤差均小于4%（表2），故認(rèn)為符合流量相同原則。

表1 異形噴嘴幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 噴嘴實(shí)物

表2 不同壓力下等流量噴嘴流量誤差

1.2 試驗(yàn)方法

PY15搖臂式噴頭水量分布及水滴動(dòng)能分布試驗(yàn)在直徑為44 m的室內(nèi)無(wú)風(fēng)噴灌實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行。噴頭安裝高度為1.4 m，工作壓力分別設(shè)置為100、150、200、250 kPa和300 kPa。由于噴灌大廳內(nèi)無(wú)風(fēng)，因此可以用一條射線(xiàn)上的數(shù)據(jù)代替圓周內(nèi)的各條射線(xiàn)。將視頻雨滴譜儀（由歐洲太空局與歐洲空間技術(shù)中心（European Space Agency/European Space and Technology Centre）等機(jī)構(gòu)研制，購(gòu)買(mǎi)廠家為易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司）在噴頭穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)10 min后以2 m間距移動(dòng)，依次測(cè)得各點(diǎn)上的水滴直徑和水滴速度，雨滴譜儀在每點(diǎn)處的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為噴頭旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)雨滴譜儀3次。試驗(yàn)系統(tǒng)布置和現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)布置示意

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 形狀系數(shù)

水滴直徑隨著距噴頭距離的增大而增大，在射程末端達(dá)到最大值[7]。因此，末端水滴直徑可作為衡量噴頭霧化狀況的重要依據(jù)。

噴嘴形狀對(duì)水滴直徑的影響一般采用形狀系數(shù)來(lái)表示，噴嘴形狀越偏離圓形，形狀系數(shù)越大，噴嘴形狀對(duì)水滴直徑影響越大。的關(guān)系式為：

式中：為噴嘴過(guò)水?dāng)嗝嬷荛L(zhǎng)（mm）；為噴嘴過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（mm2）。

1.3.2 水重加權(quán)水滴平均直徑

國(guó)內(nèi)外常用的計(jì)算水滴直徑的方法有個(gè)數(shù)加權(quán)法、水重加權(quán)平均法和中數(shù)直徑法[18]。本文計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)處的水滴平均直徑采用水重加權(quán)平均法。采用Origin進(jìn)行Exp2PMod1指數(shù)擬合，方程式為：

d=ae， （2）

式中：、為擬合系數(shù)；為水滴直徑；為距噴頭初始位置距離。

1.3.3 水滴直徑與速度分布規(guī)律

噴灑水滴速度是決定水滴打擊動(dòng)能重要因素，通過(guò)視頻雨滴譜儀測(cè)出不同噴嘴不同直徑水滴的速度。

水滴直徑與速度間存在對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為：

ln()[18]， （3）

其中：、、為擬合系數(shù)；為水滴速度；為水滴直徑。

1.3.4 單位體積水滴打擊動(dòng)能[15]

單位體積水滴動(dòng)能是指在不同測(cè)點(diǎn)處的單個(gè)水滴動(dòng)能總和與總體積的比值，關(guān)系式為：

式中：ks為單位體積水滴動(dòng)能（J/L）；為水滴直徑級(jí)名；為粒子直徑級(jí)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 形狀系數(shù)與末端水滴直徑

表3為PY15型噴頭異形噴嘴不同壓力下的射程。由表3可知，對(duì)于等流量噴嘴C2、D2、E1、E2、E3，圓形噴嘴的射程＞菱形噴嘴的射程＞橢圓形噴嘴的射程。出口直徑越大，射程越遠(yuǎn)；長(zhǎng)徑比越大，射程越近。

表3 PY15型噴頭異形噴嘴不同壓力下的射程

表4為低壓100、150 kPa和標(biāo)準(zhǔn)壓力200 kPa下的末端水滴直徑。形狀系數(shù)隨出口直徑的增加而減小，隨長(zhǎng)徑比的增加而增大。工作壓力越大，末端水滴直徑越小。形狀系數(shù)越大，相同工作壓力下的末端水滴直徑越小。對(duì)于等流量噴嘴C2、D2、E1、E2、E3，在低壓100、150 kPa下不同長(zhǎng)徑比橢圓形噴嘴的末端水滴直徑均最小，圓形噴嘴末端水滴直徑最大；隨著壓力增加到200 kPa，菱形噴嘴的末端水滴直徑最大，圓形噴嘴的末端水滴直徑隨壓力增加下降速度最快。由表3、表4可知，低壓下的等流量噴嘴中，橢圓形噴嘴的射程和末端水滴直徑都最小；圓形噴嘴的射程最遠(yuǎn)，末端水滴直徑在低壓100 kPa和150 kPa下最大，200 kPa時(shí)最??；菱形噴嘴射程適中，末端水滴直徑在200 kPa最大。

