非穩(wěn)定供水下噴灌機(jī)管道壓強(qiáng)變化規(guī)律的試驗(yàn)研究

張寶旭，朱德蘭

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100）

0 引 言

噴灌以其節(jié)水增產(chǎn)、適應(yīng)性廣、操作方便、易于規(guī)模作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今世界上最為廣泛應(yīng)用的灌溉方法之一[1]。到2015年全國(guó)噴灌工程的總面積已達(dá)到近0.5 億畝，大約占我國(guó)節(jié)水灌溉總面積的20%[2]。在實(shí)際灌溉時(shí)，通常采用恒壓穩(wěn)定水源進(jìn)行灌溉，但有時(shí)會(huì)使用非常規(guī)的水源進(jìn)行供水，來(lái)提升整體灌溉質(zhì)量。

Li Qiang[3]曾采用正弦型的動(dòng)態(tài)水壓進(jìn)行灌溉，發(fā)現(xiàn)此供水條件下，對(duì)于緩解滴頭堵塞問(wèn)題有明顯幫助；葛茂生[4]在波動(dòng)供水下，研究了非旋轉(zhuǎn)式噴頭的噴灑情況；Zhang Kai[5]曾采用動(dòng)態(tài)水壓中的正弦型水源進(jìn)行移動(dòng)噴灌試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用正弦型水源供水時(shí)整體噴灌均勻度得到提升；付博陽(yáng)[6]和任乃望[7]同樣采用非穩(wěn)定的供水方式對(duì)坡地噴灌進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果表明當(dāng)使用波動(dòng)水壓進(jìn)行坡地噴灌時(shí)，整體均勻度得到提升；陶帥[8]等人使用PWM 獨(dú)立變量控制，改變噴灌機(jī)噴頭流量的大小，提高了灌溉水的利用效率。

但在日常使用中，為噴灌機(jī)供水的水源并不總能保持恒壓或規(guī)律性變化，導(dǎo)致噴灌機(jī)入口處壓強(qiáng)流量均存在一定的隨機(jī)波動(dòng)，影響運(yùn)行效果。而在輕型平移式噴灌機(jī)中的多孔管的水力性能較相較于傳統(tǒng)直管為復(fù)雜[9]，壓強(qiáng)分布規(guī)律較不明顯[10]，故本文通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)的方法研究在非穩(wěn)定供水的條件下，不同噴嘴尺寸和變頻泵運(yùn)行頻率對(duì)于噴灌機(jī)入口及內(nèi)部的壓強(qiáng)分布的影響，以期為當(dāng)水源條件較差時(shí)的噴灌機(jī)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院進(jìn)行，試驗(yàn)裝置主要包括：非穩(wěn)定供水的給水栓、變頻泵、變頻控制柜、非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭、輕型平移式噴灌機(jī)、壓強(qiáng)傳感器、電磁流量計(jì)以及筆記本電腦等數(shù)據(jù)采集裝置，整體裝置示意圖見(jiàn)圖1。

由于本研究只關(guān)注噴灌機(jī)內(nèi)部的壓強(qiáng)分布規(guī)律，故采用固定噴灑的工作方式。試驗(yàn)中噴灌機(jī)可分為兩段：入口段與出流段。入口段為噴灌機(jī)入口至兩側(cè)出流管前的管段，入口管道直徑為65 mm，由多種連接件構(gòu)成，在圖1 中為A 點(diǎn)到B點(diǎn)，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)；出流段由兩側(cè)水平出流管組成，為變徑且開(kāi)孔均勻的多孔出流管，從中心向兩側(cè)分布，共3種直徑，依次為：60、50、40 mm，在圖1 中起始點(diǎn)為B 點(diǎn)。出流段兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，共34個(gè)噴頭，噴頭間距為1 m，單側(cè)長(zhǎng)度17.4 m。對(duì)于壓強(qiáng)傳感器的安裝位置，采用間隔布置，在進(jìn)入噴灌機(jī)出流段后，在首端布置一個(gè)壓強(qiáng)傳感器，正式進(jìn)入管段后，每間隔一個(gè)出口處布置一個(gè)壓強(qiáng)傳感器，同時(shí)在末端額外安裝一個(gè)壓強(qiáng)傳感器。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the test setup

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)指標(biāo)

試驗(yàn)通過(guò)改變噴灌機(jī)入口處的變頻泵運(yùn)行頻率控制噴灌機(jī)入口處的壓強(qiáng)范圍，同時(shí)改變噴嘴尺寸調(diào)節(jié)管道內(nèi)的水力情況，其詳細(xì)因素水平設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)因素水平Tab.1 Test factor level

