射流脈沖噴頭驅(qū)動板結(jié)構(gòu)優(yōu)化對噴頭性能的影響研究

黃建翔，王新坤，姚吉成，顏海蘭，韓曉樂，孟天舒

（1.江蘇大學(xué)流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.徐州市水利工程建設(shè)管理中心，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

近年來，節(jié)水灌溉技術(shù)是一種兼具節(jié)水與作物增產(chǎn)提質(zhì)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)[1-3]，其中噴灌應(yīng)用最為廣泛，具有適應(yīng)性強、節(jié)水效果顯著、節(jié)省人力、安裝使用方便等諸多優(yōu)點。目前，我國農(nóng)業(yè)噴灌中應(yīng)用最為廣泛的是搖臂式噴頭，搖臂式噴頭按結(jié)構(gòu)可分為單噴嘴和雙噴嘴搖臂式噴頭[4]，2 種構(gòu)造的搖臂式噴頭均是通過高速射流沖擊驅(qū)動機構(gòu)[5-7]，驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)動帶動彈簧壓縮蓄力、彈簧復(fù)位釋放能量推動驅(qū)動機構(gòu)反轉(zhuǎn)撞擊噴管，實現(xiàn)噴頭的步進旋轉(zhuǎn)。該噴頭具有射程遠(yuǎn)[8-10]、組合噴灑均勻性高[11-13]、適應(yīng)性強等優(yōu)點，但存在驅(qū)動機構(gòu)復(fù)雜，彈簧易腐蝕老化的缺陷。

王新坤[14]利用射流附壁作用在毛管內(nèi)形成脈沖水流設(shè)計發(fā)明了一種射流三通，增強了灌水器的抗堵塞能力與灌水均勻性。許鵬[15]等通過對不同進口寬度下的射流元件進行滴灌試驗，結(jié)果表明射流進口寬度越大，壓力波動也越大，但脈沖頻率會隨之減小。樊二東[16]等通過數(shù)值模擬與水力性能試驗相結(jié)合的方法，對射流元件的進口寬度進行分析，得到了最優(yōu)脈沖特性下的射流元件進口寬度。徐勝榮[17]等對射流脈沖噴頭進行了初步數(shù)值模擬研究，分析了其內(nèi)部壓力 水流的流動特點，并加工樣機進行了水力性能試驗。王新坤[18-20]等應(yīng)用了射流脈沖噴頭的CFD 數(shù)值模擬方法，通過正交試驗得到了一種較優(yōu)的脈沖噴頭流道結(jié)構(gòu)，并與搖臂式噴頭進行了水力性能對比試驗。張晨曦[21]設(shè)計了一種多彎曲齒槽驅(qū)動板，并對驅(qū)動板進行了單因素水力性能試驗。王新坤等對不同噴管長度、不同噴管仰角下的射流脈沖噴頭進行了水力性能試驗，得到了噴管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流脈沖噴頭水力性能的影響規(guī)律。噴頭是噴灌技術(shù)的核心，其性能的好壞直接決定噴灌工程的整體噴灑效果與工程造價。為了提升其水力性能，研究人員進行了許多研究,但前人僅對長方形驅(qū)動板對噴頭水量分布進行針對性研究，未考慮驅(qū)動板形狀對于水量分布的影響研究，實際情況下，驅(qū)動板形狀對水量分布的影響是一個多因素綜合的復(fù)雜過程，研究應(yīng)綜合考慮所有相關(guān)結(jié)構(gòu)影響因素。因此，本文針對射流脈沖噴頭副噴嘴驅(qū)動板進行了整體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，該噴頭基于射流附壁切換技術(shù)設(shè)計，通過高速脈沖水流間歇沖擊驅(qū)動板來實現(xiàn)噴頭的步進、旋轉(zhuǎn)和調(diào)節(jié)水量分布，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單、射程遠(yuǎn)、噴灑均勻度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，并對水量分布、噴灌均勻性等水力性能影響進行研究，為后續(xù)噴頭開發(fā)和應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 “爪形”驅(qū)動板

