方形噴嘴的中低壓噴灑水滴性能試驗研究

華琳，李紅，蔣躍，秦龍?zhí)?/p>

?灌溉技術(shù)與裝備?

方形噴嘴的中低壓噴灑水滴性能試驗研究

華琳，李紅*，蔣躍，秦龍?zhí)?/p>

（江蘇大學 流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

【目的】研究噴嘴出口形狀和散水結(jié)構(gòu)對噴灑水滴特性的影響?！痉椒ā客ㄟ^視頻雨滴譜儀測量了方形噴嘴在有無搖臂結(jié)構(gòu)下的噴灑水滴特性。以圓形噴嘴作為對照組，分析了中低壓下噴嘴形狀對噴灑水滴直徑分布、噴灌強度和動能強度等水力性能的影響，對比了搖臂結(jié)構(gòu)對改善方形噴嘴噴灑性能的效果?！窘Y(jié)果】在中低壓條件下，方形噴嘴和圓形噴嘴的噴灑效果相似。方形噴孔對噴灑水量分布的改善效果不顯著，水量主要集中在73%射程處。在近噴頭的噴灌范圍內(nèi)，方形噴孔產(chǎn)生的水滴直徑和動能均比圓形噴孔產(chǎn)生的水滴大，將方形噴嘴結(jié)合搖臂等輔助散水結(jié)構(gòu)可以加強水射流分散程度的同時降低射程末端水滴打擊動能?！窘Y(jié)論】因此，輔助散水結(jié)構(gòu)可以改善方形噴孔產(chǎn)生的水滴直徑大、動能強度大的缺點，既保留高散水性能又降低水滴對土壤和作物的傷害。該研究對于中低壓噴灌系統(tǒng)的噴嘴結(jié)構(gòu)設計具有參考價值。

方形噴嘴；中低壓噴灌；噴灌；水力性能；粒徑分布；動能強度

0 引言

【研究意義】降低灌溉系統(tǒng)的運行壓力并保持灌溉質(zhì)量是節(jié)水節(jié)能增產(chǎn)的重要途徑[1-2]。降低系統(tǒng)運行壓力至噴頭正常運行壓力范圍以外會損耗噴頭的水力性能，降低灌溉均勻度和射程。通過副噴嘴、扭曲流道、異形噴嘴以及散水結(jié)構(gòu)等均可以改善噴頭的水力性能[3]。異形噴嘴是指噴頭的出水孔口形狀為非圓形的一系列噴嘴，通過增強對水射流的擾動，加劇射流的失穩(wěn)破碎，改善射流的霧化程度，提高噴灌水量分布的均勻性[4]。其中，方形噴孔在噴灌噴頭中得到了廣泛應用，可以有效改善噴頭的水量分布均勻性和噴灑水滴直徑大小[5]。【研究進展】蔣躍等[6]針對搖臂噴頭設計了三角形和正方形異形噴嘴，并對其進行高速攝影試驗研究，指出異形噴嘴的射流破碎段長度小于圓形噴嘴，霧化效果更好。在此基礎(chǔ)上，周小引等[7]進一步對其進行水力性能試驗研究，指出異形噴嘴的組合噴灌均勻性好于圓形噴嘴。魏洋洋等[8]在搖臂噴頭的基礎(chǔ)上設計了變量異形噴嘴并進行水力性能試驗研究，指出異形噴嘴的末端水滴直徑比圓形小，通過調(diào)節(jié)噴嘴出口面積可以實現(xiàn)噴頭的變域噴灑。

噴灌水滴灑落到地面上浸潤土壤，為作物提供水分和養(yǎng)料。噴灑水滴的分布是噴灌噴頭的重要水力性能之一。噴灑水滴直徑和動能是噴灌系統(tǒng)的重要評價指標，反映水滴對土壤結(jié)構(gòu)的破壞作用和灌溉水在土壤中的入滲效果。噴灑水滴直徑較小時，噴灌抗風性差，容易產(chǎn)生水分漂移，導致水量在地表及地表以下的再分配不均勻。噴灑水滴直徑較大時，水滴對作物幼苗造成損害，土壤表面容易結(jié)皮，不利于水分入滲，形成徑流和水土流失等問題。對液滴直徑的測量方法包括面粉法、色斑法、雨滴譜儀以及攝像法等。李久生等[9]采用面粉法測量異形噴嘴產(chǎn)生的水滴直徑，通過計算得到水滴動能。但其水滴動能是通過運動方程間接得到，結(jié)果的精度難以保證。Ge等[10]采用雨滴譜儀技術(shù)分析了Nelson低壓噴頭液滴的直徑、速度、落地角度和動能等參數(shù)，并與自然降雨的雨滴特性進行對比。劉俊萍等[11]采用激光雨滴譜儀測量對比分析了全射流噴頭和搖臂式噴頭所產(chǎn)生的水滴性能，得到2種噴頭液滴直徑、頻率及累計頻率等參數(shù)的分布規(guī)律。

