摇臂式喷头与全射流喷头水滴分布对比试验

摇臂式喷头(impact sprinkler,PY)出口流体为单相水,全射流喷头(complete fluidic sprinkler,PXH)出口流体为气液两相流,为了深入探索2种类型喷头水滴分布的存在规律及差别,该文采用激光雨滴谱仪测量技术对PY及PXH喷头的水滴分布进行试验研究,采用体积加权法分析了这2种喷头在工作压力为150、200、250、300和350 k Pa情况下,距喷头不同距离处的水滴频率分布、水滴累计频率及中数直径的变化规律。结果表明:1)PXH喷头水滴频率普遍小于PY喷头。PXH喷头和PY喷头水滴频率分布分别符合对数正态分布和正态分布;2)PXH喷头水滴累计频率变化更加均匀,2种喷头的水滴直径分布均符合指数函数分布规律,在距离喷头距离较小时,PXH喷头比PY喷头的拟合精度更高,在距喷头距离为4 m下,PXH喷头拟合函数的R2值较PY喷头高3.5%;3)在低压条件下距喷头不同距离时,PXH喷头的水滴分布更加连续及均匀。建立了2种喷头中数直径与工作压力及距喷头距离的函数。该结果完善了多类型喷头喷洒水力学特性,对研究射流运动模型及喷洒的外特性提供了参考。     

隙控式全射流喷头性能特点及与摇臂式喷头的比较研究

研制了一种新型旋转式喷头——隙控式全射流喷头，介绍了其结构形式及工作原理。首次对二种PX10型号的全射流喷头及一种PY210摇臂式喷头的水力性能进行了对比试验及分析。研究表明：隙控式全射流喷头的流量大于试验用PY2摇臂式喷头8％左右，射程比摇臂式喷头的射程明显加大，最大增幅达到31％。全射流喷头水量分布均匀性与摇臂式喷头相当，但末端雨滴直径小于摇臂式喷头。由于其独特的射流元件及反向机构，全射流喷头结构简单，性能优良，价格低廉，具有显著的节能效果及良好的市场前景。     

喷头导流器位置参数的计算及其对喷头性能影响

为了准确调节喷头导流器的位置,分析了垂直摇臂式喷头叶片式导流器在水射流中的运动过程,计算了导流器与摇臂转动轴间的距离、导流器中心线偏移射流中心的角度、导流器直叶片与射流中心线的夹角等3个参数各自的关系式。采用二次回归正交组合试验研究了导流器的位置参数对喷头的摇臂频率、步进角度和喷灌均匀度的影响规律。结果表明:影响摇臂频率的主次顺序依次为导流器偏移射流中心的角度、导流器直叶片与射流中心线的夹角和导流器与摇臂转轴之间的距离;影响步进角度主次顺序依次为导流器偏移射流中心的角度、导流器与摇臂转轴之间的距离和导流器直叶片与射流中心线的夹角。摇臂频率随着导流器与摇臂转轴之间的距离增大而减小,导流器偏移射流中心的角度和导流器直叶片与射流中心线夹角增大而增大;喷头的步进角度随着三者的增大而减小。优化之后导流器的位置参数分别为:导流器与摇臂转轴之间的距离为273 mm、导流器偏移射流中心的角度为4°、导流器直叶片与射流中心线的夹角为13°。导流器位置参数优化之后,喷头的水量分布更加合理;且随着组合间距的增加,优化之后的喷灌均匀度要大大高于优化之前。该研究可为垂直摇臂式喷头的设计及优化布置提供参考。     

卷盘式喷灌机灌溉施肥计算模型与综合评价体系构建

卷盘式喷灌机实现精准水肥一体化作业对农作物生产具有重要意义。该研究以卷盘式喷灌机为研究对象,开展了桁架式喷头车选配的低压喷头径向水量分布特性测试,构建了低压多喷头组合喷灌水量分布模拟模型,提出了水肥一体化条件下灌溉施肥参数计算模型,建立了基于喷灌均匀系数、设计喷灌强度、单机控制灌溉面积、单位面积年投资、年运行费5个指标的卷盘式喷灌机综合评价体系。研发了一款基于Web平台的卷盘式喷灌机灌溉施肥参数设计软件,以北京地区种植冬小麦为例,对JP75-300卷盘式喷灌机桁架式喷头车配置三款低压喷头进行方案优选,采用主成分分析法对初筛的12种机组运行方案进行综合评价,最高综合得分0.78为最优运行方案,即喷头类型PG134、工作压力0.15 MPa运行方案下机组喷灌均匀系数为88.96%,喷灌强度为57.31 mm/h,单机控制灌溉面积为5.05 hm2,单位面积年投资1 981.04元/hm2,年运行费为1 019.99元/hm2。研究成果可为卷盘式喷灌机灌溉施肥的参数设计和设备选型提供技术支持。     