表4 異形噴嘴的形狀系數(shù)及末端水滴直徑

2.2 水滴直徑分布

2.2.1 不同壓力下水滴直徑徑向分布

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可以發(fā)現(xiàn)，各工作壓力下各形狀噴嘴的擬合相關(guān)系數(shù)2都大于0.9，表明該指數(shù)函數(shù)的擬合精度都較高。

圖5為不同工作壓力水滴平均直徑與距離關(guān)系曲線(xiàn)。從圖5可以看出，對(duì)于同一形狀噴嘴，壓力越大，指數(shù)函數(shù)的曲線(xiàn)斜率越小，在相同測(cè)點(diǎn)處的水滴平均直徑越小，這說(shuō)明壓力增大使得水滴直徑沿距噴頭初始位置距離增大的趨勢(shì)減小，射流破碎程度越劇烈。其中圓形噴嘴C2曲線(xiàn)斜率減小的幅度最大。此外，相同壓力下，3種形狀噴嘴中，菱形噴嘴的曲線(xiàn)斜率最大，圓形最小，這說(shuō)明菱形噴嘴水滴直徑沿距噴頭初始位置距離增大的趨勢(shì)最大。

此外，水滴直徑3 mm時(shí)，圓形噴嘴C2在100、150、200 kPa下的距噴頭初始位置距離分別為7.9、11、12.4 m；菱形噴嘴D2在100、150、200、250 kPa下的距噴頭初始位置距離分別為7.6、10、11.7、12.5 m；橢圓形噴嘴E1在100、150、200、250 kPa下的距噴頭初始位置距離分別為8.5、9.5、10.7、12.3 m。300 kPa下菱形和橢圓形噴嘴的水滴直徑均小于3 mm。由于直徑較小的水滴易產(chǎn)生漂移現(xiàn)象和蒸發(fā)損失，直徑較大的水滴對(duì)土壤表面結(jié)構(gòu)的破壞性也較大，不利于水土保持及作物生長(zhǎng)，因此適宜噴灑水滴直徑范圍在1～3 mm范圍內(nèi)，由此可知除100 kPa下橢圓形噴嘴E1的適宜噴灑范圍最大，其余工作壓力下圓形噴嘴C2的適宜噴灑范圍最大。當(dāng)距離大于8 m后，壓力對(duì)水滴直徑有明顯的影響。

2.2.2 不同長(zhǎng)徑比水滴直徑徑向分布

對(duì)于同一長(zhǎng)徑比的噴嘴，水滴直徑指數(shù)函數(shù)的斜率隨著壓力的增加而減小，也就是壓力增大使得水滴直徑沿徑向增大的趨勢(shì)減小。在相同壓力下，同一形狀、進(jìn)口錐角和出口直徑的不同長(zhǎng)徑比的等流量橢圓形噴嘴，距噴頭初始位置6 m內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)處的水滴直徑幾乎一致。水滴平均直徑沿徑向的關(guān)系總體滿(mǎn)足 E3＞E2＞E1的規(guī)律，即長(zhǎng)徑比越大，水滴平均直徑越大。長(zhǎng)徑比最大的噴嘴E3射程最短且水滴直徑總體最大。長(zhǎng)徑比最小的噴嘴E1沿徑向的水滴直徑最小，射程也相對(duì)較遠(yuǎn)。因此，在噴頭噴灑中可選取長(zhǎng)徑比較小的噴嘴。

2.2.3 不同出口直徑噴嘴水滴直徑徑向分布

菱形噴嘴D1、D2、D3進(jìn)口錐角均為45°，出口直徑分別為4、5、6 mm。水滴平均直徑及曲線(xiàn)斜率總體上滿(mǎn)足D3>D1>D2的關(guān)系，即出口直徑6 mm>4 mm>5 mm。出口直徑最大的噴嘴D3平均水滴直徑最大，出口直徑5 mm的噴嘴D2平均水滴直徑最小，隨著壓力增加，曲線(xiàn)斜率降低，也就是水滴直徑沿縱向增長(zhǎng)的幅度下降，且出口直徑5 mm的噴嘴D2下降幅度最大。因此，在噴頭噴灑中可選取出口直徑為5 mm的噴嘴。