【切入點】由上述文獻可知，針對噴灌方形噴嘴的研究多是基于搖臂式噴頭進行的，沒有排除搖臂結(jié)構(gòu)的打擊散水作用，未能將噴孔形狀、散水部件和噴灑水滴性能之間建立相關(guān)聯(lián)系?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，本研究設計了僅有方形噴嘴與方形噴嘴輔助搖臂結(jié)構(gòu)的2種散水形式，以圓形噴嘴作為對照組，綜合分析方形噴嘴的散水特點?；诜叫螄娮?，著重分析了中低壓條件下噴孔形狀對噴頭噴灑水滴的性能影響，為中低壓異形噴灌噴嘴的結(jié)構(gòu)設計和研發(fā)應用提供了一定的參考和指導。

1 材料與方法

1.1 噴嘴結(jié)構(gòu)

采用文獻[12]中的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)等壓條件下方形噴嘴與圓形噴嘴流量相同原則得到噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖和實物

表1 噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 試驗方法

試驗場地設于江蘇大學流體機械工程技術(shù)研究中心的室內(nèi)噴灌大廳。噴嘴安裝在PY15搖臂噴頭上，噴頭噴射仰角為23°，安裝高度為1.5 m。為了研究噴嘴形狀對噴頭水力性能影響，分別開展了水量分布試驗和水滴性能試驗，具體試驗設計方案見表2。搖臂噴頭的額定運行壓力一般為200～400 kPa，因此本文將噴頭運行的中低壓設置為100、200 kPa和300 kPa。搖臂噴頭的搖臂結(jié)構(gòu)不僅提供噴頭旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力，同時對水射流有打擊分散的作用，因此僅研究噴孔形狀因素對噴灑水滴性能的影響時要排除搖臂結(jié)構(gòu)的作用。本研究自主設計一套由電機驅(qū)動齒輪傳動的勻速旋轉(zhuǎn)裝置如圖2所示，轉(zhuǎn)速為6.5 rpm，搖臂被反向固定。試驗系統(tǒng)包括：噴頭系統(tǒng)，視頻雨滴譜儀（2D-Video-Distrometer/2 DVD）（奧地利Joanneum Research公司），水泵，輸水管道，0.5級電磁流量計（DN50），0.4級壓力表和若干雨量筒等。水量分布試驗：以噴頭為中心、在噴灑圓內(nèi)均勻分布8條徑向雨量筒測試線，雨量筒間隔1 m放置，測試時間1 h，距噴頭相同距離處的水量取平均值。水滴性能試驗：如圖3所示，視頻雨滴譜儀沿噴灑圓徑向間隔1 m采樣，各測點測量時間4 min，各測點處的樣本數(shù)1 000～20 000，設置3次重復取平均值。

表2 試驗方案

圖2 噴頭樣機

圖3 試驗布置示意

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過視頻雨滴譜儀可以直接測得的水滴性能參數(shù)包括水滴直徑、速度和打擊動量等，通過公式計算處理可以得到水滴的單位體積動能、體積加權(quán)平均粒徑以及噴頭的噴灑動能強度，以反映噴灌質(zhì)量[13-15]。相關(guān)公式為：

