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6槽喷盘,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 三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,喷嘴直径1.79～7.54 mm喷头的径向水量分布形式为双驼峰型曲线,喷嘴直径7.94～9.92 mm喷头的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,喷嘴直径1.79～9.92 mm喷嘴的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。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。     

基于多喷头组合的变量喷药系统的设计与试验

为了克服传统压力式和脉宽调制（pulse width modulation）调节控制方式的缺点,以及目前变量喷药系统的“较复杂,实现成本较高”的不足,该文设计了基于多喷头组合的变量喷药系统,建立了变量喷药影响因素模型,设计了变量喷药系统的管路、上位机处理系统及变量喷药控制器,运用流体网络理论建立喷药网络的数学模型,分析了系统的流阻。在喷雾试验台上搭建了变量喷药系统,试验数据分析表明多喷头组合的变量喷药系统是可行的,每种方式下喷药量与理论值误差均小于10%,可调节喷药量范围宽,农药的施用量大幅度减少。     

联合收获机脱粒系统动力学模型及调速控制仿真与试验

针对目前联合收获机脱粒调速控制系统仿真设计中所采用的功耗模型的建立仅考虑了单个滚筒的运动状态,并没有考虑到其他工作部件运动对脱粒滚筒转速变化的影响,以及脱出物中杂余含量的影响,因此有必要对联合收获机脱粒系统动力学模型做进一步的研究。该文以XG610型联合收获机为例,在对运动机构进行较为全面的动力学分析和脱粒分离试验数据的基础上,建立了脱粒系统动力学模型,并与模糊逻辑控制器相结合构建了调速控制系统仿真模型。计算机仿真结果显示,当作物密度由0.95增加到1.09 kg/m2,喂入量增加约15%时,调速系统能够在5 s内做出有效调节,避免滚筒出现过载或堵塞现象。田间试验记录数据也验证了当喂入量增加约15%时,前进速度与滚筒转速在5 s内均能有效调节至稳定状态,总体变化趋势与仿真结果相符,验证了所建立的脱粒系统动力学模型的合理性与可行性。该研究为脱粒调速控制系统的仿真设计及后续控制算法的优化提供了参考。     

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。     

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°。     

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。     

PWM连续变量喷雾的雾滴速度和能量特性

作者研发了一种基于脉宽调制技术（PWM）的连续式变量喷雾装置,并针对平口扇形、中空锥形和实心锥形3种喷嘴研究了此装置的雾化特性。该文介绍了此种装置的喷雾动态特性,即雾滴速度、喷雾比能（SE）、和喷雾动能中值直径（KEMD）随喷雾流量变化的规律。研究中采用丹麦Dantec公司生产的相位多普勒粒子动态分析仪（PDA）、在喷嘴正下方50 cm处测量了雾滴粒径和速度。对测量结果进行统计分析,得到了雾滴速度、SE、KEMD和体积中值直径（VMD）随流量变化的规律。研究结论为：雾滴速度和喷雾比能都随喷雾流量的减小而减小,尤其当占空比小于75%,雾滴速度的减小很显著;KEMD随着流量减小而减小,且与VMD的变化率一致,表明KEMD与雾滴粒径相关。     

Evaluation of rainfall kinetic energy and erosivity in northern Taiwan using kriging with climate characteristics

A localized rainfall kinetic energy (E) equation and an erosivity map were developed, and the suitability of the universal soil loss equation (USLE) for assessing the soil erosion of a non‐US region was investigated. After accurately measuring and gathering data regarding raindrop size using disdrometers in four northern Taiwan locations, this study investigated the drop size distribution under different conditions by categorizing the rainfall patterns to develop regression equations for estimating the unit volume‐specific kinetic energy (KE_mm) and the unit time‐specific kinetic energy (KE_time) of northern Taiwan. Climate zoning, which is not considered in currently used designs, was then implemented along with two‐stage cluster analysis to construct a rainfall erosivity (R) distribution map using the kriging model. The binary polynomial regression function of KE_time, which had the highest correlation (R² = 0.98), was suggested to estimate E in northern Taiwan. It was found that the pattern and intensity (I) of rainfall will slightly affect E. The climatic influence on the root mean square of the semivariogram was significant, which suggests that climate zoning can help estimate the rainfall erosivity (R). The outcomes were extended to estimate R in areas without rainfall stations.     

喷灌均匀性和灌水量对冬小麦冠层下水量分配的影响

为研究冬小麦冠层对喷灌水量的再分配规律,探讨不同灌水量下喷灌均匀性对土壤含水率空间分布、冬小麦生长状况及产量的影响,该研究于2020-2021年在常州市金坛区开展了冬小麦田间喷灌试验。该试验依据作物需水量设置3个灌水量（充分灌溉、2/3需水量、1/3需水量）处理和2个喷灌均匀性（高：75%、低：55%）处理,通过冠层上、下雨量筒和自制的茎流收集器测量喷灌水量分布,并对喷灌后的土壤含水率（Soil Water Content,SWC）、冬小麦生长状况及产量的空间分布进行了监测。结果表明,冠层上喷灌均匀性比冠层下高约1.5%。喷灌水经冬小麦冠层再分配后所形成的棵间穿透流量、茎秆流量以及冠下喷灌损失分别占冠层上部水量的56.0%～73.9%、25.0%～37.0%和2.5%～12.7%。冠下穿透流率和茎秆流率与冬小麦的冠层特征（叶面积指数、株高）极显著相关（P<0.01）,而受喷灌均匀性和灌水量的影响较小。茎秆流率变异系数高于穿透流率变异系数。喷灌后24 h,0～20 cm深度土壤水分的变化与冬小麦产量及产量变异系数显著相关（P<0.05）。低喷灌均匀性会导致区域性缺水（SWC<65%田间持水量）,引发小范围减产,产量变异系数增大,减少灌水量则会加剧这一现象,冬小麦显著减产,灌水量对产量的影响占主导作用。研究结果可为冬小麦的喷灌设计提供理论依据。     

基于能量平衡的设施蔬菜收获机拉拔切割过程力学特性分析

为深入研究设施蔬菜收获机拉拔切割过程力学特性及其切割机理,该文以生菜根茎部为蔬菜收获机切割特例,自行设计和改造了一台可对切割力和刀具位移进行实时测量的蔬菜根茎部切割装置,并对处于拉拔状态下的生菜根茎部进行了切割试验。根据试验结果分析,将整个切割过程分为变形阶段、破裂阶段和切割阶段,并利用能量平衡理论分析了各个阶段能量之间的转化关系。利用指数函数对变形阶段切割力进行了数学拟合建模,误差在-5.3%~7.8%;利用能量法分析推导出了切割阶段的切割力数学模型,误差在-9.6%~8.2%;破裂阶段的切割力模型简化为直线减小。试验和模型所得切割力曲线得到了很好的吻合,证明了对生菜根茎部切割过程建模的正确性。研究结果表明:拉拔力有利于减小切割阶段的切割力,但过大的拉拔力容易导致切割断口不平齐、收获效果不佳。该研究结果有助于理解蔬菜根茎部切割特性及其切割机理,可为今后改进蔬菜切割装置提供参考。