2.3 水滴速度分布

2.3.1 不同形狀噴嘴水滴速度分布

圖8為不同形狀噴嘴水滴平均直徑與速度關(guān)系曲線(xiàn)。由圖8可知，相同進(jìn)口錐角和出口直徑的噴嘴，圓形噴嘴速度曲線(xiàn)斜率最大，橢圓形噴嘴斜率最小，也就是隨水滴直徑的增大，橢圓形噴嘴的水滴速度增長(zhǎng)幅度最小。水滴速度隨水滴直徑的增大而增大，增大的幅度逐漸變小，說(shuō)明水滴直徑是影響水滴速度的重要因素。總的看來(lái)，擬合出的3條等流量異形噴嘴的水滴速度與水滴直徑的曲線(xiàn)幾乎完全一致，說(shuō)明在流量、進(jìn)口錐角和出口直徑都相同的前提下，噴嘴出口形狀對(duì)水滴平均直徑與速度的關(guān)系影響不大。

圖8 不同形狀噴嘴水滴平均直徑與速度關(guān)系曲線(xiàn)

2.3.2 不同長(zhǎng)徑比水滴速度分布

不同長(zhǎng)徑比的橢圓形噴嘴的水滴直徑與速度的關(guān)系見(jiàn)圖9所示。由圖9可知，相同進(jìn)口錐角、出口直徑，不同長(zhǎng)徑比的橢圓形噴嘴，速度曲線(xiàn)斜率E3>E2>E1，也就是速度曲線(xiàn)的斜率隨著長(zhǎng)徑比的增大而增大，長(zhǎng)徑比增大使得水滴速度隨水滴直徑增大的幅度也增大了。相同水滴直徑處，噴嘴E2的水滴速度始終最大；在水滴直徑小于2.5 mm的范圍內(nèi)，橢圓形噴嘴水滴速度滿(mǎn)足E1>E3；水滴直徑大于2.5 mm的范圍內(nèi)，水滴速度表現(xiàn)為E3>E1。這說(shuō)明在最大和最小長(zhǎng)徑比之間，存在一個(gè)中間長(zhǎng)徑比，在該長(zhǎng)徑比下，相同水滴直徑時(shí)的水滴速度最大，水滴打擊動(dòng)能因此也最大。

2.3.3 不同出口直徑水滴速度分布

不同出口直徑的菱形噴嘴的水滴直徑與速度的關(guān)系見(jiàn)圖10。由圖10可知，同一形狀及進(jìn)口錐角的噴嘴，速度曲線(xiàn)斜率表現(xiàn)為D3>D2>D1，也就是曲線(xiàn)斜率隨出口直徑的增加而增大，出口直徑越大，水滴速度隨水滴直徑增大而增大的幅度越大。在水滴直徑小于5 mm的范圍內(nèi)，表現(xiàn)為D1>D2>D3，說(shuō)明水滴直徑相同時(shí)，出口直徑越大，水滴速度越小。

圖9 不同長(zhǎng)徑比水滴平均直徑與速度關(guān)系曲線(xiàn)

圖10 不同出口直徑水滴速度與距離關(guān)系曲線(xiàn)

2.4 單位體積水滴打擊動(dòng)能分布規(guī)律

圖11為不同壓力下單位水滴動(dòng)能的徑向分布圖。壓力越大，相同位置處的單位體積水滴打擊動(dòng)能越小，打擊動(dòng)能的增長(zhǎng)幅度越小，對(duì)作物、土壤的破壞性越小。在近距離2 m處，各工作壓力下各噴嘴的單位體積水滴打擊動(dòng)能相差不大。由圖11（a）—圖11（c）可知，在各工作壓力下相同進(jìn)口錐角和出口直徑的等流量噴嘴中，橢圓形噴嘴的最大單位體積水滴打擊動(dòng)能最小。在100 kPa下，圓形噴嘴的最大單位體積水滴打擊動(dòng)能最大。由圖11（c）—圖11（e）可知，長(zhǎng)徑比越大，射程越短。在100 kPa下長(zhǎng)徑比最小的橢圓形噴嘴E1的最大單位體積水滴打擊動(dòng)能最?。辉?50～300 kPa下，長(zhǎng)徑比最大的噴嘴E3的最大單位體積水滴打擊動(dòng)能最小。由圖11（b）、圖11（f）、圖11（g）可知，在100～200 kPa下，出口直徑越小，單位體積水滴打擊動(dòng)能越小。

