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。     

滚移式喷灌机喷头优选及水力性能优化

为解决滚移式喷灌机水力性能差的问题,拟通过单喷头试验、模拟计算和比较分析,选择出适合于滚移式喷灌机的喷头,从根本上改善机组的水力性能。同时对影响滚移式喷灌机水力性能的结构与工作参数进行优化试验,采用二次回归正交旋转中心组合优化试验方法,以喷头工作压力、喷头间距、喷洒间距为影响因素,喷灌均匀系数和喷灌强度为评价指标,得到模型回归方程。在评价指标满足设计要求的条件下获得该机组工作效率较高的参数组合:喷头工作压力0.4 MPa,喷头间距10 m,喷洒间距18 m,此时滚移式喷灌机喷灌均匀系数为0.91,喷灌强度为10.43 mm/h,喷灌效果较好。与现存的12 m?12 m的滚移式喷灌机相比,喷灌单位面积土地需要移动机组的次数减少了33.3%,工作效率大幅度提高,且减少劳动力。研究可为滚移式喷灌机的进一步发展提供参考,也可为其他喷灌设备中摇臂式喷头的选型提供理论依据。     

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。     

喷灌机全喷洒域与叠加域水量分布特性的静态模拟

该文研究喷灌机喷头组合喷洒特性,针对大型平移式喷灌机NelsonR3000、O3000旋转折射式喷头,开展试验测量其单喷头水量分布并计算其喷洒均匀系数(Christiansen uniformity,CU)、分布均匀系数(distribution uniformity,DU).用MATLAB编程模拟了2喷头和多喷头组合,针对多喷头组合,分析和区分全喷洒域和叠加域,计算2种喷头全喷洒域与叠加域的CU、DU和平均喷洒强度(mean spraying intensity,MSI),全面掌握并评价喷头水力性能.结果显示:在安装压力调节器情境下,R3000单喷头在压力150 kPa、O3000单喷头在压力200 kPa时,CU、DU值最大.2个喷头组合无法展现喷灌机喷头组合效果.R3000多喷头组合全喷洒域内,CU最大值68％,DU随喷头间距的增大逐渐上升;O3000多喷头组合CU、DU最大值分别为72％、57％.叠加域内R3000、O3000喷头CU、DU、MSI值高于全喷洒域,但达不到行喷CU≥85％的要求,可能由于计算CU、DU等的数据点多、单喷头数据不理想、常规测量方法测量点少且在叠加域内等原因.该文发现当前大型喷灌机的喷头间距组合不是CU、DU最优组合,区分了喷头喷洒组合后叠加域和全喷洒域,并分别计算叠加域和全喷洒域CU、DU和MSI,为喷灌机系统的安装设计提供了一种参考.     

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。     

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。     

喷头安装高度对圆形喷灌机灌水质量的影响

根据作物高度适时调整喷头安装高度,是保证圆形喷灌机灌水均匀度和喷灌效率的重要措施之一。该研究通过引入自主研发的喷头安装高度调节装置,以安装D3000低压折射式非旋转喷头的圆形喷灌机为研究对象,研究了不同喷灌机出流量(8.8、16.7、24.2 m3/h)情况下喷灌机水力性能的稳定性,测试了喷灌机3种出流量在喷头安装高度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.6 m)改变时的灌水均匀系数和灌水深度。结果表明,在喷头标准安装高度(1.5 m)下,圆形喷灌机水力性能稳定,喷灌机3种出流量的灌水深度沿径向均呈锯齿形波动,灌水均匀系数为82.5%~84.0%。喷头安装高度小于标准高度时,灌水深度沿径向的分布出现了较大波动,0.5 m时波动最剧烈,灌水均匀系数最大降低23.9%。喷头安装高度大于标准高度时,灌水深度沿径向的分布更为均匀,灌水均匀系数与标准高度的均匀系数无显著差异。与标准高度时的灌水深度测量值相比,喷头安装高度调节后的测量水深相对误差在10%以内。为保证喷灌均匀性和灌水深度,建议作物高度大于1.5 m时,可根据作物高度适时升高喷头安装高度。     

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。     

相邻喷头射流相互作用对喷洒特性的影响

相邻喷头喷洒重叠区域内的射流来自不同喷头,喷射过程中往往产生冲撞等相互作用。为研究组合喷头喷洒过程中相邻喷头间射流相互作用对组合喷洒特性造成的影响,选取Nelson D3000锯齿状喷盘喷头和R3000旋转式喷头,对其单独喷洒和以2.5 m组合间距进行喷洒时的水量分布以及雨滴谱信息进行了测试与比较。结果表明:喷头之间相互影响的强弱程度受喷头几何结构的影响,R3000喷头受组合喷洒时喷头间射流的影响作用不明显;Nelson D3000喷头(锯齿状喷盘)受组合喷洒时喷头间射流的影响作用剧烈,水量分布集中点的位置因射流轨迹的变化而产生偏移,喷灌强度最大点向靠近喷头侧偏移约0.5 m。组合喷洒条件下测点MP5处的降水强度、能量通量密度以及水滴数目较单独射流分别增长91.27%、107.58%和239.29%,其中粒径大于0.9 mm水滴数目的增加对该测点水量和能量提升的贡献率达到40.89%和58.83%。变异性分析结果表明水量和能量的重分布主要是由组合喷洒时增加了水滴之间相互碰撞的机率所引起。在Nelson D3000锯齿状喷盘喷头这类喷头进行水量叠加计算时,应考虑相邻喷头间水滴互相碰撞、结合或碎裂等相互作用对组合后的水量分布形式产生的影响,采用单喷头水量分布直接叠加的方法可能会导致计算精度较低。     