式中：v為水滴體積加權(quán)平均直徑（mm）；為測點水滴總個數(shù)；d為第個水滴的直徑（mm）。

式中：sd為單個水滴動能（J）；為水滴密度，1 000 kg/m3；為水滴的落地速度（m/s）。

式中：ev為水滴單位體積動能（J/L）。

式中：pj為測點處的噴灌動能強度（W/m2）；I為測點處的噴灌強度由雨量筒測出（mm/h）。

2 結(jié)果與分析

2.1 體積加權(quán)粒徑和單位體積動能

圖4為沒有搖臂打擊時，不同壓力條件下噴嘴產(chǎn)生的水滴直徑沿射程方向的分布情況。結(jié)果表明，噴頭的噴灑水滴直徑沿射程方向增加，大小和噴頭壓力呈負相關(guān)。方形噴嘴僅對射程前端水滴直徑有影響。低壓100 kPa下，方形噴嘴產(chǎn)生的水滴直徑在近噴頭處約5～9 m范圍內(nèi)比圓形噴嘴的水滴直徑大，最多比圓形提升60.8%。當壓力達到中壓以上時（200～300 kPa），噴頭噴孔形狀對水滴直徑?jīng)]有影響，不同噴孔形狀的噴嘴所產(chǎn)生的水滴直徑相同。為進一步分析搖臂結(jié)構(gòu)對水滴分布的影響，圖5對比了200 kPa壓力下有無搖臂打擊作用下噴孔形狀對水滴分布的影響?？梢钥闯?，在相同條件下，搖臂的打擊散水作用增大了噴頭的噴灑水滴直徑。由于搖臂的散水位置靠近噴嘴出口，因此在噴頭2～6 m射程處的噴灑水滴體積加權(quán)平均粒徑數(shù)值波動較大。

圖4 壓力和噴灑水滴直徑的關(guān)系

圖5 200 kPa壓力下噴灑水滴直徑對比

單位體積動能可以反映噴灌水滴對土壤入滲的影響，隨著水滴動能增大，土壤水分入滲率逐漸減小，容易產(chǎn)生地表徑流[12]。根據(jù)視頻雨滴譜儀測量得到的水滴落地速度和水滴直徑大小，由式（3）可以計算得到水滴的落地動能，結(jié)果如圖6所示。水滴動能的分布與粒徑的分布規(guī)律基本一致，在低壓（100 kPa）下，噴孔形狀對噴頭射程前端的水滴動能影響較大。在7 m位置處，方形噴孔所產(chǎn)生的水滴動能比圓形噴嘴高95.9%。圖7為200 kPa下?lián)u臂打擊對水滴的單位體積動能的影響。結(jié)果表明，搖臂打擊對水射流的分散進一步增大了噴灑水滴的動能。圓形噴嘴的噴灑水滴沿程平均動能為14.1 J/L，增加搖臂打擊后的水滴沿程平均動能為15.7J/L，提高了10.2%。方形噴嘴的噴灑水滴沿程平均動能為14.7 J/L，增加了搖臂打擊后的水滴沿程平均動能為16 J/L，提高了8.1%。相比于圓形噴嘴，搖臂打擊對方形噴嘴產(chǎn)生的水滴動能的提升程度更小。因此，方形噴嘴配合搖臂打擊的方式在提升水量分布均勻性的同時產(chǎn)生地表徑流的隱患更小。

圖6 壓力和噴灑水滴動能的關(guān)系

圖7 200 kPa壓力下噴灑水滴動能對比

2.2 噴灌強度和動能強度

噴灌強度是指單位時間內(nèi)噴灑在單位面積上的水量，主要受噴頭結(jié)構(gòu)和運行壓力的影響，是衡量噴灌質(zhì)量優(yōu)劣的重要技術(shù)指標之一。圖8為中低壓下方形噴嘴和圓形噴嘴在無搖臂打擊分散射流條件下的水量分布情況?？梢钥闯觯蛪?00 kPa運行工況下噴嘴孔口形狀對水量分布幾乎沒有影響，噴灌水量只集中在11 m處，分布極不均勻。當灌溉壓力達到中壓200～300 kPa時，噴頭的沿程水量分布逐漸均勻，在靠近噴頭的噴灑區(qū)域內(nèi)方形噴孔的噴灑水量均勻性比圓形優(yōu)異。噴頭運行壓力越大，方形噴嘴的水力性能優(yōu)勢越顯著，當壓力為300 kPa時，方形噴嘴比圓形噴嘴的水量最多可以增長2.7倍。圖9顯示，搖臂打擊作用顯著增加噴頭在2～12 m射程范圍內(nèi)的水量，但會減小射程末端水量，影響噴頭射程。對于方形噴嘴，輔助搖臂打擊時射程遠端水量峰值在12 m處，無搖臂打擊時為13 m。對于圓形噴嘴，是否有搖臂打擊作用不改變遠端水量峰值的位置，均為13 m。