試驗(yàn)中噴灌機(jī)噴頭距地面0.4 m，且噴灌機(jī)固定。試驗(yàn)中主要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)為各點(diǎn)處的壓強(qiáng)水頭與噴灌機(jī)入口處的流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在筆記本電腦中保存顯示，保存間隔為1 s，單組試驗(yàn)進(jìn)行3 min。在本文中，將使用MATLAB 編程對(duì)所得到的瞬時(shí)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到每組試驗(yàn)中各位置壓強(qiáng)水頭的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水源非穩(wěn)定性研究

本文中的非穩(wěn)定供水相較于正常的穩(wěn)定供水工況，其主要的特征為波動(dòng)的幅度較大，且隨機(jī)性較強(qiáng)。選取了6 mm 噴嘴、變頻泵未運(yùn)行的試驗(yàn)組中噴灌機(jī)入口處的瞬時(shí)壓強(qiáng)與試驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得的普遍情況下的穩(wěn)定的瞬時(shí)壓強(qiáng)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2。

在圖2 中，常規(guī)穩(wěn)定供水得到的壓強(qiáng)水頭并非為一條直線，也存在小幅度的波動(dòng)，但其變化幅度較小，其平均值為2.63 m，整體變異系數(shù)為0.56%，在試驗(yàn)與計(jì)算中常按照恒定流來(lái)處理。而本研究中的非穩(wěn)定供水，其壓強(qiáng)水頭變化幅度較大，且變化幅度較為隨機(jī)，平均壓強(qiáng)水頭為2.61 m，與穩(wěn)定供水情況相近，但其平均振幅達(dá)到了0.15 m，最大振幅達(dá)到了0.32 m，變異系數(shù)為4.91%。其他噴嘴尺寸下噴灌機(jī)入口處的各組壓強(qiáng)水頭情況見(jiàn)表2。

表2 變頻泵未運(yùn)行時(shí)入口壓強(qiáng)水頭數(shù)據(jù)Tab.2 Inlet pressure data when the inverter pump is not running

圖2 6 mm噴嘴噴灌機(jī)入口處瞬時(shí)壓強(qiáng)分布Fig.2 Instantaneous pressure time distribution at the inlet of 6 mm nozzle sprinkler

當(dāng)噴嘴尺寸增大時(shí)，噴灌機(jī)入口處的平均壓強(qiáng)與平均振幅均有小幅提升，同時(shí)變異系數(shù)的增大較為明顯。為進(jìn)一步研究噴灌機(jī)入口處壓強(qiáng)變化，將對(duì)變頻泵開(kāi)啟后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

非穩(wěn)定水源的一項(xiàng)重要水力特性就是平均壓強(qiáng)水頭，其數(shù)值大小決定了噴灌機(jī)整體的運(yùn)行效果。在本試驗(yàn)中，影響因素主要為噴嘴尺寸以及變頻泵運(yùn)行頻率，變頻泵運(yùn)行后噴灌機(jī)入口處平均壓強(qiáng)水頭的變化見(jiàn)圖3。

圖3 噴灌機(jī)入口處平均壓強(qiáng)水頭變化Fig.3 Average pressure head variation at sprinkler inlet

從圖3可以看出，噴灌機(jī)入口處的平均壓強(qiáng)水頭隨變頻泵運(yùn)行頻率的提升而增大，但平均壓強(qiáng)水頭的增長(zhǎng)幅度隨噴嘴尺寸的增大而逐漸減小，噴灌機(jī)入口處平均壓強(qiáng)水頭從0 Hz到40 Hz的增長(zhǎng)數(shù)值分別為：5.41、3.82、2.69、2.17、1.80 m。同時(shí)變頻泵在35 Hz 與40 Hz 頻率運(yùn)行時(shí)，各噴嘴尺寸下的噴灌機(jī)入口平均壓強(qiáng)較為接近，這主要與噴灌機(jī)入口處的流量有關(guān)，其流量變化見(jiàn)表3。

在表3 中，各個(gè)噴嘴尺寸下，當(dāng)變頻泵運(yùn)行頻率相同時(shí)，噴灌機(jī)入口流量也基本一致，同時(shí)隨著變頻泵運(yùn)行頻率的提升，噴灌機(jī)入口的流量也逐漸增大，但當(dāng)運(yùn)行頻率為35 Hz、40 Hz 時(shí)流量較為接近，此時(shí)已達(dá)到給水栓所能提供的最大流量，無(wú)法繼續(xù)提升。

表3 變頻泵入口處流量變化 m3/hTab.3 Variation of flow rate at the inlet of the variable frequency pump

對(duì)于水源的波動(dòng)特性，本文中主要對(duì)波動(dòng)平均壓強(qiáng)水頭振幅進(jìn)行分析，平均壓強(qiáng)水頭振幅計(jì)算方法見(jiàn)下式[5]。

