水藥一體化噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與水力性能試驗(yàn)

張晴， 劉俊萍， 袁壽其， 李揚(yáng)帆， 李紅

(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)

中國人口眾多、幅員遼闊，但降雨量時(shí)空分布不均，農(nóng)業(yè)用水緊張.同時(shí)中國又是農(nóng)藥消耗大國，年農(nóng)藥用量高達(dá)200多萬t，是歐美國家平均水平的3.5倍，農(nóng)藥有效利用率僅為30%左右[1].因而，采用節(jié)水節(jié)藥、減本增效的灌溉施藥技術(shù)成為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必然趨勢[2-3].

水藥一體化是將灌溉與施藥相結(jié)合的節(jié)水灌溉技術(shù)，具有精準(zhǔn)噴灑和節(jié)約水藥等優(yōu)點(diǎn)[4-5].部分學(xué)者已將水藥一體化技術(shù)應(yīng)用在滴灌中[6-8]，其思路是將藥劑隨毛管內(nèi)灌溉水按時(shí)、按需輸送至作物根系，有效減少作物根系處的病蟲害和藥劑損失.對于果樹類作物，葉片表面病蟲害防治的常見措施為人工噴藥或噴霧機(jī)施藥，施藥方式存在農(nóng)藥飄逸損失大、噴灑均勻性差等缺點(diǎn)[9-11].采用植保無人機(jī)進(jìn)行航空施藥，具有施藥靈活精準(zhǔn)、農(nóng)藥利用率高等優(yōu)勢[12-13], 但存在無人機(jī)載重量有限、造價(jià)較昂貴等問題.因此，探索將水藥一體化與噴灌技術(shù)相結(jié)合，使其兼容灌溉施藥功能，實(shí)現(xiàn)高效灌溉施藥，對提高水資源和農(nóng)藥有效利用率，具有重要意義.

文中設(shè)計(jì)一種適用于果樹類作物的新型水藥一體化噴頭，對該噴頭內(nèi)流場結(jié)構(gòu)對外流場水力特性的影響進(jìn)行研究，并采用正交試驗(yàn)進(jìn)一步對噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以期為該型水藥一體化噴頭設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用推廣提供有益參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 水藥一體化噴頭結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為水藥一體化噴頭結(jié)構(gòu)示意圖，其中剖面A-A為噴頭體頂端剖面.噴頭總體高度為43 mm，主要由噴頭帽、噴頭體及管接頭結(jié)構(gòu)組成.噴頭體頂端邊緣為圓形凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)上設(shè)有大小一致的導(dǎo)流槽.噴頭體靠近凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的圓柱面上設(shè)有均勻分布且直徑相同的導(dǎo)流孔.噴頭體與噴頭帽通過螺紋連接，連接處設(shè)有O型密封圈.

圖1 噴頭結(jié)構(gòu)圖

噴頭工作原理：壓力水進(jìn)入噴頭后，通過導(dǎo)流孔、導(dǎo)流槽，進(jìn)入噴頭頂端與噴頭帽之間的凹槽內(nèi)，經(jīng)凹槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)加速后噴射到空氣中.通過進(jìn)口球閥調(diào)節(jié)噴頭工作壓力至低壓范圍(大于100 kPa且小于200 kPa)時(shí)，噴灑高度較低，進(jìn)行灌水作業(yè)；將噴頭工作壓力調(diào)節(jié)至中壓范圍(大于200 kPa且小于500 kPa)時(shí)，壓力增大，噴灑高度增高，液滴噴至作物葉片背面，進(jìn)行施藥噴灑.

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)在江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心噴灌大廳內(nèi)進(jìn)行，主要試驗(yàn)裝置包括水泵機(jī)組、電磁流量計(jì)(精度為0.5級)、壓力表(精度為0.4級)、噴頭樣機(jī)(安裝高度1.2 m)、雨量筒和測量桿.

1.2.1 測量參數(shù)與測試方法

由于該水藥一體化噴頭在不同壓力下應(yīng)實(shí)現(xiàn)不同噴灑功能，因此設(shè)計(jì)2個(gè)工作壓力(低壓150 kPa和中壓350 kPa)進(jìn)行試驗(yàn).前人研究表明水藥混合液的霧滴粒徑、噴灑液膜破碎形式等特性與純水的霧滴特性大小差異較小[13-16]，故噴灑介質(zhì)均選用自來水.測量參數(shù)包括：

1) 流量q和射程s.分別采用電磁流量計(jì)和卷尺測得.其中噴頭射程指雨量筒收集的水量為0.15 mm/h測點(diǎn)處到噴頭中心的距離[17].

