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。     

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。     

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。     

仿形喷洒变量施水精确灌溉技术研究进展

仿形喷洒变量施水技术的概念是作者提出用来表示根据被灌溉地块或区域形状变化的要求实现变量施水的一种精确灌溉技术,具有提高灌溉质量和效率,降低灌溉系统成本的潜在优点.该文分类介绍了这种技术的实现原理、优缺点和适用范围,给出了仿形喷洒变量施水喷头流量射程调节器的一般组成和实现方式.指出了今后这种技术的研究重点应集中在以下3个方面:加强仿形喷洒变量施水喷头关键部件结构尺寸对其性能参数影响的理论和试验研究,为喷头优化设计提供依据;尽快开发应用于园林景观喷灌的地埋式仿形喷洒变量施水喷头产品;积极开展应用于大田喷灌的高均匀度仿形喷洒变量施水喷头组合喷灌技术的研究,以降低现有喷灌工程中喷头和管道的布置密度.     

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。     

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。     

非圆形喷洒域喷头的研究

在分析国内外对非圆形喷洒域喷头实现方法的基础上，对国内外具有代表性的非圆形喷洒域喷头实现方法进行了讨论。通过复合结构与结构简单的异形喷嘴实现非圆形喷洒是两种重要的研究思路，但前者成本高，不利于推广应用。     

非圆形喷洒域喷头的研究

在分析国内外对非圆形喷洒域喷头实现方法的基础上,对国内外具有代表性的非圆形喷洒域喷头实现方法进行了讨论.通过复合结构与结构简单的异形喷嘴实现非圆形喷洒是两种重要的研究思路,但前者成本高,不利于推广应用.     

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。     

全射流喷头压力调节装置损失系数分析及试验

针对变量喷洒全射流喷头工作中压力调节装置压力损失研究不足的情况,根据喷头工作中系统特性发生变化的特点,应用伯努力方程对系统压力变化规律进行了分析。提出压力损失系数为压力调节装置动静片的截面积变化系数及形状系数之和并减去轴向间隙系数,通过计算得到压力损失系数最大值为0.7414,最小值为0.0204。采用虚拟仪器LabVIEW软件测量调节装置前后压力与时间、工作状态之间的关系。结果表明：随着流量的减小,调节装置上游压力增大,下游压力减小,下游压力变化幅度较大。测量得到装置压力损失系数的变化规律,随着流量的减小而增大,最大值为0.582,最小值为0.265。对全射流喷头压力调节装置的设计及改进提供了理论依据。     

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。     

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。     

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。     

旋转式喷头质量评价指标定量筛选方法对比分析

对节水灌溉产品质量评价指标进行定量筛选,可实现借助测定有代表性的指标就能开展质量评价的目的。该文依据室内性能测试数据,借助聚类分析法和主成分分析法对旋转式喷头质量评价指标进行定量筛选,对比分析了两种方法的筛选效果和适用性。结果表明,采用两种方法对旋转式喷头质量评价指标进行定量筛选得出的结论基本相近,在常用的旋转式喷头质量评价的7个指标当中,射程与喷射高度的相关性最强,对农业灌溉中常见的中、低射程旋转式喷头应保留射程而筛除喷射高度指标。考虑聚类分析法着重于每对指标间的相关性,而主成分分析法则注重所有指标间的相关程度,因此利用后者对旋转式喷头及其节水灌溉产品质量评价指标进行定量筛选更为有效。     

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。