通過(guò)公式(1)和(2)計(jì)算處理后各組試驗(yàn)中噴灌機(jī)入口處的平均壓強(qiáng)水頭振幅隨變頻泵運(yùn)行頻率的分布見(jiàn)圖4。

圖4 噴灌機(jī)入口處平均壓強(qiáng)水頭振幅變化Fig.4 Variation of average pressure head amplitude at sprinkler inlet

隨著變頻泵運(yùn)行頻率的提升，平均壓強(qiáng)水頭振幅呈先小幅度減小后增大的趨勢(shì)。變頻泵未運(yùn)行時(shí)，其波動(dòng)均來(lái)自于給水栓的自身波動(dòng)；變頻泵低頻運(yùn)行時(shí)（15～30 Hz），其平均波動(dòng)振幅減小，變頻泵起到調(diào)節(jié)效果；當(dāng)變頻泵頻率為35 Hz與40 Hz時(shí)，整體振幅明顯增大，此時(shí)由于水源流量無(wú)法滿足噴灌機(jī)的工作需求，導(dǎo)致整體波動(dòng)增大。同時(shí)噴嘴尺寸對(duì)于噴灌機(jī)入口處振幅變化的影響較小，當(dāng)噴嘴尺寸增大時(shí)，0～25 Hz階段內(nèi)振幅減小幅度越大，但在30～40 Hz階段內(nèi)增長(zhǎng)幅度較為接近。

根據(jù)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)以及處理得到的平均壓強(qiáng)與平均壓強(qiáng)振幅數(shù)據(jù)，并結(jié)合噴灌機(jī)入口流量等其他參數(shù)，能夠得到噴灌機(jī)入口處平均壓強(qiáng)水頭與平均壓強(qiáng)水頭振幅的擬合模型。對(duì)于入口處平均壓強(qiáng)水頭的擬合，選取平均入口流速與噴嘴尺寸作為自變量，通過(guò)MATLAB 軟件擬合得到其數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)下式[11]。

對(duì)于入口處的平均壓強(qiáng)水頭振幅的擬合，選取入口流速、噴嘴尺寸、平均壓強(qiáng)水頭作為自變量，采用同樣的方式進(jìn)行擬合[11]，見(jiàn)下式：

將擬合結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖5。入口處的平均壓強(qiáng)水頭與平均壓強(qiáng)水頭振幅的擬合結(jié)果與實(shí)際較為接近，具有一定的代表性。

圖5 噴灌機(jī)入口處壓強(qiáng)水頭擬合驗(yàn)證Fig.5 Verification of pressure head fitting at sprinkler inlet

2.2 噴灌機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)分布規(guī)律研究

前文分析了噴灌機(jī)入口處的壓強(qiáng)變化，由于噴灌機(jī)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，故僅對(duì)噴灌機(jī)內(nèi)部單側(cè)管道的壓強(qiáng)分布進(jìn)行研究。首先針對(duì)在不同噴嘴尺寸下噴灌機(jī)內(nèi)部各位置處的平均壓強(qiáng)及平均壓強(qiáng)損失進(jìn)行對(duì)比分析，選取了噴嘴尺寸6 mm與9 mm配置下噴灌機(jī)內(nèi)的平均壓強(qiáng)水頭的分布情況，見(jiàn)圖6。圖6 展示的監(jiān)測(cè)位置分別為噴灌機(jī)入口、出流管入口以及出流管中距入口不同距離的各測(cè)點(diǎn)。

圖6 噴灌機(jī)內(nèi)部平均壓強(qiáng)水頭分布Fig.6 Average pressure head distribution inside sprinkler

圖6不同配置下各組內(nèi)噴灌機(jī)內(nèi)部的壓強(qiáng)分布規(guī)律較為一致，整體壓強(qiáng)大小與變頻泵運(yùn)行頻率呈正相關(guān)關(guān)系，且當(dāng)噴嘴尺寸變大后，變頻泵對(duì)噴灌機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)的提升效果變小。為進(jìn)一步觀察噴嘴尺寸對(duì)于噴灌機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)水頭分布的影響，選取了變頻泵運(yùn)行頻率25 Hz下不同噴嘴尺寸配置的壓強(qiáng)水頭分布進(jìn)行比較，見(jiàn)圖7。

圖7 噴嘴尺寸對(duì)管內(nèi)平均壓強(qiáng)水頭分布影響Fig.7 Effect of nozzle size on the average pressure head distribution in the tube

當(dāng)變頻泵運(yùn)行頻率不變而增大噴嘴尺寸時(shí)，噴灌機(jī)內(nèi)的壓強(qiáng)水頭逐漸降低，同時(shí)各組內(nèi)的水頭損失規(guī)律也相近，在進(jìn)口段內(nèi)由于連接管件較多，水頭損失較大，而在出流段，每組平均壓強(qiáng)損失較小。噴嘴尺寸與變頻泵運(yùn)行頻率對(duì)平均壓強(qiáng)損失的影響，見(jiàn)圖8。