2) 噴灑凈高度H.試驗(yàn)中，設(shè)置垂直于地面的測量桿，測量桿表面設(shè)有可上下移動試紙，試紙浸濕最高點(diǎn)即為噴頭噴灑凈高度，如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)布置簡圖

3) 噴灌強(qiáng)度I.試驗(yàn)在無風(fēng)實(shí)驗(yàn)廳內(nèi)進(jìn)行，可以近似認(rèn)為各個(gè)方向的降水深度基本相同，因此選取一條射線上的數(shù)據(jù)代替圓周內(nèi)的各條射線，雨量筒(采用內(nèi)徑7 cm，高10 cm的塑料筒)沿徑向線布置，測試噴灑時(shí)間為1.0 h，布置間距為0.1 m(見圖2).

4) 噴灑均勻性系數(shù)CU.均勻性系數(shù)是衡量噴灌質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，文中采用克里斯琴森均勻系數(shù)CU計(jì)算，其公式為

(1)

其中

(2)

1.2.2 試驗(yàn)因素和方案

設(shè)計(jì)優(yōu)化水藥一體化噴頭以實(shí)現(xiàn)噴頭射程較遠(yuǎn)、噴灑均勻性系數(shù)較大且流量較小，并在低壓條件下噴灑高度較低，在中壓條件下噴灑高度較高，因此文中選取流量、射程、噴灑高度和單噴頭均勻性系數(shù)等4個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行研究.根據(jù)微噴頭設(shè)計(jì)原理及經(jīng)驗(yàn)[18]，以因素A，B，C，D，E分別代表噴頭出口直徑(mm)、導(dǎo)流孔數(shù)量(個(gè))、導(dǎo)流孔直徑(mm)、導(dǎo)流斜槽數(shù)量(個(gè))、導(dǎo)流斜槽寬度(mm)，設(shè)計(jì)噴頭結(jié)構(gòu)五因素四水平如表1所示.

表1 噴頭結(jié)構(gòu)因素水平表

選用L16(45)正交試驗(yàn)表，試驗(yàn)方案如表2所示.試驗(yàn)過程中保持導(dǎo)流孔均勻分布在圓柱形噴頭體上且圓心距噴頭出口的豎直距離保持不變，為3.2 mm.

表2 試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與分析

2.1 流量與噴灑高度

表3為試驗(yàn)測得的不同工作壓力下水藥一體化噴頭流量和噴灑凈高度.

表3 不同工作壓力下噴頭流量與噴灑凈高度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of sprinkler flow rates and net spraying height under different working pressures

由表3可以看出：同等噴頭出口直徑下，噴頭的噴灑凈高度隨流量的增大呈增大趨勢；在相同工作壓力下，噴頭流量隨噴頭出口直徑的增大而增大，在350 kPa壓力下，相比出口直徑為1.5 mm時(shí)，直徑為2.0，2.5，3.0 mm的噴頭流量均值的增加幅度分別為26.61%，37.99%，62.44%.

由于噴頭出口直徑、導(dǎo)流孔和導(dǎo)流斜槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，噴頭的流量和噴灑凈高度沒有顯示明顯函數(shù)關(guān)系，如在150 kPa工作壓力下，流量最大值和噴灑凈高度最大值沒有出現(xiàn)在同一試驗(yàn)方案：流量最大值0.214 7 m3/h出現(xiàn)在13號方案，噴灑凈高度最大值2.5 m出現(xiàn)在9號方案，說明噴頭出口直徑、導(dǎo)流孔和導(dǎo)流斜槽結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠有效地影響噴頭的噴灑高度.

2.2 徑向水量分布與射程

圖3為水藥一體化噴頭徑向水量分布，圖中橫坐標(biāo)l為距噴頭距離，縱坐標(biāo)I為點(diǎn)噴灌強(qiáng)度.