對于射流脈沖噴頭，噴嘴是噴頭的重要部件，分為主噴嘴和副噴嘴。主噴嘴主要與噴頭射程相關(guān)，副噴嘴主擔(dān)噴頭驅(qū)動和調(diào)節(jié)水量分布的作用。根據(jù)脈沖射流“駝峰式”水量分布特點，設(shè)計了“爪形”驅(qū)動板，如圖1 所示。對于“爪形”驅(qū)動板，一方面，水流沖擊時一部分水流會沖擊中間部分，驅(qū)動噴頭轉(zhuǎn)動，同時水流受到偏轉(zhuǎn)作用噴灑至近處，提高近處水量；另一方面，會有2股水流從左右爪間空隙中直射出去，進而保證噴頭中遠(yuǎn)程水量，以改善射流脈沖噴頭在中遠(yuǎn)處的凹形水量分布。

圖1 “爪形”驅(qū)動板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 "Claw type" drive plate structure

1.2 試驗材料

射流元件是影響射流脈沖噴頭脈沖形成的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。本文在前人研究基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬方法，進一步優(yōu)化了射流元件結(jié)構(gòu)，根據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合進行樣機加工。為提高加工精度，保證噴頭的流道完整一體性，將射流元件、漸變彎管和噴管進行組合一體化加工。為能夠更好地觀察噴頭內(nèi)部流動，加工材料采用透明有機玻璃。射流元件進口處通過內(nèi)螺紋與旋轉(zhuǎn)空心軸連接，噴管出口與噴嘴采用外螺紋連接，其二維示圖如圖2所示，加工實物如圖3所示。

圖2 射流元件剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the two-dimensional structure of the jet original

圖3 射流元件加工實物示意圖Fig.3 Physical image of the jet Original

試驗樣機主要包括射流元件、彎頭與噴管組合體，旋轉(zhuǎn)密封機構(gòu)，主噴嘴，副噴嘴與驅(qū)動板，透明橡膠控制管等部件，各部件具體尺寸如表1所示。

表1 射流脈沖噴頭流道基本結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Basic structure size of the flow channel of the negative pressure feedback jet sprinkler

1.3 噴灑試驗設(shè)計

試驗于2021年10月-2022年1月在江蘇大學(xué)圓形噴灌大廳中進行，分別對多種參數(shù)組合的驅(qū)動板噴頭進行水力性能測試，試驗設(shè)計參照《旋轉(zhuǎn)式噴頭水量分布均勻性和試驗方法》GB/T 19795.2-2005[22]。試驗中通過皮卷尺標(biāo)定距離，將雨量筒沿噴頭兩側(cè)按照1.0 m 間距徑向擺放。為提高試驗精度，在0～1.0 m 間，雨量筒按照0.5 m 間距擺放，且雨量筒徑向擺放距離超過噴頭最大射程。噴頭安裝高度為1.2 m，壓力表與噴頭位于同一高度，渦輪流量計安裝在離心泵出口處。試驗場地平整，最大坡度小于1%，室內(nèi)無風(fēng)。試驗過程中，調(diào)節(jié)閥門使得壓力表壓力為0.15、0.20、0.25 和0.30 MPa，渦輪電子流量計記錄噴頭流量，雨量筒測量水深，噴頭每次噴灑時間為20 min。為保證試驗精度，每組試驗均重復(fù)進行3次，并對比試驗數(shù)據(jù)檢查所測徑向水量數(shù)據(jù)變化趨勢，最后對3 次試驗數(shù)據(jù)取算術(shù)均值。具體噴灑試驗現(xiàn)場如圖4 所示。由于噴頭射程較遠(yuǎn)，為保證拍攝效果，噴灑現(xiàn)場僅拍攝一側(cè)雨量筒與噴頭。

