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。     

射流撞击式低压喷头设计与水力性能试验

为分散喷头主射流,提高喷头的喷洒均匀度,使喷头适用于农业低压喷灌,该研究结合射流与撞击流提出了一种射流撞击式旋转喷头。首先对比了射流撞击喷头与射流不撞击喷头的水力性能,通过正交试验分析了各结构参数值对射程和组合均匀系数的影响,得到副喷嘴结构优化参数,最后将优化后的射流撞击喷头与改进前的传统15PY2喷头进行水力性能及水滴粒径分布对比。研究结果表明,射流撞击使射程末端水量高点降低,同时射程得到提升,射程平均提升4.39%,在相同压力及组合间距下覆盖范围更大。影响喷头工作性能的结构参数依次为副喷管长度、副喷嘴进口锥角、副喷管内径、副喷嘴仰角,而副喷嘴仰角对射程与组合均匀系数影响最大,15型射流撞击喷头最佳结构参数组合为：副喷管长度20 mm、副喷嘴进口锥角55°、副喷管内径6 mm、副喷嘴仰角33°。射流撞击喷头在压力150～300 kPa下组合均匀系数和综合评分均高过传统15PY2喷头,组合均匀系数平均提升4.84%,综合性能平均提升4%,证明了射流撞击应用于旋转式喷头具有优势。在射程前中段,150和250 kPa下射流撞击喷头水滴直径更大;在射程后段,150 kPa下射流撞击喷头水滴直径更大,但在250 kPa下水滴直径更小。研究所得到的喷头结构及结论可为后续研究射流撞击对水力性能的影响提供参考。     

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。     

喷嘴直径对旋转折射式喷头水量分布特性的影响

为了深入理解喷嘴直径对旋转折射式喷头水量分布特性的影响规律,以R3000型旋转折射式喷头为研究对象,配备红色6槽的喷盘,选用36种不同直径（1.79～9.92 mm）的喷嘴,在室内无风环境下,采用雨量筒放射线布置法,开展了98、196和294 kPa 3种工作压力下的旋转折射式喷头水量分布特性试验。试验结果表明：在98 kPa工作压力下,使用喷嘴直径1.79～7.54 mm的喷头径向水量分布形式为双驼峰型曲线,使用喷嘴直径7.94～9.92 mm的喷头径向水量分布形式为单驼峰型曲线;在196和294 kPa工作压力下,使用喷嘴直径1.79～9.92 mm喷嘴的喷头径向水量分布曲线均呈现单驼峰型曲线。旋转折射式喷头的水量分布均匀性随工作压力增加而下降;在98 kPa工作压力条件下,除个别喷嘴直径（1.79、1.98 mm）以外,喷头的水量分布均匀性均在60%以上。喷头的喷洒半径范围为4～9 m。喷头的喷洒半径随喷嘴直径增加并非呈单调递增趋势;当喷嘴直径超过7.54 mm（对应38#喷嘴）,随喷嘴直径增加喷洒半径呈下降趋势;并根据试验数据分析结果,确定了喷洒半径随喷嘴直径变化的抛物线模型。喷头的喷灌强度最大值和平均值随喷嘴直径增大而增大,曲线拟合结果表明,喷灌强度最大值和平均值均与喷嘴直径呈明显指数关系,决定系数R2均在0.95以上。研究结果可为低压旋转折射式喷头优化设计、工程应用及促进产品国产化等提供技术依据和参考。     

异形喷嘴变量喷头结构设计及其水量分布试验

为提高灌溉质量,降低喷灌系统工程投资,在摇臂式喷头基础上安装动静片和改装异形喷嘴装置,研制了一种新型的异形喷嘴变量喷洒喷头,介绍了其结构形式及工作原理。对安装异形喷嘴的变量喷头和圆形喷嘴变量喷头进行了对比试验研究及分析,并绘制了单喷头三维水量分布图和径向水量分布曲线。研究表明,异形喷嘴变量喷头运行可靠、基本能够实现三角形喷洒域,减小了现有的变域喷洒喷头喷洒均匀性容易受工作压力波动的影响,与圆形喷嘴的摇臂变量喷头相比其喷洒性能良好,减小了雨滴打击强度,改善了喷灌均匀性。经计算其平均喷灌强度为6.74 mm/h。用异形喷头装置可以改善变量喷头喷洒均匀度。     