圖3 噴頭徑向水量分布

由圖3可以看出：噴頭的徑向水量分布近似呈三角形或倒U形，當(dāng)噴頭出口直徑為1.5，2.0 mm(試驗(yàn)號為1—8)時(shí)，最大點(diǎn)噴灌強(qiáng)度均在0 m處，且噴灌強(qiáng)度沿徑向分布的趨勢相似，距噴頭距離的增大呈近線性減小，減小趨勢較為平滑，徑向水量分布近似于三角形，噴灑均勻性較好；當(dāng)噴頭出口直徑為2.5 mm(試驗(yàn)號為9—12)時(shí)，除11號方案外，點(diǎn)噴灌強(qiáng)度最大值依然在0 m處，且噴灌強(qiáng)度沿徑向呈減小趨勢，造成11號試驗(yàn)現(xiàn)象的原因可能是該方案結(jié)構(gòu)下的噴頭體內(nèi)水流流速較大，水流噴出后分裂加劇，破碎變快，過多的水量落在了噴頭附近；在150 kPa壓力下，距噴頭0～0.4 m出現(xiàn)不規(guī)則的小幅度波動，在350 kPa壓力下，點(diǎn)噴灌強(qiáng)度呈小幅度波動下降，噴灑均勻性與1—8試驗(yàn)方案相比較差；當(dāng)噴頭出口直徑為3.0 mm(試驗(yàn)號為13—16)時(shí)，沿徑水量分布趨勢為倒U形，呈先增大后減小趨勢，降水量主要集中在噴頭射程的中部區(qū)域內(nèi)；在150 kPa壓力下，點(diǎn)噴灌強(qiáng)度最大值分布在距噴頭0.3～0.5 m處，在350 kPa壓力下，點(diǎn)噴灌強(qiáng)度最大值分布在距噴頭0.1～0.7 m處；在350 kPa工作壓力下，各試驗(yàn)方案的最大點(diǎn)噴灌強(qiáng)度值隨噴頭出口直徑的增大呈減小趨勢，出現(xiàn)這種趨勢的原因可能是在相同工作壓力下，噴頭射程隨噴頭出口直徑的增大而增大，噴射出的液滴不再集中于近噴頭處而是逐漸向遠(yuǎn)處擴(kuò)散，徑向水量分布的最大點(diǎn)噴灌強(qiáng)度值減小.這一現(xiàn)象在150 kPa工作壓力下并不明顯，可能是由于工作壓力較小、液滴破碎不完全造成的.

綜上所述，該水藥一體化噴頭的徑向水量分布主要呈較為理想的“三角形”，有利于提高組合噴灑的均勻性.

表4為試驗(yàn)測得水藥一體化噴頭在150 kPa和350 kPa工作壓力下的射程.

表4 不同工作壓力下的噴頭射程Tab.4 Range of sprinklers under different working pressure

由表4可以看出，除1號試驗(yàn)外，噴頭在350 kPa下的射程要大于150 kPa的射程，出現(xiàn)1號試驗(yàn)現(xiàn)象的原因可能是1號試驗(yàn)的噴頭出口直徑過小(噴頭出口直徑為1.5 mm)，使其在中壓350 kPa工作壓力下霧化程度較高、液滴直徑較小、液滴動能較小、漂移蒸發(fā)損失較大造成；當(dāng)噴頭出口直徑為2.0 mm(試驗(yàn)號為5—8)時(shí)，中壓與低壓條件下的噴頭射程差值較小，約為0.1 m，這可能是由于噴頭在出口直徑為2.0 mm時(shí)的極限射程較小，噴頭射程隨工作壓力的增大而緩慢增加且逐漸趨于不變.在相同工作壓力下，噴頭出口直徑為3.0 mm(試驗(yàn)號為13—16)的射程約為噴頭出口直徑為1.5 mm(試驗(yàn)號為13—16)的1.13～2.13倍，說明該水藥一體化噴頭的射程隨噴頭出口直徑的增大而增大.因此，適當(dāng)選取較大噴頭出口直徑的噴頭，有利于減少水藥一體化系統(tǒng)的噴頭數(shù)量，減少工程成本.

2.3 噴灑均勻性系數(shù)

圖4為根據(jù)公式(1)—(2)計(jì)算所得單噴頭在工作壓力為150 kPa和350 kPa下的噴灑均勻性系數(shù)，可以看出：當(dāng)噴頭出口直徑為1.5 mm和2.0 mm(試驗(yàn)號為1—8)時(shí)，噴灑均勻性系數(shù)大多低于80%，噴灑均勻性較差；當(dāng)噴頭出口直徑為2.5 mm和3.0 mm(試驗(yàn)號為9—16)時(shí)，均勻性系數(shù)均大于80%，部分CU大于90%，說明噴灑均勻性系數(shù)隨噴頭出口直徑的增大而增大；在150 kPa壓力下，最大均勻性系數(shù)值出現(xiàn)在9號試驗(yàn)(噴頭出口直徑為2.5 mm)，為95.28%；在350 kPa壓力下，最大值出現(xiàn)在16號試驗(yàn)(噴頭出口直徑為3.0 mm)，為94.91%.因此對于該水藥一體化噴頭，選擇較大的噴頭出口直徑有利于提高噴頭噴灑均勻性系數(shù)，進(jìn)而提高噴灌系統(tǒng)中水藥的有效利用率，減少水藥消耗和系統(tǒng)成本.