圖4 噴灑試驗現(xiàn)場Fig.4 Spray test site photos

2 “爪形”驅(qū)動板正交試驗

2.1 水量分布評價方法

由于驅(qū)動板只影響水量[23]分布而不影響射程，并且噴灌均勻度可以量化水量分布的好壞，故采用噴灌均勻度為評價水量分布的指標(biāo)，選用克里斯琴森均勻度計算噴頭組合均勻度[24]，計算公式如下：

式中：Cu為克里斯琴森均勻度，%；hm為各雨量筒讀數(shù)的平均值，mm；hi為第i個雨量筒的讀數(shù)，mm；n為測點數(shù)目。

對于旋轉(zhuǎn)均勻、性能穩(wěn)定的噴頭，噴灌均勻度可基于單噴頭徑向水量，通過MATLAB[25]等編程軟件計算得到，也可以通過多噴頭組合試驗實際測量計算得到。由于試驗場地條件限制，本文采用前者。試驗假設(shè)噴頭采取正方形的布置方式，R≥組合間距≥R（R為射程），試驗測得單噴頭的徑向水量分布后，結(jié)合理論計算方法，利用MATLAB 軟件編程計算得到最優(yōu)噴灑水量均勻度。

2.2 正交試驗設(shè)計

“爪形”驅(qū)動板結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮驅(qū)動板傾角、驅(qū)動板長度、驅(qū)動板寬度、三角形擋板底寬4 個主要因素，分別用A、B、C、D表示。驅(qū)動板傾角越大，三角擋板與噴嘴出射水流接觸面積越大，射流打擊能力也越強，噴頭的驅(qū)動力也越大，同時水流受傾斜角度的影響在噴頭近處噴灑較多。驅(qū)動板長度越長，三角形擋板的腰長也越長，與噴嘴出射水流接觸面積在一定程度上減小，同時對噴嘴出射水流的分散作用越顯著，同時兩側(cè)爪間空隙也越大，兩側(cè)射流量增加，噴頭水量可更多地噴灑向中遠(yuǎn)程。驅(qū)動板寬度不能過大或過小，寬度過小，導(dǎo)致噴嘴出射水流與擋板接觸面積過小，噴頭無法驅(qū)動；寬度過大，噴嘴出射水流沖擊后分散嚴(yán)重，導(dǎo)致出射距離縮短。三角形擋板底寬決定著主射流的沖擊面積，擋板底寬越小，主射流與擋板接觸面積越小，驅(qū)動力也越小，同時三角擋板底寬也決定著兩側(cè)爪間間隙的出射水量。本文在前期研究的驅(qū)動板傾角設(shè)計經(jīng)驗以及搖臂式噴頭設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用正交試驗方法設(shè)計了9種“爪形”驅(qū)動板結(jié)構(gòu)進行研究，因素水平和具體試驗方案設(shè)計如表2 和表3 所示，試驗中噴頭工作壓力為0.20 MPa。

表2 因素水平Tab.2 Level of factors in orthogonal experiments

表3 試驗方案Tab.3 Orthogonal test scheme table

通過三維建模得到9 種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的“爪形”驅(qū)動板。為節(jié)省試驗成本，提高加工速度，副噴嘴和驅(qū)動板加工采用3D 打印，材料選用光敏樹脂，材料強度與加工精度均滿足試驗要求。圖5為“爪形”驅(qū)動板三維模型與實物示意圖。

圖5 “爪形”驅(qū)動板三維模型與實物示意圖Fig.5 Three-dimensional model and physical image of "claw type"drive plate