圖8 中，當(dāng)變頻泵運(yùn)行頻率較小（0、15、20 Hz）時(shí)，各尺寸下的平均壓強(qiáng)損失隨著噴嘴尺寸的增大而增大。但隨著頻率的升高，各噴嘴尺寸下的平均壓強(qiáng)損失的差距逐漸減小。為進(jìn)一步探究管道內(nèi)的平均壓強(qiáng)整體損失情況，根據(jù)Zhang Kai[11]與E.B懷利[12]的分析方法，對(duì)從噴灌機(jī)入口至出流段尾端的損失量進(jìn)行數(shù)值擬合，以噴灌機(jī)入口流速，噴灌機(jī)入口平均壓強(qiáng)、噴嘴尺寸、及管道內(nèi)位置為自變量，得到噴灌機(jī)兩段的平均壓強(qiáng)水頭損失，見(jiàn)下式：

圖8 噴灌機(jī)總平均壓強(qiáng)水頭損失Fig.8 Sprinkler total average pressure head loss

對(duì)于波動(dòng)特性中的平均壓強(qiáng)振幅這個(gè)指標(biāo)，噴灌機(jī)內(nèi)的分布與平均壓強(qiáng)規(guī)律相近，平均壓強(qiáng)水頭振幅在噴灌機(jī)內(nèi)的分布情況見(jiàn)圖9。

圖9 噴灌機(jī)內(nèi)部平均壓強(qiáng)水頭振幅分布Fig.9 Average pressure head amplitude distribution inside sprinkler

從圖9發(fā)現(xiàn)，平均壓強(qiáng)水頭振幅在入口段的損失較大，進(jìn)入出流段后，損失量較小。噴灌機(jī)內(nèi)部的平均壓強(qiáng)水頭振幅隨變頻泵運(yùn)行頻率提升呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。為了觀察噴嘴尺寸對(duì)平均壓強(qiáng)振幅的影響，在圖10 展示變頻泵運(yùn)行頻率為25 Hz 時(shí)不同噴嘴尺寸下平均壓強(qiáng)水頭振幅的分布情況。

從圖10 可以發(fā)現(xiàn)不同噴嘴尺寸下的壓強(qiáng)水頭振幅的分布較為接近，具體的損失規(guī)律可以采用數(shù)值擬合的方式建立對(duì)于噴灌機(jī)內(nèi)平均振幅損失的分布模型。同樣對(duì)噴灌機(jī)內(nèi)部進(jìn)行分段處理，得到入口段與出流段的平均壓強(qiáng)振幅損失的分布模型[13]，見(jiàn)下式：

為驗(yàn)證擬合效果，以6 mm 尺寸噴嘴、變頻泵運(yùn)行頻率20 Hz 下的平均壓強(qiáng)水頭損失與平均壓強(qiáng)水頭振幅損失為例，將擬合數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖11，結(jié)果顯示整體擬合度較好，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖11 噴灌機(jī)內(nèi)部壓強(qiáng)水頭損失擬合驗(yàn)證Fig.11 Sprinkler internal pressure head decay fitting validation

3 結(jié) 論

本文主要目的是研究在水源不穩(wěn)定情況下，噴灌機(jī)入口以及內(nèi)部的壓強(qiáng)變化規(guī)律，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理分析，得到如下結(jié)論：

（1）本研究使用的水源隨機(jī)波動(dòng)性較強(qiáng)，當(dāng)變頻泵未運(yùn)行時(shí)，噴灌機(jī)入口處的壓強(qiáng)的變異系數(shù)最大達(dá)到了10.72%。

（2）變頻泵運(yùn)行頻率固定時(shí)，噴灌機(jī)入口處的平均壓強(qiáng)隨著噴嘴尺寸的增大而減??；平均壓強(qiáng)振幅受?chē)娮斐叽缬绊戄^小。噴灌機(jī)入口處平均壓強(qiáng)隨變頻泵運(yùn)行頻率的增大而增大；平均壓強(qiáng)振幅則呈先減小后增大的趨勢(shì)。

（3）在噴灌機(jī)內(nèi)部，增大噴嘴尺寸時(shí)，管道內(nèi)平均壓強(qiáng)逐漸降低；平均壓強(qiáng)振幅變化較不明顯。水泵運(yùn)行頻率對(duì)平均壓強(qiáng)與平均壓強(qiáng)振幅的影響與噴灌機(jī)入口一致。

（4）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立噴灌機(jī)入口及噴灌機(jī)內(nèi)部的平均壓強(qiáng)與平均壓強(qiáng)振幅的擬合模型，經(jīng)對(duì)比驗(yàn)證擬合精度較高。