圖8 沿射程方向噴灌強度分布

圖9 200 kPa壓力下噴頭水量分布對比

噴灌動能強度是指單位時間單位面積內(nèi)的水滴動能大小，取決于水滴的動能及噴灌強度，是反映噴灑水滴能量分布、衡量噴灌對土壤侵蝕效果的重要指標。在圖10中，無搖臂打擊的噴頭噴灌動能強度在0～8 m射程范圍內(nèi)幾乎為0，但是在射程末端存在峰值，方形噴嘴產(chǎn)生的水滴動能強度略高于圓形噴嘴。動能強度峰值與噴灌壓力成反比，較低壓力下的噴灌容易出現(xiàn)噴灌末端的噴灌動能強度過大的現(xiàn)象，存在打傷作物、破壞地表土層等潛在威脅。圖11為200 kPa壓力下，搖臂打擊作用對噴灌水滴動能強度分布的影響。由圖11可知，在搖臂打擊下，噴嘴沿程水滴動能強度略有增大，但射程末端的水滴動能強度得到降低。圓形噴嘴末端水滴動能最大降幅達29.7%，方形噴嘴最大降幅達88.8%，表明搖臂結(jié)構(gòu)的打擊散水作用能有效減小方形噴嘴噴灌末端水滴動能強度，降低中低壓噴灌對土壤和作物的破壞程度。

圖10 沿射程方向動能強度分布

圖11 200 kPa壓力下動能強度分布對比

3 討論

3.1 視頻雨滴譜儀測量水滴參數(shù)的優(yōu)勢

噴灑水滴的直徑和速度是衡量噴頭噴灑效果的重要參數(shù)，因此對運動水滴的準確測量是關(guān)鍵。方形噴嘴的特殊出口結(jié)構(gòu)對水射流的擾動和分散作用會加劇水滴破碎程度，表現(xiàn)為水滴直徑更小、數(shù)量更多。密集水滴所產(chǎn)生的重疊影像使傳統(tǒng)的面粉法、色斑法和攝影法對水滴粒徑的測量存在較大誤差。視頻雨滴譜儀是通過2臺相機對拍攝區(qū)域內(nèi)的雨滴進行連續(xù)的線性掃描，對水滴的下落過程進行連續(xù)拍攝記錄。通過水滴的投影圖像，計算出等效球體的體積并換算出水滴直徑；通過2次連續(xù)拍攝的時間差和水滴位移計算出水滴的速度信息[16]。2 DVD視頻雨滴譜儀突破了面粉法和濾紙色斑法只能測水滴直徑的限制，也避免了激光法在測量中水滴重疊和測量區(qū)域邊界變形等嚴重影響測量精度的問題。本研究通過2 DVD雨滴譜儀對水滴的直徑和落地速度進行測量，所得試驗數(shù)據(jù)可靠，該方法在減小測量誤差的同時也降低了試驗測量難度。

3.2 方形出口和搖臂結(jié)構(gòu)的擾動作用

噴嘴結(jié)構(gòu)是影響噴頭水力性能的重要部件。其中改變噴嘴出口形狀是通過增大水射流初始段擾動來加劇破碎程度，搖臂結(jié)構(gòu)是通過添加外部打擊來加劇水射流破碎程度以增強噴頭的散水性能?，F(xiàn)有的研究[7-8,11]已經(jīng)說明異形噴嘴和散水結(jié)構(gòu)對噴頭的水力性能均有顯著影響。但是，針對噴嘴出口形狀和散水結(jié)構(gòu)這2種散水方式單獨作用于水射流和共同作用于水射流的散水效果沒有太多的對比研究。由于散水結(jié)構(gòu)也是噴頭的驅(qū)動力的來源之一，取消散水結(jié)構(gòu)的作用后無法實現(xiàn)噴頭的勻速轉(zhuǎn)動。因此，以往在研究異形噴嘴時，一般是對搖臂噴頭進行異形噴嘴替換[5-9]或者是對帶有散水盤的異形旋轉(zhuǎn)噴頭（例如Nelson R33 LP旋轉(zhuǎn)噴頭）進行試驗研究[17]。未能將異形噴嘴和散水結(jié)構(gòu)對同一種噴頭的獨立影響進行研究。本研究針對同一個噴頭分別研究噴嘴出口形狀和散水結(jié)構(gòu)這2種散水方式對噴灑水滴性能的影響。通過本研究的結(jié)論可有力證實方形噴嘴在輔助散水結(jié)構(gòu)后能更好地發(fā)揮其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，對改善噴頭噴灑具有積極作用。由于樣本數(shù)據(jù)量較大，因此本研究僅針對常用的噴灌搖臂噴頭研究了一種方形出口，為了深入研究噴嘴出口形狀對噴頭性能的影響機制，在未來的研究中要進一步設計多種噴嘴結(jié)構(gòu)，建立噴嘴形狀和水滴參數(shù)的詳細映射關(guān)系。