2.3 正交試驗設(shè)計

正交試驗得到的9種不同結(jié)構(gòu)“爪形”驅(qū)動板的射流脈沖噴頭徑向水量分布如圖6 所示?？梢钥闯觯囼? 外，其他8 組水量分布均呈現(xiàn)一高一低“雙駝峰”分布，近處水量較少，“雙駝峰”分布主要與射流脈沖噴頭的脈沖出射和副噴嘴驅(qū)動板的結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)。對于“爪形”驅(qū)動板，其“爪形”結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)致其與副噴嘴出射水流接觸面積較小，因此偏轉(zhuǎn)近處的水量較少，同時很大一部分水流會沿爪間間隙射向中程，進一步加劇近處水量的不足。隨著驅(qū)動板傾角、三角驅(qū)動板底寬和驅(qū)動板長度的增加，驅(qū)動板與副噴嘴出射水流接觸面積增加，近處水量有所增加，這說明對于“爪形”驅(qū)動板而言，驅(qū)動板傾角、三角形檔板底寬和驅(qū)動板長度的增加有助于提高近處水量分布。近處的“水峰”主要是由于“爪間間隙”出射的水流引起的，由于中間三角形擋板對主射流的分散作用，導(dǎo)致“爪間間隙”出射水流破碎加劇，因此引起距離噴頭5.0 m 左右處水量驟增。距離8.0～10.0 m 處的水量“凹峰”一方面是由于中間三角形擋板的分散左右引起射流破碎加劇，射程降低，無法給予水分補給；另一方面，主噴嘴的射流在8.0～10.0 m處的破碎分布也較少。綜合作用導(dǎo)致噴頭中程水量不足。對于距離噴頭12.0 m 左右的水量“凸峰”其形成主要與射流脈沖噴頭的脈沖出射相關(guān)，由于副噴嘴射程較近，此處水流驟增主要與主噴嘴的脈沖出射水流破碎分布特性有關(guān)。而對于射流脈沖噴頭其主噴嘴射流出射存在2個狀態(tài)：一是出口壓力最大的情況，此時噴頭射程最遠(yuǎn)；二是出口壓力最小的情況，噴頭在這個2 個狀態(tài)下連續(xù)周期性切換，導(dǎo)致主噴嘴遠(yuǎn)端射流呈現(xiàn)“近”“遠(yuǎn)”交替噴灑的特點。因此引起距離噴頭12.0 m 左右處水量的驟增；理論分析也與實際情況相符合，圖6中各中遠(yuǎn)處水量“凸峰”基本相同，不受副噴嘴驅(qū)動板結(jié)構(gòu)影響。

圖6 安裝不同“爪形”結(jié)構(gòu)驅(qū)動板噴頭水量分布Fig.6 Sprinkler water distribution diagram withinstallation of different"claw-type" structure

圖6 中僅第1 組和第5 組近處水量分布較少，這主要是由于第1 組和第5 組的三角形擋板過小，造成偏轉(zhuǎn)至近處的水流較少；而對于第9組，其三角形擋板底寬與第1和第5組相同，但其驅(qū)動板傾角和驅(qū)動板長度與寬度較大，一定程度上增加了射流偏轉(zhuǎn)近處的水量；第8組近處水量分布最多，這主要是由于其驅(qū)動板傾角、三角形擋板底寬均較大，使射流偏轉(zhuǎn)近處水量多。由于驅(qū)動板結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目的是改善噴頭徑向水量分布，提高噴灌均勻度，因此對于驅(qū)動板的正交試驗選擇噴灌均勻度為評價指標(biāo)，噴灌均勻度越高，性能越好。均勻度計算假設(shè)噴頭按照常見的正方形布置形式，根據(jù)旋轉(zhuǎn)噴頭噴灌均勻度計算方法，采用MATLAB 軟件編程，設(shè)置每隔0.01R（R為射程）組合間距計算一次噴灌均勻度，最后自動篩選出噴灌均勻度最大值。計算結(jié)果如表4所示，噴灌均勻度的變化范圍為72.89%～82.10%，其中第8 組試驗噴灌均勻度最高為82.10%，且除去第6 組，其他試驗組噴灌均勻度均大于噴灌工程技術(shù)規(guī)范GB/T 50085-2007[26]規(guī)定的噴灌均勻度最低值75%。