為了進(jìn)一步研究異形噴嘴噴頭的單位體積水滴動(dòng)能徑向分布規(guī)律，本文通過(guò)對(duì)各壓力下各噴嘴的單位體積水滴動(dòng)能進(jìn)行回歸分析，建立水滴動(dòng)能與距噴頭距離分布模型[13]：

ks=， （5）

式中：、為擬合系數(shù)；ks為單位體積水滴動(dòng)能；為距噴頭初始位置距離。

異形噴嘴噴頭的單位體積水滴動(dòng)能擬合系數(shù)均在0.9以上，擬合精度較高。

將3個(gè)不同長(zhǎng)徑比的橢圓形噴嘴在不同工作壓力下的單位體積水滴動(dòng)能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一回歸，對(duì)單位體積動(dòng)能進(jìn)一步分析，建立異形噴嘴噴頭單位體積水滴動(dòng)能ks、距噴頭距離、長(zhǎng)徑比與工作壓力關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，函數(shù)關(guān)系式為：

ks=2.775-0.318+0.0 926+0.932 (2=0.924)，（6）

式中：、為擬合系數(shù)；ks為單位體積水滴動(dòng)能；為距噴頭初始位置距離。

不同長(zhǎng)徑比橢圓形噴嘴的單位體積水滴動(dòng)能擬合系數(shù)在0.924，這說(shuō)明擬合精度較高。

3 討論

現(xiàn)有異形噴嘴噴頭水滴分布特性的研究，多以形狀及壓力改變對(duì)射流形態(tài)變化的影響為重點(diǎn)[13-16]，本研究使用視頻雨滴譜儀，補(bǔ)充研究了異形噴嘴的形狀及壓力對(duì)水滴直徑、速度、動(dòng)能等水滴分布特性的影響。本研究表明，異形噴嘴的形狀系數(shù)隨出口直徑的增加而減小，射程隨出口直徑的增加而增大。形狀系數(shù)越大，相同工作壓力下的末端水滴直徑越小，與陳超等[13]研究異形噴嘴形狀系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)論一致。水滴直徑沿徑向增大的趨勢(shì)隨壓力增大而減小。出口直徑越大，水滴速度隨水滴直徑增大而增大的幅度越大。當(dāng)水滴直徑相同時(shí)，出口直徑越大，水滴速度越小。相同位置處的單位體積水滴打擊動(dòng)能及其增長(zhǎng)幅度隨壓力的增大而減小。與朱興業(yè)等[12]研究全射流噴頭噴灑規(guī)律結(jié)論接近。

除此之外，本文補(bǔ)充研究了異形噴嘴的長(zhǎng)徑比對(duì)噴灑水力性能和水滴分布特性的影響。異形噴嘴的形狀系數(shù)隨長(zhǎng)徑比的增加而增大，射程隨長(zhǎng)徑比的增加而減小。在5種工作壓力下，菱形噴嘴水滴直徑沿徑向增大的幅度最大。長(zhǎng)徑比越大，水滴速度隨水滴直徑增大而增大的幅度越大。隨水滴直徑的增大，橢圓形噴嘴的水滴速度增長(zhǎng)幅度最小，圓形噴嘴增幅最大。出口直徑5 mm的噴嘴平均水滴直徑最小，且水滴直徑沿縱向增長(zhǎng)的下降幅度最大。

4 結(jié)論

1）采用視頻雨滴譜儀測(cè)量技術(shù)對(duì)異形噴嘴噴頭水滴直徑、速度及動(dòng)能分布進(jìn)行試驗(yàn)，并建立能準(zhǔn)確反映異形噴嘴噴頭水滴直徑、水滴速度、單位體積水滴動(dòng)能分布規(guī)律的預(yù)測(cè)模型，5種工作壓力下7個(gè)異形噴嘴的模型擬合相關(guān)系數(shù)都在0.9以上。噴嘴的長(zhǎng)徑比越大，最大單位體積水滴打擊動(dòng)能就越小。各工作壓力下的等流量噴嘴中，橢圓形噴嘴的最大單位體積水滴打擊動(dòng)能最小。

2）在100、150、200、250、300 kPa工作壓力下，異形噴嘴噴頭的長(zhǎng)徑比越大，水滴平均直徑越大。在相同工作壓力下，不同長(zhǎng)徑比的等流量橢圓形噴嘴，在距噴頭初始位置6 m內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)處的水滴直徑幾乎一致。

[1] 鮑亞, 劉俊萍, 劉興發(fā), 等. 壓力對(duì)低壓噴頭水量分布模型影響的試驗(yàn)研究[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2016, 34(1): 81-85.

