20PY2搖臂噴頭摻氣情況下的低壓噴灌效果

許正典，李紅，向清江，王金輝，蔣躍，劉俊

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

氣液兩相射流形式具有一定的霧化性能，可改善噴嘴液滴顆粒及其分布效果，在內(nèi)燃機(jī)燃油噴射[1-3]、工業(yè)除塵[4]、農(nóng)藥噴霧[5]和農(nóng)業(yè)灌溉[6-7]等領(lǐng)域或場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用.在農(nóng)業(yè)噴灌中，為了改善搖臂噴頭噴灌的均勻性，部分學(xué)者提出噴頭流道增加副噴嘴和改進(jìn)穩(wěn)流等[8]的優(yōu)化方法，但低壓灌溉效果不佳.為此，向清江等[9-10]提出把氣液兩相射流理論應(yīng)用于低壓農(nóng)業(yè)噴灌，在原有搖臂噴頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入摻氣結(jié)構(gòu)，即把摻氣管與原搖臂噴頭收縮段同軸度重合，摻氣管端口連通空氣；為噴頭供水時(shí)，噴嘴處的水射流環(huán)繞摻氣管并吸取其內(nèi)的空氣形成負(fù)壓，射流的摻氣管端口產(chǎn)生錐形氣柱，該氣柱可以分散水射流，改善水量分布.

目前，為了更加深入了解低壓下氣液兩相射流的灌溉性能，采用噴頭組合噴灌的方式進(jìn)行田間試驗(yàn).李久生等[11]通過(guò)選擇適宜的灌溉時(shí)間，得出風(fēng)速對(duì)其影響最大，空氣濕度次之，空氣溫度影響最小.賀瑋[12]提出工作壓力、噴頭間距和風(fēng)速是影響灌溉質(zhì)量的主要因素.李久生等[13]、蔣建園等[14]對(duì)比了分布均勻系數(shù)DU與噴灌均勻性系數(shù)CU，給出了4個(gè)DU與CU之間的關(guān)系.向清江等[9-10]研究已經(jīng)證明搖臂噴頭摻氣后提高了低壓下的水力性能，雨滴更加細(xì)小、分散.

低壓下，為了分析噴頭摻氣后其組合噴灌的改善狀況，文中參考以上專(zhuān)家研究思路，通過(guò)改變工作壓力和組合間距參數(shù)，以平均噴灌強(qiáng)度、蒸發(fā)漂移量、CU和DU等評(píng)價(jià)摻氣噴頭噴灌性能.

1 材料與方法

1.1 摻氣噴頭結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為20PY2搖臂噴頭加入摻氣結(jié)構(gòu)的示意圖.搖臂噴頭出水口為“O”型，摻氣噴頭出水口為環(huán)形，為使兩噴頭流量相同，進(jìn)行等值換算，并進(jìn)行同流量試驗(yàn)驗(yàn)證.兩噴頭參數(shù)：參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，搖臂噴頭噴嘴尺寸取為7.0 mm×4.0 mm，則摻氣噴頭噴嘴尺寸為8.3 mm×4.0 mm，摻氣管的內(nèi)徑為4 mm.

圖2為摻氣搖臂噴嘴與摻氣管示意圖，O點(diǎn)x方向?yàn)檎较颍瑩綒夤苌炜s量L′定為2 mm[10]，錐角θ為45°.

圖2 摻氣噴頭出水口原理Fig.2 Schematic diagram of water outlet of aeration sprinkler

如圖2所示，摻氣噴頭的摻氣管兩端口連通空氣.噴頭工作時(shí)，水柱呈環(huán)狀射出，摻氣管一端口被水柱包裹；水流定速流過(guò)噴嘴收縮段時(shí)，在摻氣管端口形成一定的吸附能力，吸取摻氣管端口空氣并形成真空.此時(shí)端口低于大氣壓值，空氣以一定的流速?gòu)膿綒夤芰硪欢丝谶M(jìn)入填補(bǔ)真空，在摻氣管的噴嘴端形成氣柱.由于水射流具有一定的波動(dòng)，卷吸走氣柱中的部分氣體形成氣液兩相射流.

1.2 試驗(yàn)方案與布置

摻氣噴頭的主要試驗(yàn)儀器、設(shè)備為壓力表、電磁流量計(jì)和量筒等.試驗(yàn)環(huán)境：平均風(fēng)速約為1.2 m/s，空氣相對(duì)溫度為20 ℃，空氣相對(duì)濕度為24.93%.試驗(yàn)條件：噴頭的安裝高度為1.0 m，電磁流量計(jì)測(cè)4個(gè)噴頭的總流量，塑料筒接收降雨量，塑料桶內(nèi)徑為20 cm、高為17 cm,設(shè)計(jì)各塑料筒的間距為1.5 m，每組噴灌試驗(yàn)的時(shí)間為1 h，且進(jìn)行3次測(cè)量.噴頭組合噴灌試驗(yàn)采用正方形布置方式，工作壓力取200，250和300 kPa；組合間距取1.0R，1.1R和1.2R(R為噴頭射程).

