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。     

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。     

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。     

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。     

方形喷洒域摇臂式喷头流道优化及内部流场数值仿真研究

针对圆形喷洒域摇臂式喷头喷洒重叠多和超喷漏喷普遍,现行方形喷洒域摇臂式喷头机构复杂、旋转能耗大、局部水头损失大、喷洒形状与标准正方形偏差大等问题,该文通过对流量调节器喉口断面菱形化和流道流线化,对方形喷洒域摇臂式喷头流量调节器的形体进行优化,减少了不利的水头损失,实现了精准方形喷洒的目标。根据水动力学的能量方程及动量方程推出了流量调节器局部水头损失的计算公式;并运用三维软件Pro/E建立流量调节器及喷头的三维内流道几何模型,利用CFD软件建立其流体力学RNG k-ε湍流数值模型,对流量调节器及喷头的内流场进行数值模拟,获得了压强、流速的动态分布规律,进而求得优化前后方形喷洒域喷头不同旋转姿态时的水头损失及流量,结合同型号喷头的出口流量与射程关系计算出优化前后的射程,进而对优化前后方形喷洒域喷头不同旋转姿态时的水头损失、流量、射程及喷洒形状等性能进行全面评价,验证方形喷洒域摇臂式喷头流道优化成果的可靠性。结果表明:优化后的方形喷洒域摇臂式喷头结构简单、水力自控、节能耐久、喷洒形状标准、水头损失小;在额定工作压力范围内优化后的摇臂式喷头水头损失降低25.8%,流量增大12.87%,喷洒形状系数提高15.6个百分点,为方形喷洒域摇臂式喷头的设计制造及应用推广提供理论参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

田间试验评估圆形喷灌机变量灌溉系统水量分布特性

为了定量评估变量灌溉对喷灌机灌水深度和水量分布均匀性的影响,该文通过在圆形喷灌机中安装电磁阀、压力调节器、变频器及变量灌溉控制系统,搭建了圆形喷灌机变量灌溉自动控制平台,评估了均匀灌溉、部分喷头开启式变量灌溉和脉冲式变量灌溉条件下的水量分布特性。结果表明,均匀灌溉条件下,当喷灌机行走速度百分数为20%~100%时,沿径向修正赫尔曼-海因均匀系数和分布均匀系数变化分别为92%~94%和87%~89%,行走速度的影响很小;沿喷灌机旋转方向(周向),修正赫尔曼-海因均匀系数为95%,分布均匀系数为93%,与喷灌机行走速度和测量位置关系不大;通过控制喷灌机行走速度可以获得准确的灌溉水深。变量灌溉条件下,喷灌机周向水量均匀性不变,但径向水量均匀性降低。与均匀灌溉相比,部分喷头开启式变量灌溉的径向修正赫尔曼-海因均匀系数和分布均匀系数分别降低10和19个百分点,降低程度随喷头分组数增加而增大。与均匀灌溉相比,脉冲式变量灌溉的径向修正赫尔曼-海因均匀系数和分布均匀系数分别降低9和12个百分点,降低程度与相邻管理区内的灌水深度差呈正相关。为保证变量灌溉管理区内的径向修正赫尔曼-海因均匀系数≥85%,部分喷头开启式变量灌溉需在管理区两端分别设置0~3 m的过渡带,脉冲式变量灌溉需设置0~4 m的过渡带。变量灌溉条件下通过调整喷灌机行走速度控制灌溉水深的精度与喷灌机行走速度和电磁阀占空比有关,部分喷头开启式变量灌溉灌水深度平均低估0.48 mm,脉冲式变量灌溉平均低估1.46 mm。     

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。     

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。     

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.     

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，完成喷头的实体制作、水力性能测试与评价，确定出喷头最优设计参数。研究结果表明：1）通过调节喷盘曲面与沟槽的分流比可对近远端水量分布进行调控，且以均匀集中的曲面-沟槽分布调控效果为优；2）半圆形与V形流道截面设计相比，射程增幅42.84%~66.03%，峰值喷灌强度降幅36.88%~62.17%；3）优选出"分流比1∶1、曲面-沟槽均匀集中分布、流道截面形式半圆形、喷盘转速100-120 r/min的非全圆喷嘴"的喷头最优设计运行参数，喷头射程可达10.3 m。改进后喷头，相较于R55型末端喷头，在0.10 MPa低压工况下，轻小型平移式喷灌机的组合均匀度提升32%；机组控制幅宽增加38.5%；流量提升5.2 m3/h。该款低压末端喷头，可有效提升机组喷洒幅宽，且与中部喷头适配性高，实现了节能保质灌溉双重目标。     

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。     

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。     

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。