圖4 均勻性系數(shù)

2.4 基于正交試驗(yàn)的噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)多指標(biāo)優(yōu)化

該水藥一體化噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)為多指標(biāo)優(yōu)化，各因素及水平對性能指標(biāo)的影響程度不同，因此本研究采用綜合評分法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.采用歸一化方法對指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，即

(3)

(4)

越大越優(yōu)的指標(biāo)采用公式(3)，如射程、均勻性系數(shù)和中壓350 kPa下的噴灑高度；越小越優(yōu)的指標(biāo)采用公式(4)，如流量和低壓150 kPa下的噴灑高度.

基于熵權(quán)法具有客觀性較強(qiáng)、適應(yīng)性好等特點(diǎn)[19]，選取熵權(quán)法評價(jià)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算得到的權(quán)重值如表5所示.

表5 各指標(biāo)權(quán)重值

將各指標(biāo)的權(quán)重值和試驗(yàn)結(jié)果代入公式(3)—(5)中，計(jì)算得到綜合評價(jià)的綜合值F如表6所示.

表6 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

為了獲取各因素對噴頭性能影響的主次順序以及各水平對噴頭性能指標(biāo)的影響程度，選取極差分析法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即

Rj=max(fi1,fi2,fi3,fi4)-min(fi1,fi2,fi3,fi4)，

(5)

式中：Rj為第j因素的極差；fij為第i因素j水平對應(yīng)數(shù)據(jù)平均處理后的結(jié)果.

以綜合值F為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算分析，結(jié)果如表7所示.

表7 多指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果分析

由表7中數(shù)據(jù)可知，RA>RC>RD>RE>RB，根據(jù)極差分析法中因素極差越大對噴頭的指標(biāo)影響越明顯的原理，得到影響水藥一體化噴頭流量、射程、噴灑高度和噴灑均勻性系數(shù)等性能指標(biāo)的主次因素依次為A(噴頭出口直徑)、C(導(dǎo)流孔直徑)、D(導(dǎo)流斜槽數(shù)量)、E(導(dǎo)流斜槽寬度)、B(導(dǎo)流孔數(shù)量)，最優(yōu)水平組合為A4B2C2D2E2，即水藥一體化噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)為噴頭出口直徑3.0 mm、導(dǎo)流孔數(shù)量3個(gè)、導(dǎo)流孔直徑2.0 mm、導(dǎo)流斜槽數(shù)量3個(gè)和導(dǎo)流斜槽寬度為0.8 mm為最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù).

3 結(jié) 論

1) 提出了一種新型水藥一體化噴頭，采用五因素四水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對噴頭進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，得到了噴頭流量、射程、噴灑凈高度和噴灑均勻性系數(shù)等水力特性，結(jié)果表明噴頭徑向水量分布較好、均勻性系數(shù)較高，有利于提高水藥利用率，具有較好的社會價(jià)值和發(fā)展前景.

2) 水藥一體化噴頭的流量、噴灑均勻性系數(shù)隨噴頭出口直徑的增大而增大.同一工作壓力和噴頭出口直徑下，噴頭噴灑凈高度隨流量的增大呈增長趨勢.噴頭導(dǎo)流孔和導(dǎo)流斜槽結(jié)構(gòu)能有效影響噴頭的外流場特性.

3) 通過熵權(quán)法和極差分析法，得到在低壓150 kPa和中壓350 kPa工作壓力下，影響噴頭水力性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主次順序?yàn)閲婎^出口直徑、導(dǎo)流孔直徑、導(dǎo)流斜槽數(shù)量、導(dǎo)流斜槽寬度、導(dǎo)流孔數(shù)量.

4) 該水藥一體化噴頭的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸分別為噴頭出口直徑3.0 mm，導(dǎo)流孔3個(gè)，導(dǎo)流孔直徑2.0 mm，導(dǎo)流斜槽3個(gè)，導(dǎo)流斜槽寬度0.8 mm.