圖3為組合噴灌試驗(yàn)場(chǎng)；圖4為正方形布置方式，圖中L為組合間距.

圖3 組合噴灌試驗(yàn)場(chǎng)

圖4 正方形布置方式

2 計(jì)算方法

2.1 噴灌強(qiáng)度

噴灌強(qiáng)度計(jì)算公式為

(1)

式中：hi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的噴灌強(qiáng)度，mm/h；i為塑料桶測(cè)點(diǎn)位置；Vi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的單位體積，cm3/h；Db為塑料筒接收降雨量的直徑，值為20 cm.

平均噴灌強(qiáng)度試驗(yàn)值公式為

(2)

平均噴灌強(qiáng)度理論值公式為

(3)

式中：h為平均噴灌強(qiáng)度理論值，mm/h；Q為供水管道為噴頭提供的總流量，m3/h；R為噴頭射程，m；N為組合間距L與射程R的倍數(shù)，分別取1.0，1.1和1.2.

2.2 組合噴灌均勻性系數(shù)與分布均勻系數(shù)關(guān)系

噴灌均勻性系數(shù)和分布均勻系數(shù)均為評(píng)價(jià)噴灌均勻性的重要指標(biāo).為了細(xì)致研究噴灌強(qiáng)度狀況，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的噴灌強(qiáng)度重新遞減排序后，數(shù)據(jù)劃分為1/4低值區(qū)域、1/4高值區(qū)域、1/2低值區(qū)域和1/2高值區(qū)域，并分別計(jì)算分布均勻系數(shù).

噴灌均勻性系數(shù)[15-16]為

(4)

1/4低值分布均勻系數(shù)、1/4高值分布均勻系數(shù)、1/2低值分布均勻系數(shù)和1/2高值分布均勻系數(shù)公式[14]分別為

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：CU為克里斯琴森均勻系數(shù)，%；DUlq，DUhq分別為1/4低值、1/4高值分布均勻系數(shù)，%；DUlh，DUhh分別為1/2低值、1/2高值分布均勻系數(shù)，%；nlq，nhq分別為大小排列的n/4個(gè)噴灌強(qiáng)度低值、高值的個(gè)數(shù)，即nlq=n/4，nhq=n/4；nlh，nhh分別為大小排列的n/2個(gè)噴灌強(qiáng)度低值、高值的個(gè)數(shù)，即nlq=n/2，nhq=n/2；hlqi，hhqi分別為第i個(gè)大小排列的n/4個(gè)噴灌強(qiáng)度低值、高值，mm；hlhi，hhhi分別為第i個(gè)大小排列的n/2個(gè)噴灌強(qiáng)度低值、高值，mm.

4個(gè)分布均勻系數(shù)的關(guān)系如圖5所示，圖中Ⅰ代表1/4最高值區(qū)域、Ⅱ代表1/4第2高值區(qū)域、Ⅲ代表1/4第2低值區(qū)域、Ⅳ代表1/4最低值區(qū)域、Ⅴ代表1/2高值區(qū)域、Ⅵ代表1/2低值區(qū)域；I為水量分布測(cè)量數(shù)值.

圖5 測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)示意圖

由圖5可知，DUhq≥DUhh≥1≥DUlh≥DUlq，蔣建園等[14]已進(jìn)行過(guò)公式驗(yàn)證.由于理論上CU≤1，則存在3種關(guān)系：CU>DUlh>DUlq，DUlh>CU>DUlq與DUlh>DUlq>CU.DUlh，DUlq與CU的對(duì)應(yīng)關(guān)系與噴灌效果如下：

1) 1>CU>DUlh>DUlq時(shí)，噴灌強(qiáng)度峰值與谷值的階梯性較好，且兩值區(qū)間范圍較??；同等數(shù)量測(cè)點(diǎn)的噴灌強(qiáng)度峰值區(qū)間和谷值區(qū)間平均值趨向于平均噴灌強(qiáng)度，灌溉狀況較優(yōu).