摇臂式喷头组合喷洒均匀性的改进

该文针对摇臂式喷头副喷嘴为圆形,径向水量分布中部较高不利于组合的问题,根据水射流原理,设计出一种新型结构的副喷嘴,其上端设有盖板,起到阻挡水流的作用,使副喷嘴水流射出后主要分散在近处,从而有利于提高组合喷洒的均匀性。分别对15PY、20PY、30PY摇臂式喷头副喷嘴改进前后的水量分布进行了对比试验,同时,以正方形布置方式为例,计算出不同组合间距下的喷洒匀性系数。结果表明：副喷嘴的改进消除了改进前喷头中间部分水量,使径向水量分布呈“三角形”。改进副喷嘴后提高了均匀性系数,不同组合间距下的值均为80%以上,平均喷灌强度符合喷灌规范中的要求。最后,提出副喷嘴改进后15PY,20PY,30PY摇臂式喷头的最佳组合间距分别为1.2R,1.3R,1.1R,计算出组合均匀性系数值分别为85.6%,86.3%,85.3%。改进后的副喷嘴对喷洒均匀性有较好的改善作用。     

喷头射程理论公式与试验研究

在无风有空气阻力的假定条件下，根据牛顿第二运动定律和水力学基本理论，推导出喷头射程的理论公式，并选取典型微喷头和喷头，在室内进行喷头射程影响因素的试验。试验结果表明：与国内外常用的经验公式相比，理论公式的计算值与实测值吻合较好，相对误差仅为5.05%。理论公式物理意义明确，计算精度高，适用于各种微喷头和喷头。     

阻尼喷头动能分布试验及模型

针对阻尼喷头外流场水力学特性研究较少的问题,该文研究了单位体积动能、动能强度与有无散水齿、不同喷嘴直径之间的关系。在工作压力分别为175、200、250和300 k Pa,喷嘴直径分别为3.6、4.0、4.4和4.8 mm下,采用激光雨滴谱仪对Nelson R33阻尼喷头的水滴直径、速度和数目等参数进行试验测试,并对试验结果分析及模型建立。结果表明:有无散水齿条件下的单位体积动能均有逐渐增大的趋势;距喷头相同测点处,单位体积动能随喷嘴直径的增大而减小;给出了有无散水齿下不同喷嘴阻尼喷头单位体积水滴动能分布模型,相关系数均在0.94以上;在距喷头0~4 m,不同喷嘴直径的动能强度较小且差值不超过0.002 W/m2,在距喷头较远处,不同喷嘴直径的动能强度差值较大,最大差值达到0.006 W/m2。有散水齿时,动能强度在不同压力下波动均比较小,差值不超过5%。该结果为进一步研究阻尼喷头外流场水力学特性提供理论依据。     

两种园林地埋式喷头组合喷洒性能的模拟试验

根据Hunter和Rainbird公司分别提供的PGP型和R50型园林地埋式喷头的径向水量分布曲线资料,在正方形和正三角形两种布置形式下,分别进行了不同组合系数的喷洒性能模拟试验.结果表明,在最大零漏喷范围内,喷灌均匀系数的大小与组合形式关系不大,主要取决于喷头结构及径向水量分布曲线的特点;当组合系数为0.9～1.4时,喷灌均匀系数为 77.5%～95.1%.喷灌均匀系数、分布均匀系数和喷灌草坪水利用系数之间存在较为密切的线性关系,该文给出了喷灌均匀系数与分布均匀系数及喷灌草坪水利用系数之间的统计回归公式.一般情况下,喷灌均匀系数越大,分布均匀系数和喷灌草坪水利用系数呈增大趋势.     