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。     

变射程喷头在坡地喷灌中的应用

传统单喷头在坡地上进行喷灌时,水量分布会发生改变。为提高坡地上喷洒均匀性,采用一种压力/流量调节装置与20型全射流喷头结合,使上坡射程增大,下坡射程减小,从而改善坡地上单喷头的水量分布。根据喷头的旋转均匀性满足行业标准要求,平地喷洒形成的射程差符合上、下坡射程差的要求,以及调节装置形成的压力损失不能太大三个约束条件,对调节装置的关键尺寸,调节片基本开孔半径进行了优化,结果表明半径选择3 mm合适。坡地上径向水量分布以及射程的试验数据表明,这种变射程喷头适合大约10°坡度的调节,具有改善水量分布的作用,在坡地组合喷灌中具有优势。     

考虑工作压力的垂直摇臂式喷头可调结构参数优化与试验

为了使垂直摇臂式喷头运行时处于最优水力性能状态,采用中心复合试验设计与响应曲面分析对喷头的可调工作参数进行优化研究。以配重与旋转中心的距离、工作压力和喷嘴直径为变量,以喷灌变异系数、平均喷灌强度、正方形布置均匀系数和正三角形布置均匀系数为响应指标,建立了不同响应指标与变量的多元回归模型,研究了各因素及其交互作用对不同响应指标的影响。利用回归模型进行单目标与多目标的参数优化,并对其进行试验验证。结果表明:各因素对喷灌变异系数的影响顺序依次是:工作压力、喷嘴直径、配重与旋转中心的距离;对平均喷灌强度的影响顺序依次是:喷嘴直径、配重与旋转中心的距离、工作压力;对正方形布置均匀系数的影响顺序依次是:工作压力、配重与旋转中心的距离、喷嘴直径;对正三角形布置均匀系数的影响顺序依次是:工作压力、配重与旋转中心的距离、喷嘴直径。多目标优化下的最佳组合参数为:配重与旋转中心的距离116 mm、工作压力543 k Pa、喷嘴直径12.6 mm,其对应的喷灌变异系数、平均喷灌强度、正方形布置均匀系数和正三角形布置均匀系数分别为:0.27、6.37 mm/h、87.60%、87.93%,预测值与试验值的误差小于5%,预测回归模型具有较高的可信度。该研究可为垂直摇臂式喷头的设计以及合理调节配重与旋转中心的距离、工作压力和喷嘴直径使喷头运行时处于最优水力性能提供参考。     

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。     

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。     

喷管仰角和长度对负压反馈射流喷头水力性能的影响

负压反馈射流喷头(简称射流喷头)是中国自主研发的新型中程灌溉喷头。喷管是喷头的重要组成部分,对喷头水力性能影响重大。为针对性研究喷管参数(仰角、长度组合)对射流喷头水力性能的影响,寻找最优喷管参数,开展了不同喷管参数下射流喷头与PY_210摇臂式喷头水力性能对比试验。结果表明,在相同主喷嘴尺寸时,不同工作压力和不同喷管参数下,射流喷头均同比摇臂式喷头射程远1～2.5 m;射流喷头水量分布中近程呈现较好的"三角形"分布,远处出现水量"凸峰"。最后对试验数据采用综合评分法和熵权法进行分析,同时综合考虑实际喷头野外抗风性能和单一造价,确定最优综合评分下的主副喷管参数为:主副喷管长度组合4.2 cm×4.2 cm,工作压力为0.20～0.30 MPa时,主副喷管仰角40°×40°;工作压力为0.35 MPa时,主副喷管仰角30°×30°。     