表4 試驗結(jié)果Tab.4 Test cases in orthogonal experime

可以看出，“爪形”驅(qū)動板的各結(jié)構(gòu)因素對射流脈沖噴頭噴灌度影響的主次順序為DBAC，即三角形擋板底寬、驅(qū)動板長度、驅(qū)動板傾角、驅(qū)動板寬度；設(shè)計區(qū)間內(nèi)最優(yōu)結(jié)構(gòu)為：三角形擋板底寬7 mm、驅(qū)動板長度18 mm、驅(qū)動板傾角14°、驅(qū)動板寬度11 mm。

2.4 “爪形”驅(qū)動板不同壓力下水量分布對比試驗

0.15～0.30 MPa 下的“爪形”驅(qū)動板的射流脈沖噴頭以及搖臂式噴頭徑向水量分布如圖7 所示?！白π巍毙聡婎^在4 種進口壓力下的水量分布均呈現(xiàn)“雙駝峰”形狀，且隨著進口壓力增加，駝峰逐漸變緩，這主要是由于隨著進口壓力的增加，射流在空中的集中性變差，破碎加劇，一定程度上減小了水量分布的差距。搖臂式噴頭在不同進口壓力下的徑向水量分布整體呈近處水量少，中遠(yuǎn)處水量呈現(xiàn)類“三角形”。

圖7 不同壓力下噴頭水量分布對比Fig.7 Comparison chart of water volume distribution of sprinklers under different pressures

2.5 噴灌均勻度

由圖8 可以看出：在0.15～0.30 MPa 的進口壓力下，安裝“爪形”驅(qū)動板優(yōu)化后射流脈沖噴頭與搖臂式噴頭的噴灌均勻度隨著進口壓力的增加，整體均呈現(xiàn)遞增趨勢；“爪形”新噴頭噴灌均勻度變化范圍為81.96%～90.81%，搖臂式噴頭均勻度變化范圍為73.08%～85.36%，“爪形”新噴頭噴灌均勻度比搖臂式噴頭高3.75%～12.15%。綜合分析表明“爪形”驅(qū)動板結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理，對噴頭水力性能改善顯著。

圖8 不同噴頭噴灌均勻度對比Fig.8 Comparison of the uniformity of sprinkler irrigation with different sprinklers

3 結(jié) 論

（1）正交試驗結(jié)果表明，針對“爪形”驅(qū)動板，9組試驗結(jié)果水量分布均呈“雙駝峰”形狀，噴灌均勻度變化范圍72.89%～82.10%。

（2）各結(jié)構(gòu)因素對噴灌均勻度影響的順序為三角形擋板底寬、驅(qū)動板長度、驅(qū)動板傾角、驅(qū)動板寬度。驅(qū)動板傾角在14°～18°內(nèi)變化時，角度為14°時均勻度最佳，均勻度隨驅(qū)動板傾角增加呈先減后增趨勢。驅(qū)動板長度在16～20 mm 內(nèi)變化時，長度為18 mm時均勻度最佳，驅(qū)動板長度遠(yuǎn)離18 mm時均勻度均減小。驅(qū)動板寬度在9～11 mm 內(nèi)變化時，寬度為11 mm 均勻度最佳，均勻度隨驅(qū)動板寬度增加呈先減后增趨勢。三角形檔板底寬在3～7 mm 內(nèi)變化時，底為7 mm 時均勻度最佳，均勻度隨三角形擋板底寬的增加呈先減后增趨勢。

（3）“爪形”驅(qū)動板各結(jié)構(gòu)因素最優(yōu)結(jié)構(gòu)為：三角形擋板底寬7 mm、驅(qū)動板長度18 mm、驅(qū)動板傾角14°、驅(qū)動板寬度11 mm。

后續(xù)研究可以針對驅(qū)動板齒槽曲率半徑和齒槽深度進行試驗研究，探究驅(qū)動板齒槽曲率半徑和齒槽深度對負(fù)壓射流脈沖噴頭性能的影響，同時正交試驗結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法具有一定的局限性，在后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中可考慮采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等其他優(yōu)化方法來進行噴頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。