BAO Ya, LIU Junping, LIU Xingfa, et al. Experimental study on effects of pressure on water distribution model of low-pressure sprinkler[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2016, 34(1): 81-85.

[2] 李佳, 徐崢嶸. 設(shè)施園藝發(fā)展節(jié)水灌溉研究：評(píng)《節(jié)水灌溉技術(shù)》[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2020, 39(1): 146.

[3] 朱興業(yè), 史永杰, 胡廣, 等. 射流式噴頭水量分布動(dòng)態(tài)仿真及試驗(yàn)[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2020, 39(4): 74-83.

ZHU Xingye, SHI Yongjie, HU Guang, et al. Dynamic simulation and test of water distribution of fluidic sprinkler[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(4): 74-83.

[4] 袁壽其, 李紅, 王新坤. 中國(guó)節(jié)水灌溉裝備發(fā)展現(xiàn)狀、問(wèn)題、趨勢(shì)與建議[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2015, 33(1): 78-92.

YUAN Shouqi, LI Hong, WANG Xinkun. Status, problems, trends and suggestions for water-saving irrigation equipment in China[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2015, 33(1): 78-92.

[5] 吳普特, 朱德蘭, 呂宏興. 灌溉水力學(xué)引論[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

[6] 涂琴, 李紅, 王新坤, 等. 基于灰色關(guān)聯(lián)法的多噴頭輕小型噴灌機(jī)組比選[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 35(6): 656-662.

TU Qin, LI Hong, WANG Xinkun, et al. Comparison and selection of small-scale irrigation machines with multiple sprinklers based on grey relational analysis[J]. Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), 2014, 35(6): 656-662.

[7] 徐紅, 龔時(shí)宏, 賈瑞卿, 等. 新型ZY系列搖臂旋轉(zhuǎn)式噴頭水滴直徑分布規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 2010, 41(12): 1 416-1 422.

XU Hong, GONG Shihong, JIA Ruiqing, et al. Study on droplet size distribution of ZY sprinkler head[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2010, 41(12): 1 416-1 422.

[8] SáNCHEZ BURILLO G, DELIRHASANNIA R, PLAYáN E, et al. Initial drop velocity in a fixed spray plate sprinkler[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2013, 139(7): 521-531.

[9] 鞏興暉, 朱德蘭, 張林, 等. 基于2DVD的非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水滴直徑分布規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014, 45(8): 128-133, 148.

GONG Xinghui, ZHU Delan, ZHANG Lin, et al. Drop size distribution of fixed spray-plate sprinklers with two-dimensional video disdrometer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(8): 128-133, 148.

[10] LORENZINI G. Water droplet dynamics and evaporation in an irrigation spray[J]. Transactions of the ASABE, 2006, 49(2): 545-549.

[11] OUAZAA S, BURGUETE J, PANIAGUA M P, et al. Simulating water distribution patterns for fixed spray plate sprinkler using the ballistic theory[J]. Spanish Journal of Agricultural Research, 2014, 12(3): 850.

[12] 朱興業(yè), 劉興發(fā), 劉俊萍, 等. 全射流噴頭噴灑水滴動(dòng)能分布規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(15): 26-31.

ZHU Xingye, LIU Xingfa, LIU Junping, et al. Droplet kinetic energy distribution regulation of complete fluidic sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(15): 26-31.

[13] 陳超, 袁壽其, 李紅, 等. 異形噴嘴對(duì)變量噴頭水力性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2011, 42(12): 111-115.

CHEN Chao, YUAN Shouqi, LI Hong, et al. Effect of non-circle nozzle on hydraulic performance of impact variable-rate sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(12): 111-115.

[14] 李棟, 盧曉江, 趙欣. 異形噴嘴低壓射流形態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 輕工機(jī)械, 2006, 24(3): 18-20.

LI Dong, LU Xiaojiang, ZHAO Xin. Experimental study on low pressure jet characteristic of the non-circle jet nozzle[J]. Light Industry Machinery, 2006, 24(3): 18-20.

