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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

旋转式射流喷头结构参数及组合间距对喷洒均匀性的影响

为了深入探索国内原创旋转式射流喷头结构参数与喷洒均匀性之间的关系,选用10型喷头为研究对象,在工作压力为300kPa下测量出9种不同位差H、作用区长度L、收缩角θ的喷嘴的径向水量分布。采用Matlab语言编制程序绘制出正方形布置其组合间距为8,9,10,11,12和13m喷嘴的三维水量分布图,并对组合均匀性系数进行了仿真计算。结果表明:旋转式射流喷头的水量分布同时受到位差×作用区长度(H×L)、收缩角θ等结构参数的影响,当位差×作用区长度(H×L)、收缩角θ增大时,距喷头近处水会更多,远处水会更少;当位差×作用区长度(H×L)=2.4mm×20mm和2.6mm×24mm时,组合喷洒均匀性系数的数值以及它随组合间距的变化趋势都很接近,位差×作用区长度(H×L)=2.8mm×28mm喷嘴的组合均匀性系数变化趋势更加平稳;组合间距为8～10m时,不同θ的组合均匀性系数相差在2%以内;组合间距为10m以上时,组合均匀性系数随着θ的增大而增加。对于9种试验喷嘴,组合均匀性系数均随着组合间距的增加而降低,初步提出了旋转式射流喷头在正方形布置时最佳组合间距为10～12m,为其在工程应用中提供理论数据。     

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。     

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。     

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。     

卷盘式喷灌机移动喷洒均匀度计算模型构建与应用

卷盘式喷灌机移动喷洒均匀度是衡量灌溉质量的重要指标。现有卷盘式喷灌机组均匀度计算方法或过于繁琐,或显计算精度不足。该研究提出一种基于最小二乘法的移动喷洒均匀度计算模型,模型计算结果与实测结果偏差在6%以内。应用该模型对配备50PYC垂直摇臂式喷枪的卷盘式喷灌机进行模拟,结果表明:不同工作压力下的灌水深度呈梯形分布,移动喷洒均匀度随喷枪工作压力的升高略有提升。喷枪辐射角对机组的喷洒均匀度有较大影响,喷枪辐射角为180°、220°和270°时,移动喷洒均匀度系数分别为61.4%、69.9%和71.9%。喷枪辐射角的增大可有效提高喷洒域内各点的灌水历时,从而降低平均喷灌强度,减小地表径流的发生概率。移动喷洒均匀度系数随组合间距的增加先增高后降低,组合间距在1.5R~1.7R时的组合喷洒均匀度系数不低于85%。综合考虑喷枪辐射角和组合间距双因素对移动喷洒均匀度的影响,该工况下喷枪辐射角的适宜范围为240°~320°,组合间距的适宜范围为1.4 R~1.7 R。该研究结果可为卷盘式喷灌机组运行参数的优化配置提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。