恒压喷灌系统田间允许调压范围的研究

恒压喷灌系统田间允许调压范围是系统设计的重要参数,关系到田间灌水质量。针对恒压喷灌系统几种压力变化情况,通过试验得到了系统的压力变化规律及一些常用喷头的旋转周期、喷洒强度等随压力变化的一些基本资料,分析了压力变化对平均喷灌强度及组合均匀度的影响。结果表明,在一定压力变化范围内,系统压力的周期变化对平均喷灌强度及组合均匀度影响较小,但不同时段系统在不同压力工况下工作时,则对其影响较大。由此建立了田间喷灌强度及组合均匀度与压力变化的相互关系,给出了根据田间灌水质量要求所确定的压力变化幅度的计算式。     

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。     

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。     

旋转式喷头空间流道设计及低压水力性能试验

喷头在低压工况下存在均匀性较差、射程变短及工作不稳定等问题。为了扩宽喷头的工作压力范围,该研究设计了旋转式喷头空间流道结构。以空间流道仰角、中间截面偏置角、出口截面偏置角为因素,以喷头空间流道出口平均速度和旋转驱动力为指标,采用CFD数值模拟正交设计,分析了空间流道结构参数对喷头水力性能的影响,并对旋转式喷头与相同规格的NelsonR33喷头在不同压力工况下进行水力性能对比试验。结果表明：空间流道各参数对喷头出口平均速度影响顺序依次为：空间流道仰角、中间截面偏置角、出口截面偏置角;对喷头旋转驱动力的影响顺序依次为：中间截面偏置角、空间流道仰角、出口截面偏置角。空间流道结构最佳参数组合为：出口截面偏置角为3°、中间截面偏置角为3.5°和空间流道仰角为30°。在工作压力为150及200 kPa下,旋转式喷头的水量分布更为均匀,组合均匀性系数更高。为扩宽喷头工作压力范围以及提高喷头低压下水力性能提供依据。     

喷射角度及压力对微喷带喷洒水滴分布的影响

微喷带灌溉具有节水省工、价格低廉、对动力要求低等优点。大田灌溉过程中，作物各生长期株高不同，各器官对水滴打击的耐受度不同，会对微喷带灌溉效果产生影响。为探究微喷带水量空间分布影响因素，该研究使用激光雨滴谱仪测量微喷带喷洒水滴的直径、个数和灌水强度，分析喷射角度（40°、60°及两孔组合）和工作压力（20、24、28和32 kPa）对水滴直径及分布的影响。结果表明：1）40°时的灌水强度峰值在17.9～23.0 mm/h，工作压力增大时灌水强度峰值波动不大。喷射角度为60°时，灌水强度峰值随着工作压力的增大逐渐降低。两孔组合灌溉时，微喷带的灌水强度与单孔相比略有增高，存在两个峰值。2）同一喷射角度下，水滴直径会随着工作压力的增大而减小；相同工作压力下，随着喷射角度的增大，微喷带喷洒水滴的直径分布范围略有减小。3）喷射角度和工作压力均会影响喷洒水滴在空间上的粒径分布，喷洒水滴直径分布范围为0～2.50 mm，占比较多的水滴直径集中在0.45～1.25 mm。本研究着重探究微喷带喷洒水滴的灌水强度和直径的空间分布，以期为微喷带的合理设计和推广应用提供基础理论支撑。     

微喷带水量分布特性试验分析

水量分布特性是衡量节水灌溉质量的重要技术指标。为了寻求微喷带水量分布均匀系数的测试方法和评判标准,该文在参照旋转式喷头水量分布特性检测方法的基础上,研究了新型节水灌溉设备微喷带水量分布特性的检测方法,并根据该方法对国内几种典型微喷带的水量分布均匀系数Cu进行了检测。检测结果表明,微喷带的水量分布均匀系数低于旋转式喷头,且不同微喷带之间的差别较大,几种微喷带的水量分布均匀系数Cu最高为78.34%、最低仅为24.55%。据此,分析了影响微喷带水量分布均匀系数的主要因素,并提出了依据水量分布特性将微喷带分成3类,分别用于不同灌溉场合的建议。     

轻小型平移式喷灌机低压末端喷头改进设计与试验

为解决轻小型平移式喷灌机末端喷头低压工况下喷洒射程小、水流破碎不充分以及组合喷洒均匀度低等问题,该研究以Nelson R55型旋转折射式喷头为原型,基于二级破碎、面槽分流、旋转射流和非全圆限制喷洒的工作原理,设计出系列化旋转折射式末端喷头,采用Creo建模与激光快速成型、实测试验、模型计算以及多目标综合评价等方法,完成...     

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。