2) 1>DUlh>CU>DUlq時(shí)，噴灌強(qiáng)度峰值與谷值的階梯性較普通，且兩值區(qū)間范圍相對(duì)適中；同等數(shù)量測(cè)點(diǎn)的噴灌強(qiáng)度峰值區(qū)間和谷值區(qū)間平均值相較于平均噴灌強(qiáng)度差距略大，灌溉狀況較普通.

3) 1>DUlh>DUlq>CU時(shí)，噴灌強(qiáng)度峰值與谷值的階梯性較差，且兩值區(qū)間范圍相對(duì)較大；同等數(shù)量測(cè)點(diǎn)的噴灌強(qiáng)度峰值區(qū)間和谷值區(qū)間平均值相較于平均噴灌強(qiáng)度差距較大，灌溉狀況較差.

3 平均噴灌強(qiáng)度

噴頭技術(shù)及性能參數(shù)見(jiàn)表1，表中p為工作壓力、Q為流量、R為射程、L為組合間距、ˉh為平均噴灌強(qiáng)度試驗(yàn)值、h為平均噴灌強(qiáng)度理論值、η為蒸發(fā)漂移量.

η計(jì)算公式為

(9)

式中:η為蒸發(fā)漂移量，%；Qcan為n個(gè)雨量筒水量分別收集水量換算成n個(gè)1.5 m×1.5 m灌溉面積的總水量，mm.

經(jīng)計(jì)算，20PY2型的噴頭蒸發(fā)漂移量均在5%左右，見(jiàn)表1.蒸發(fā)飄移量主要受風(fēng)速影響.摻氣噴頭的蒸發(fā)漂移量略高于搖臂噴頭，這是由于氣液兩相射流易破碎成更小水滴，隨風(fēng)飄移概率和飄移距離增加，從而影響噴灌強(qiáng)度.

表1 噴頭技術(shù)及性能參數(shù)

由表1中對(duì)比得出，摻氣噴頭的射程與搖臂噴頭相比基本相同；不同工作壓力下，2種噴頭平均噴灌強(qiáng)度試驗(yàn)值和理論值均相近.雖然摻氣結(jié)構(gòu)占據(jù)摻氣噴頭的部分流道，且負(fù)壓吸氣降低噴嘴處水射流的速度影響射程，但通過(guò)放大其噴嘴內(nèi)徑的方法，使流量與搖臂噴頭相同，因此搖臂噴頭摻氣后對(duì)射程影響較小，平均噴灌強(qiáng)度也近似相等.

摻氣噴頭和搖臂噴頭的平均噴灌強(qiáng)度隨工作壓力遞增，隨著組合間距遞減.工作壓力為定值時(shí)，摻氣噴頭流量相同，組合間距增大擴(kuò)大了組合灌溉區(qū)域面積，平均噴灌強(qiáng)度有所降低，噴灌質(zhì)量隨之呈階梯性降低；組合間距為定值時(shí)，即摻氣噴頭組合灌溉區(qū)域面積相對(duì)穩(wěn)定，工作壓力增大使水射流流速加快，灌溉流量增大，平均噴灌強(qiáng)度隨之增大，噴灌質(zhì)量呈階梯性增強(qiáng).

蒸發(fā)漂移量較低說(shuō)明低壓水射流分散的雨滴較大，具有一定的抗風(fēng)性，可為深入研究低壓噴灌提供參考.

4 組合噴灌效果對(duì)比分析

4.1 不同工作壓力下組合噴灌效果

20PY2的2種噴頭采用正方形布置，組合間距為1.0R，經(jīng)計(jì)算各工作壓力下的系數(shù)關(guān)系見(jiàn)表2.

表2 不同工作壓力下的系數(shù)關(guān)系Tab.2 Coefficient relation under different working pressures

由表2可知，在3個(gè)工作壓力下，摻氣噴頭噴灌均勻系數(shù)與分布均勻系數(shù)的關(guān)系為DUhq>DUhh>1>CU>DUlh>DUlq.搖臂噴頭在200和250 kPa時(shí)，噴灌均勻系數(shù)與分布均勻系數(shù)的關(guān)系為DUhq>DUhh>1>DUlh>CU>DUlq；工作壓力為300 kPa時(shí)的關(guān)系為DUhq>DUhh>1>CU>DUlh>DUlq.說(shuō)明摻氣噴頭的噴灌效果相對(duì)較好；在低壓下，噴灌強(qiáng)度峰值與谷值的階梯性較好，且兩值區(qū)間范圍較小；同等數(shù)量測(cè)點(diǎn)的噴灌強(qiáng)度峰值區(qū)間和谷值區(qū)間平均值趨向于平均噴灌強(qiáng)度，灌溉狀況優(yōu)于同壓力下的搖臂噴頭.通過(guò)對(duì)比噴灌效果得知摻氣噴頭在300 kPa時(shí)的CU最高，因此摻氣噴頭在該壓力下的水量分布均勻狀況最好，噴灌效果最佳.