喷灌对农田小气候的影响研究

试验研究喷灌对农田小气候的影响结果表明 ,喷灌影响灌水当时冠层附近空气温度与湿度 ,且整个喷灌周期均对其产生影响。喷灌作物冠层上方出现的逆温时间较长 ,冠层附近温度较低且湿度较大。喷灌地表温度日变幅明显小于地面灌处理且随土层深度的增加 2种灌水处理地温日变幅迅速减小。喷灌和地面灌处理冬小麦全生育期总耗水量分别为 43 6.5mm和 459.4mm ,产量分别为 643 0kg/hm2 和 4455kg/hm2 ,水分利用效率分别为1.47kg/m3 和 0 .97kg/m3 ,喷灌比地面灌水分利用效率高 52 %。     

喷灌对冠层水汽交换的影响

以冬小麦为研究对象,研究了喷灌对冠层内外水汽交换的影响。研究结果表明喷灌影响了冠层内外水汽交换的过程。喷灌对冠层顶部的蒸发力影响不显著,对冠层内的蒸发力影响较大,喷灌冠层内的农田蒸发力小于地面灌冠层内同一高度的农田蒸发力。在地面灌和喷灌同时灌溉的情况下,地面灌农田的土面蒸发量大于喷灌农田;与白天相比,夜间地面灌和喷灌农田的土面蒸发都大大减少。喷灌农田的作物蒸散量通常小于地面灌农田。喷灌小麦晚上出现凝结水的量大于地面灌农田。     

摇臂式喷头副喷嘴仰角及位置参数的优化

摇臂式喷头副喷嘴的主要作用是增加喷头近处的喷水量,从而提高喷头的喷灌均匀度,因此对摇臂式喷头副喷嘴的研究具有重要意义。该文采用流场模拟和试验相结合的方法对摇臂式喷头的副喷嘴结构参数进行了优化设计。首先采用逆向工程的设计方法,运用Pro/E建立了摇臂式喷头的三维结构,选择副喷嘴的仰角和位置为待优化参数,设计出9种副喷嘴结构的摇臂式喷头。运用Pro/E和Hyper Mesh软件建立了9种副喷嘴结构摇臂式喷头的三维内流道模型,利用CFD软件FLUENT对9种喷头的内流道进行三维模拟,运用快速成型技术加工出喷头样品进行试验验证,在矩形组合方式下运用4种插值方法(距离插值法、线性插值法、立方插值法和三次样条插值法)计算喷灌组合均匀度,并且利用Sprinkler3D软件通过二维插值的方法建立了9种喷头的压力水量分布模型,对喷头喷洒均匀性进行评价。结果表明,6号喷头(副喷嘴位置参数为19.8 mm、仰角参数为18°)的模拟流量和速率较大,试验水量分布在2~12 m之间能够保持较好均匀性,且射程达到14 m以上,喷灌均匀度在压力为250和300 k Pa下都达到80%以上。因此,副喷嘴位置参数19.8 mm、仰角参数18°为摇臂式喷头副喷嘴的最佳结构参数。该研究为摇臂式喷头结构设计和喷灌系统优化等提供参考。     

玉米冠层对喷灌水量空间分布的影响

作物冠层对喷灌水量分布的明显影响，为了弄清楚作物冠层对喷灌水量分布的影响作用，该文以春玉米为研究对象，进行了多组试验，初步探讨了在不同生育期玉米冠层上部与下部水量的分布情况。田间试验结果表明，玉米冠层对喷灌水量近地表附近分布均匀度有很大影响。喷灌水量到达玉米冠层后，通过4种途径落向地面，即：秆径流水量、叶尖水量、叶下水量和行间水量。这4部分水量在其分布点上的均匀程度很高，但作为一个整体，其水量的连续分布均匀性则很差。可见冠层对喷灌水量分布的影响不容忽视，有必要进一步弄清它们之间的影响机理，这将为喷灌制度的设计提供重要依据。     