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。     

基于单片机控制的变域喷洒喷头水力性能试验

为解决变域喷洒喷头能耗过高、喷头节能效果不理想的问题,设计了基于单片机的控制器调控水泵转速,改变喷头工作压力,实现变域喷洒,研究喷头实现方形域喷洒时的水力性能和能耗。结果表明:方形域喷头工作压力实测值为107~225 kPa,能精确响应设计规律;实测射程变化范围为7.6~10.1 m,最短射程为最长射程的0.75倍,射程变化满足方形域喷洒要求;方形域喷洒实现程度的系数为97.2%,高于使用节流装置的方形域喷洒喷头;平均喷灌强度为2.8 mm/h,最高组合均匀度系数达77.7%,最佳组合间距为13~14 m,组合均匀度和组合间距与185 kPa时圆形域喷头一致。方形域喷洒比圆形域喷洒的能耗低30.3%。该研究可为变域喷洒提供一种低能耗的新模式。     

基于弹道理论坡地喷灌水量分布模拟及均匀度计算

为解决坡地喷灌水量分布实测困难的问题,该文基于弹道轨迹方程,考虑水滴运动蒸发,通过三维坐标系降维转化,计算坡地喷灌水滴空间运动轨迹,以平地实测水量分布为基础,根据水量平衡原理,建立坡地喷灌水量分布计算模型。结果表明,实测与模拟的水量分布、射程的相对误差小于9%和5.04%,说明建立的模型能够准确反映坡地喷灌水量分布规律,具有一定的可靠性,可应用于坡地喷灌系统设计。以雨鸟LF1200喷头为研究对象,应用模型重点分析地形坡度、喷头布置方式、间距和工作压力等因素对喷灌均匀度的影响,结果表明,在95%的置信度下,地形坡度、喷头工作压力、布置方式和间距对喷灌均匀度的影响均呈显著水平,其中喷头工作压力影响最大,布置方式和喷头间距影响次之,地形坡度影响最小,且在一定坡度范围内,地形坡度对喷灌均匀度的影响远小于工作压力、喷头布置方式和间距。在坡地喷灌系统设计时,如果选用雨鸟LF1200喷头,须保证喷头在正常工作压力下运行,不宜低压作业,应优先考虑方形布置,在兼顾系统成本和喷灌质量时,建议喷头间距宜为其平地射程的0.8倍,且喷头不宜在15°以上的坡地作业。研究可为坡地喷灌系统规划设计提供参考。     

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。     

Teejet雾化喷头的水力性能试验及工作参数优选

为探究Teejet雾化喷头工作参数对单喷头及组合喷洒水力性能的影响,进而得到雾化喷头的较优配置工况,该研究通过试验分析、理论计算和综合评价相结合的方法,探究等效直径、安装高度、工作压力对雾化喷头水力性能的影响规律;定量分析得到安装高度、工作压力、等效直径、组合间距与组合均匀性系数之间的关系;构建综合评价指标体系,采用主成分分析法确定雾化喷头最优配置方案。结果表明：1）随着工作压力的升高,喷头喷灌强度峰值逐渐增长;随着安装高度的升高,喷头的喷洒范围增大,水量分布更加均匀;相同安装高度和工作压力条件下,喷嘴的喷灌强度峰值与等效直径呈正比。2）3种等效直径喷头组合均匀性系数随工作压力和组合间距的变化趋势基本一致,组合间距对组合均匀系数的影响最为明显,随着喷头组合间距的增加,喷头的组合均匀系数大多呈先减小后增加再减小趋势。3）雾化喷头最优配置工况为喷嘴等效直径1.81 mm、安装高度0.6 m、组合间距0.2 m、工作压力400 kPa。该研究可为适用于温室的移动式微喷灌机组的参数配置提供依据,并为该机组在全国范围内的推广应用提供理论支撑。