[15] 周小引, 李紅, 蔣躍. 低壓噴頭異形噴嘴水量分布均勻性試驗(yàn)研究[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2017, 35(5): 448-453.

ZHOU Xiaoyin, LI Hong, JIANG Yue. Study on water distribution uniformity of non-circular nozzles at low pressure[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2017, 35(5): 448-453.

[16] JIANG Y, LI H, HUA L, et al. Experimental study on jet breakup morphologies and jet characteristic parameters of non-circular nozzles under low-intermediate pressures[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2019, 35(4): 617-632.

[17] 朱興業(yè), 劉興發(fā), 劉俊萍, 等. 基于LPM的搖臂式噴頭水滴分布試驗(yàn)研究[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2015, 33(10): 908-914.

ZHU Xingye, LIU Xingfa, LIU Junping, et al. Droplets distribution research of impact sprinkler based on Laser Precipitation Monitor[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2015, 33(10): 908-914.

[18] 吳普特, 朱德蘭, 呂宏興, 等. 農(nóng)田灌溉過(guò)程中的水力學(xué)問(wèn)題[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2012, 30(6): 726-732.

WU Pute, ZHU Delan, LYU Hongxing, et al. Hydraulics problems in farmland irrigation[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2012, 30(6): 726-732.

Distribution of Water Droplets of Non-circular Sprinkler Nozzles

LIU Jialing1,2, WAN Jixiang3, LI Hao1*, JIANG Yue2

(1. Chinese Academy of Agricultural Sciences, Farmland Irrigation Research Institute/Henan Province Water-saving Agriculture Key Laboratory, Xinxiang 453002, China; 2. Jiangsu University the Research Center for Fluid Mechanical Engineering Technology, Zhenjiang 212013, China; 3. Suqian Water Resources Bureau, Suqian 223999, China)

【】The distribution of water droplet diameter of the sprinkler nozzle is an important parameter in designing sprinkler irrigation. The purpose of this paper is to study how non-circular nozzles affect this distribution.【】We studied two non-circular nozzles: an rhombic nozzle and an elliptical nozzle. By keeping the spraying rate the same, we compared the distribution of water droplet diameters of each nozzle using the PY15 rocker arm by keeping the working water pressures in the range of 100 to 300 kPa. For each test, we measured the distribution of the droplet diameters using a video raindrop spectrometer, with that measured from round circular nozzle taken as the control.【】The diameter of coverage of all nozzles was ranked in the order of round > rhombic > elliptical. Shape coefficient of the non-circular nozzle decreased as the outlet diameter of the nozzle increased while increased as the length-diameter ratio increased. The diameters of water droplets of the rhombus nozzle increased most quickly in the radial direction, compared to the other two nozzles. When working water pressure was the same, the diameter of the end-water droplet decreased as the shape coefficient of the nozzle increased; the diameter of the coverage increased with the diameter of the nozzle outlet. Increasing the outlet diameter can speed up the droplet velocity, while increasing the diameter-length ratio reduces the maximum distance that the droplets can reach due to the increased droplet diameter and velocity. The increase in droplet velocity of the elliptical nozzle with droplet diameters was the least. The kinetic energy and the increase in amplitude of unit volume of the droplets at the same location both decreased as the working water pressure increased. The diameter and kinetic energy of the droplets increased with the radial distance exponentially and linearly, respectively, while the relationship between velocity and diameter of the droplets was logarithmic.【】Geometrical shape of the sprinkler nozzle has a significant impact on the diameters of the water droplets and their spatial distributions.

Non-circular nozzle; water droplet diameter; kinetic energy; spatial distribution

劉佳玲, 萬(wàn)吉祥, 李浩, 等. 異形噴嘴噴頭水滴分布特性試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(12): 85-92, 118.

LIU Jialing, WAN Jixiang, LI Hao, et al. Distribution of Water Droplets of Non-circular Sprinkler Nozzles[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(12): 85-92, 118.

S277.9

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021143

1672 - 3317（2021）12 - 0085 - 09

2021-04-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51809119）；河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（FIRI202001-0101）

劉佳玲（1997-），女。碩士研究生，主要從事異形噴嘴噴灌優(yōu)化與節(jié)水灌溉。E-mail: 17805015863@qq.com

李浩（1987-），男。副研究員，博士，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)與設(shè)備方面的研究。E-mail: lihao01@caas.cn

責(zé)任編輯：白芳芳