负压反馈射流喷头脉冲特性及其影响规律

脉冲特性对负压反馈射流喷头的水力性能有着重大影响,也是区别于其他类型灌溉喷头的典型特征,为了系统性研究负压反馈射流喷头的脉冲特性,进一步掌握负压反馈射流喷头的设计方法。该文针对负压反馈喷头的工作原理和喷洒机制进行了深入分析,确定了高频率、高压力振幅的喷头结构优化方向。对影响喷头脉冲特性的主要因素(包括位差比、侧壁倾角和劈距比)及其耦合对脉冲特性的影响分别进行了研究,确定了具有较好脉冲特性的喷头结构参数设计区间,并探究了不同因素对脉冲特性的影响规律。结果表明,脉冲频率随位差比、劈距比变化的减缓转折点分别为位差比0.525、劈距9;压力振幅随位差比增加而增加,增缓转折点为位差比0.450、侧壁倾角,劈距比与压力振幅的关系呈先增后减趋势,增转减转折点分别约为侧壁倾角12°、劈距比9。通过正交试验,采用极差分析法,计算相对影响指数,得到影响喷头脉冲特性的因素主次顺序为:位差比、劈距比、侧壁倾角,提出了最优脉冲结构参数:位差比0.450、侧壁倾角10°、劈距比7。研究可为国产新型负压反馈射流喷头后续优化研究提供参考。     

方形喷洒域喷灌装置的研制与试验

针对圆形喷洒域喷头导致漏喷、水量重叠和界外喷洒的突出问题,该文研制了一种适用于无风环境的方形喷洒域喷灌装置以提高喷灌均匀度和水资源利用效率。该装置主要由摇臂式喷头、连杆机构和凸轮组成。利用调节喷头仰角的方式改变其射程使摇臂式喷头喷出方形喷洒域,通过凸轮滚子与凸轮接触部分阻力的变化调整喷头转速提高了装置的喷灌均匀度。测试了该装置在工作压力为400 k Pa,喷头仰角变化范围5°~30°,流量4.14 m3/h工作条件下装置的性能,试验结果表明,该装置可喷洒30 m×30 m的正方形区域,其方形喷洒域系数高达92.06%,喷灌均匀度为82.07%,界外喷灌量占总喷灌量的1.32%,喷洒地块边角部分时比圆形喷洒域喷头界外喷洒量减少了13.53%。因此,该装置能较好的实现方形喷洒域、降低了界外喷洒量、减少了多个圆形喷洒域喷头组合灌溉时所产生的重叠,为改善喷灌均匀度和提高水资源利用效率提供了新的思路和方法。     

全射流喷灌喷头射流元件的流场分析

全射流喷灌喷头射流元件对喷头工作性能有重要影响,其内部液气两相流动影响着射流元件的尺寸设计。采用流体体积函数两相流数学模型,对射流元件稳定附壁情况下二维及三维流场进行数值模拟,获得射流元件壁面压力分布规律、射流中线速度衰减规律、无因次附壁点距离和液气两相界面坐标位置。壁面静压试验数据与计算值对比具有一致性。在相同入口速度下,随着偏移率的增大,射流元件壁面压力极大值减小,附壁点下移。归纳出小偏移率情况下无因次附壁点距离与偏移率的经验关系式。该研究为射流元件的尺寸设计提供依据。     

基于分布式总线的喷头水量分布的自动测试

通过分析基于微机ISA总线的喷头测试系统存在的问题，提出了基于分布式总线技术的喷头水量分布自动测试的解决方案。采用RS485/422总线，将PLC模块分布安装在试验现场作为水量采集模块，把PLC和计算机连接组成1∶n网络进行数据的传输，使总测试点数扩展到20480点，径向射线达到16条，每条线可测1280点，并采用VB6编制计算机监控软件，使软件移植性更强，提高了喷头水量分布自动测试的可靠性、通用性和可扩展性，对新型喷头的试验研究提供了可靠数据和分析手段。     

全射流喷头喷洒水滴动能分布规律

喷灌动能是评价喷头水力性能优劣的重要指标之一。该文在0.15、0.20、0.25、0.30和0.35 MPa工作压力下,采用激光雨滴谱仪测量技术(laser precipitation monitor,LPM)对全射流喷头的水滴直径、速度和水量分布等参数进行试验,研究了单个水滴动能、单位体积水滴动能、动能强度分布规律及动能强度均匀性系数与组合间距之间的关系。结果表明:全射流喷头的单个水滴动能分布与水滴直径之间的关系与该文所建立的模型拟合较好,呈幂函数关系;单位体积水滴动能沿径向呈一次函数关系增大,与压力的-0.556次方呈正比关系;动能强度沿径向逐渐增大,而在射程末端迅速减小至0,随压力增大而减小,且沿径向距离的增大而动能强度减小程度越大;在各工作压力下,全射流喷头的矩形最佳组合间距分别为1.2、1.0、1.1、1.0、1.1倍喷头射程;所对应的动能强度均匀性系数分别为56.6%、71.1%、76.2%、77.2%、72.9%。该结果对研究喷头外特性、优化喷头结构、喷灌系统优化配置提供了一定的理论价值。     