4 結(jié)論

1）無外部散水結(jié)構(gòu)的噴頭在中低壓下水量分布不均勻，主要集中在73%射程處。相比于圓形噴頭，方形噴嘴在射程前半段的水量高2～3倍。

2）噴嘴形狀僅影響噴頭射程前端的水滴性能，而搖臂等散水結(jié)構(gòu)對噴頭全射程范圍內(nèi)的水滴性能均有影響。搖臂結(jié)構(gòu)可以提高沿程的噴灌強度減小噴灌末端水滴的動能強度，相比于圓形噴嘴，方形噴嘴輔助散水結(jié)構(gòu)后對噴灑水滴性能的改善效果更加顯著。

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Experimental Study on Performance of Square Nozzle in Sprinkler Irrigation Systems under Low-intermediate Operating Pressure

HUA Lin, LI Hong*, JIANG Yue, QIN Longtan

(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

【Objective】The performance of sprinkler irrigation systems depends on many design factors and in this paper, we study the effect of orifice shape and the impact-arm of the nozzle on spraying characteristics when the systems are operated under low-intermediate pressure.【Method】The parameters characterizing the water droplets were measured by the 2D-dideo-distrometer. Taking the circular nozzle as the control, the effects of orifice shape on water droplet diameters, water application rate and kinetic energy intensity were measured and analyzed. We also studied the effects of the impact-arm on spraying performance of the square nozzle.【Result】The spraying characteristics of the square nozzle and circular nozzle were similar when the sprinkler irrigation system was operated under low-intermediate pressure. The orifice shape did not improve water distribution significantly, and the precipitation was mainly concentrated at the 73% range. In the regions proximal to the nozzle, the diameter and kinetic energy of the water droplets of the square nozzle were larger than that of the circular nozzle. Combining the square orifice with auxiliary water dispersing structure such as the impact-arm can enhance dissipation of the water jet and reduce the droplet kinetic energy at the out edge of the wetting area.【Conclusion】A dispersion structure combined with the square nozzles can overcome the disadvantages of large diameter and kinetic energy of water droplets, reduce the damage of the water droplets to soil and crops, and retain good hydraulic performance of the sprinkler irrigation system.

square nozzle; low-intermediate operation pressure; sprinkler irrigation; hydraulic performance; droplets diameter; kinetic energy intensity

1672 - 3317（2022）05 - 0104 - 06

S277.9+4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021348

華琳, 李紅, 蔣躍, 等. 方形噴嘴的中低壓噴灑水滴性能試驗研究[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(5): 104-109.

HUA Lin, LI Hong, JIANG Yue, et al. Experimental Study on Performance of Square Nozzle in Sprinkler Irrigation Systems under Low-intermediate Operating Pressure[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(5): 104-109.

2021-08-04

國家自然科學基金項目（51679109，51939005）；江蘇研究生科研創(chuàng)新計劃項目（KYCX21_3345）；江蘇省高等學校重點學科建設專項（PAPD-2018-87）

華琳（1994-），女，江蘇鎮(zhèn)江人。博士研究生，主要從事排灌機械及射流理論研究。E-mail: 18352862281@163.com

李紅（1967-），女，江蘇興化人。研究員，博士生導師，主要從事節(jié)水灌溉設備、泵的理論研究。E-mail: hli@ujs.edu.cn

責任編輯：趙宇龍