從表2還可得出，3個(gè)工作壓力下，摻氣噴頭與搖臂噴頭相比較，DUlq與DUlh大，DUhq與DUhh小；兩噴頭的DUlq與DUlh隨工作壓力呈階梯性增加，DUhq與DUhh隨之呈階梯性減小.由于同工況下，兩噴頭組合灌溉區(qū)域面積大小基本相同，平均噴灌強(qiáng)度近似相等，灌溉區(qū)域的總灌溉強(qiáng)度較相似.以此可得出結(jié)論，摻氣噴頭與搖臂噴頭相比較，峰值區(qū)間和谷值區(qū)間噴灌強(qiáng)度在灌溉總強(qiáng)度中的占比，分別低和高；提高工作壓力可使兩噴頭峰值區(qū)間和谷值區(qū)間的噴灌強(qiáng)度在灌溉總強(qiáng)度中的占比分別降低和提高.因此，氣液兩相射流和提高工作壓力均可改善水量分布狀況.

4.2 不同組合間距下組合噴灌效果

噴頭在250 kPa下正方形組合間距分別為1.0R，1.1R和1.2R，經(jīng)計(jì)算各組合間距下的系數(shù)關(guān)系見(jiàn)表3.

表3 不同組合間距下的系數(shù)關(guān)系Tab.3 Coefficient relation under different combination distances

由表3可知，在3個(gè)組合間距下，摻氣噴頭噴灌均勻系數(shù)與分布均勻系數(shù)關(guān)系為DUhq>DUhh>1>CU>DUlh>DUlq.組合間距為1.0R和1.2R時(shí)，搖臂噴頭噴灌均勻系數(shù)與分布均勻系數(shù)關(guān)系為DUhq>DUhh>1>DUlh>CU>DUlq；組合間距為1.1R時(shí)，兩種數(shù)值關(guān)系為DUhq>DUhh>1>CU>DUlh>DUlq.這說(shuō)明摻氣噴頭在不同組合間距下，噴灌強(qiáng)度峰值與谷值的階梯性較好，且兩值區(qū)間范圍較小；同等數(shù)量測(cè)點(diǎn)的噴灌強(qiáng)度峰值區(qū)間和谷值區(qū)間平均值趨向于平均噴灌強(qiáng)度，灌溉狀況優(yōu)于同組合間距下的搖臂噴頭.通過(guò)分析噴灌效果看出，組合間距為1.1R時(shí)，摻氣噴頭的CU最高，因此，摻氣噴頭該組合間距下的水量分布均勻狀況最好，噴灌效果最佳.

從表3還可得出，3個(gè)組合間距下，摻氣噴頭與搖臂噴頭相比較，DUlq與DUlh大，DUhq與DUhh??；其中組合間距為1.1R時(shí)，摻氣噴頭的DUlq與DUlh最大，DUhq與DUhh最小.以此可得出結(jié)論，摻氣噴頭與搖臂噴頭相比較，峰值區(qū)間和谷值區(qū)間噴灌強(qiáng)度在灌溉總強(qiáng)度中的占比，分別低和高；組合間距為1.1R時(shí)，摻氣噴頭峰值區(qū)間和谷值區(qū)間的噴灌強(qiáng)度在灌溉總強(qiáng)度中的占比分別最小和最大.因此，摻氣噴頭組合間距為1.1R時(shí)的噴灌效果最佳.

5 結(jié) 論

1) 水射流摻氣對(duì)噴頭射程影響不大，且摻氣噴頭的平均噴灌強(qiáng)度隨工作壓力遞增，隨著組合間距遞減.摻氣噴頭在風(fēng)速為1 m/s時(shí)的蒸發(fā)漂移量在5%左右.

2) 低壓下，摻氣噴頭噴灌強(qiáng)度峰值與谷值的階梯性較好，且兩值區(qū)間范圍較??；同等數(shù)量測(cè)點(diǎn)的噴灌強(qiáng)度峰值區(qū)間和谷值區(qū)間平均值趨向于平均噴灌強(qiáng)度，灌溉狀況優(yōu)于同壓力下的搖臂噴頭.

3) 摻氣噴頭與搖臂噴頭相比較，峰值區(qū)間和谷值區(qū)間噴灌強(qiáng)度在灌溉總強(qiáng)度中的占比，分別低和高.

4) 低壓下，摻氣噴頭最佳工作壓力為300 kPa，最佳組合間距為1.1R.