变量喷头实现均匀喷灌的研究

研究了为保证均匀喷灌，变量喷头各水力性能参数之间应具有的理论关系。采用极限理论和二重积分的数学方法推导了描述变量喷头转速、流量和射程之间瞬时变化关系的工作方程。结果表明，变量喷头的流量与射程平方和转速的乘积成正比。以方形喷洒域变量喷头为例，推导了方形喷洒域变量喷头射程随转角变化的理论方程，然后应用变量喷头工作方程推导了方形喷洒域变量喷头理论流量和转速方程。该文的研究结果为变量喷头及方形喷洒域变量喷头的设计提供了理论依据。     

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。     

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。     

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。     

变量喷洒喷头性能指标建立及模糊评价

针对全圆喷洒喷头性能评价指标不能充分反映变量喷洒喷头各参数连续变化特点的问题,该文加入了时间变量参数,初步建立了变量喷洒喷头的评价指标,主要包括:喷头射程降低系数、喷头喷洒形状系数、喷洒均匀性系数、喷洒打击强度变化系数及喷灌强度变化系数。采用模糊数学的方法,以上述5个性能评价指标,分别对BPXH20变量喷洒全射流喷头,BPY120变量喷洒摇臂式喷头和BPY220变量喷洒摇臂式喷头进行综合评价,并根据不同应用场合,探索性能指标权重值变化±20%对评价结果的影响。结果表明:喷洒均匀性系数、喷洒强度变化系数及打击强度变化系数对权重变化较为敏感,但不影响评价喷头的性能。说明权重值选取合理,可为今后其它变量喷洒喷头评价提供参考。     

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。     

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。     

掺气水射流应用于低压摇臂喷头的试验

为解决固定式旋转喷头低压喷灌时,水射流向末端集中形成水量分布不均匀的问题,提出水气两相射流进行喷灌的方法。在摇臂喷头结构的基础上,增加掺气结构,形成掺气射流喷头,以相同工作水压力、射流仰角、喷嘴出口流量相同为约束,以及不考虑副喷嘴对喷洒的影响,对比了掺气与不掺气2种情况下 PY20喷头的射程、径向水量分布、1倍射程间距的正方形组合喷灌均匀系数,雨滴粒径等参数。试验结果表明：原不掺气摇臂喷头出口直径7 mm,安装内径2 mm 的掺气管后出口直径改为8.3 mm,此时两者具有相同的出口流量,2种喷头在相同工作压力下具有近似相等的射程;在掺气喷头工作水压低至100 kPa 情况下,喷头仍具有76 mm 水银柱高差的掺气负压能力;掺气摇臂喷头改善了径向水量分布线射程中段的水量,使水量分布线发生了中段略微增高、末端略下降的变化,从而使1倍间距的正方形组合喷灌均匀系数在低于国家标准工作压力的200 kPa 情况下,从62.8%提高到68.8%;采用激光雨滴谱仪测量射程中部和末端2个地方的水滴粒径表明：掺气状态下射程中部的水量累积百分比中位直径 d50远大于不掺气状态,射流末端对比 d50则小于不掺气状态,说明掺气改变了喷头的雨滴粒径分布。该文试验结果证明掺气摇臂喷头在农业喷灌中应用具有可行性。     

负压反馈射流喷头主副喷嘴直径及流道结构参数的优化

负压反馈射流喷头是一种基于射流脉冲特性设计的全圆旋转灌溉喷头。喷头的主副喷嘴尺寸组合对该型喷头脉冲特性和水力性能影响较大。为确定主副喷嘴直径的设计区间及各流道结构参数对喷头性能的影响,首先利用单因素数值模拟方法确定具有良好脉冲效果的主副喷嘴直径设计区间,再以进口流量和射程为评价指标,进行了九因素四水平正交试验。采用极差分析法和相对影响指数评价法处理正交试验结果,得到了喷头主副喷嘴最佳尺寸组合与内部最优流道参数,加工优化后样机进行优化前后喷头水力性能对比试验和数值模拟验证试验。结果表明,在0.15～0.30 MPa工作压力范围内,主、副喷嘴直径的设计区间分别为4.0～4.5 mm、3.5～4.5 mm,最优流道结构具体参数为位差比0.475、侧壁倾角12.0°、劈距比9.0、深宽比2.5、相对曲率半径比3.0、主副喷管相对长度组合8 cm×6 cm、主副喷嘴组合4.5 mm×3.5 mm、仰角30°。优化后的样机比优化前的进口流量降低了12.1%～14.6%、射程增加了6.5%～9.4%,优化后喷头的中近程降水深较优化前减小,远处降水深增加。优化后试验值与模拟值的归一化均方根误差指标分别为4.2%和6.7%,说明优化效果较好,水体模型精度较高。研究提出的最优流道结构参数及研究过程可为喷头后续设计提供参考。     

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.     

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。     

坡面薄层水流流态判定方法的初步探讨

为了研究坡面薄层水流流态的判定方法，从水力学与泥沙动力学观点出发，在4种不同坡度有机玻璃床面与人工粗糙床面(砂粒粒径为0.5～1 mm)上对坡面薄层水流进行了试验研究，并应用水力学二元流雷诺数与泥沙动力学绕流雷诺数对坡面薄层水流流态进行了分析比较，研究结果表明绕流雷诺数能较好反映坡面薄层水流流态。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

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。     

基于基流比例法的渭河生态基流计算

为使生态基流更好地体现中国北方河流生物需水的年际间和年内变化,该文提出基流比例法。将长期径流系列资料划分为丰、平、枯及特枯年等不同年型,采用传统方法确定某一年型的基流比例后,通过该年型与其他各年型平均径流量之间的比值,推求出基流比例之间的关系,由此计算出其他各年型的基流比例及生态基流值。根据需要,还可进一步将年内划分为不同时段分别计算。以渭河干流宝鸡段为例,应用该方法计算了各年型及年内各时段的生态基流值,其结果为5.02～36.73 m3/s,比较后发现其他几种常见方法计算的生态基流值均在该范围之内,各代表年基流的保障程度基本都能达到90%以上,但是近几年呈现递减的趋势。该方法适合中国北方河流生态基流的计算。     

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。     

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。     

蔬菜有机与无机生产系统能流、经济流的比较研究

通过田间试验分析比较了莴苣、洋葱有机与无机生产系统的能流、经济流及对土壤环境的影响。结果表明,有机系统蔬菜的长势、产量、经济效益均高于无机系统;能量产投比有机系统受施肥种类影响很大;土壤微生物量有机系统高于无机系统。     

叶片厚度对轴流泵性能影响及内部流场分析

为研究叶片厚度对轴流泵性能影响及其内部流场变化规律,该文采用圆弧法和流线法进行比转速550、转速2900r/min的QY90-4.4-1.5型潜水轴流泵水力模型设计,完成产品开发及样机型式试验。通过加厚叶轮叶片进行对比试验,阐明泵流量—扬程、流量—轴功率和流量—效率曲线产生差别的原因。采用计算流体动力学(CFD)方法进行叶片厚度对流场影响的数值计算,得到最优工况叶片表面相对速度分布和不同工况叶片表面静压分布。经过分析,阐明薄叶片总体性能优于厚叶片,但抗汽蚀性能可能劣于厚叶片。厚叶片翼型脱流、叶片进出口出现回流及二次流情况更为严重,水力损失较大,是泵效率等性能参数偏低的主要原因。