不同指标轻小型喷灌机组配置优化

为探究配置方式对喷灌机组整体性能的影响,明晰不同配置方式的特点,在前期调研的基础上,以轻小型灌溉机组4.4CP-45为例,分别以单位面积上资源消耗,如机组能耗、年费用及使用年限内总费用等为评价指标,结合实际使用配置方式,采用遗传算法,讨论平坡条件下配置不同喷头10PXH、15PY、20PY及40PY时的喷头数及管径等最优组合方式,并对每种配置方式的适用范围进行分析。研究结果表明,通过3个优化目标下机组最优配置方式的对比,较好地反映出每种配置方式的优劣,与实际使用方式吻合较好。配置40PY 喷头时,机组单位能耗高,但年费用很低,适于抗旱或大田作物的灌溉;配置15PY 喷头时,优化配置下的机组能耗比初始配置时降低7.3%,比配置20PY降低8.3%,同时各项费用都比较低,灌溉均匀性高,但移动时劳动强度较大,适于经济作物或植物幼苗的灌溉;配置20PY喷头时,机组总费用最低,为6284.8元/hm2,比初始配置降低15.4%。所有配置方式下能耗费、运行费分别占据机组年费用及总费用的主要部分,有必要通过配置优化或采用中低压喷头、改善管理以降低系统能耗。该研究可以为机组的合理设计、喷头选择及应用推广提供参考。     

考虑配重的垂直摇臂式喷头摇臂运动规律及水力性能

为了研究摇臂运动规律及配重对喷头水力性能的影响,以垂直摇臂式喷头为研究对象,对垂直摇臂式喷头摇臂的运动特征进行理论分析,推导出摇臂运动周期公式,并在公式中考虑了配重位置变化因素;采用高速摄影对Nelson SR100喷头的摇臂运动情况进行了试验研究,将得出的摇臂运动周期与计算结果进行对比,并通过改变配重安装位置来考察运动周期变化对喷头水力性能的影响。结果表明:通过高速摄影试验得到的摇臂运动周期与理论公式计算值吻合较好,相对误差基本在10%以内,验证了推导公式的正确性,针对理论公式的计算误差,根据试验结果对理论进行了修正,进一步提高了理论公式的计算精度,相对误差都在3%以内;增大喷头工作压力和前移配重安装位置均可使喷头的运动周期减小。配重位置距摇臂旋转轴较近时,喷头近处的喷灌强度明显增加,3~10 m内的水量分布较配重在最远处时增加了40%左右;配重位置距摇臂旋转轴远时,喷头近处的喷灌强度随之降低,射程末端的喷灌强度随之增加。该研究可为垂直摇臂式喷头摇臂设计方法的建立和在喷头运行过程中能合理调节摇臂配重提供参考。     

垂直摇臂式喷头驱动力计算及试验修正

驱动力的大小不仅会影响喷头自身结构的应力分布和寿命,而且还会影响喷头运转的平稳性。为了提高垂直摇臂式喷头驱动力计算公式的精确度,该文采用试验测试结果对理论计算公式进行修正,分别提出了水平和垂直驱动力理论计算公式的修正系数公式,并对修正后的驱动力计算公式进行验证。研究结果表明:驱动力理论计算公式推导过程中的假设条件对驱动力的计算有较大影响,导致理论计算公式存在较大的偏差,尤其是在低压情况下,2个方向的驱动力计算最大偏差都达到20%左右。通过试验数据回归得到的水平和垂直驱动力理论计算公式的修正系数公式具有较高的精度,决定系数R2分别达到0.9799和0.9289,水平驱动力计算公式的修正系数与工作压力呈指数关系,垂直驱动力计算公式的修正系数与工作压力呈对数关系。修正后公式的计算值与试验值较接近,计算偏差较小,基本都在5%以内,表明了修正后的驱动力计算公式具有较高的精确度。该研究可为垂直摇臂式喷头的摇臂与导流器的设计及优化提供参考。