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。     

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。     

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。     

两种园林地埋式喷头组合喷洒性能的模拟试验

根据Hunter和Rainbird公司分别提供的PGP型和R50型园林地埋式喷头的径向水量分布曲线资料,在正方形和正三角形两种布置形式下,分别进行了不同组合系数的喷洒性能模拟试验.结果表明,在最大零漏喷范围内,喷灌均匀系数的大小与组合形式关系不大,主要取决于喷头结构及径向水量分布曲线的特点;当组合系数为0.9～1.4时,喷灌均匀系数为 77.5%～95.1%.喷灌均匀系数、分布均匀系数和喷灌草坪水利用系数之间存在较为密切的线性关系,该文给出了喷灌均匀系数与分布均匀系数及喷灌草坪水利用系数之间的统计回归公式.一般情况下,喷灌均匀系数越大,分布均匀系数和喷灌草坪水利用系数呈增大趋势.     

全射流喷头结构参数正交试验

为进一步掌握全射流喷头的设计方法,本文初步提出全射流喷头设计方法.采用四因素三水平的正交试验,得出喷头最佳结构参数值.影响步进频率主次顺序为收缩角、取水孔角度、位差和作用区,影响步进角度主次顺序为位差、收缩角、取水孔角度和作用区.系列喷头重要结构参数中,基圆孔大小由喷头型号决定,补气孔和入水孔设计方法相同,收缩角选取14°,取水孔角度选取30°,二次曲线方程回归分析得出位差与喷头基圆孔函数关系式,作用区与喷头基圆孔函数关系式.     

喷头组合间距、工作压力和布置形式对喷灌均匀系数的影响

以30 PSH喷头为例,用正交方法分析了喷头的组合系数、工作压力、布置形式对喷灌均匀系数影响的强弱顺序,其顺序为:组合系数对均匀系数的影响要大于工作压力,而工作压力对均匀系数的影响又大于布置形式。以及采用等腰三角形,组合系数为1.2 R,工作压力为0.3 MPa左右时能达到最佳的均匀系数。这些结论对喷灌工程设计有非常重要的指导意义。     

全射流喷头重要结构参数对水力性能的影响

喷头是喷灌系统中的关键部件,其性能好坏直接影响喷灌的效果。该文提出了一种国内原创的全射流喷头,分析了全射流喷头重要结构参数对其工作性能的影响,通过改变样机尺寸的试验验证理论分析的正确性。结果表明,试验结果与理论分析相符合,影响喷头工作状态的主要结构参数包括信号嘴插拔深度、间隙C、导管长度、位差大小和作用区长短等,最后提出了样机的最佳结构参数。     

喷灌水量分布均匀性评价指标比较及研究进展

为提高喷灌水量分布均匀性评价的准确性和可靠性,将喷灌水量分布均匀系数分为基于平均偏差的均匀系数、基于标准偏差的均匀系数、强调部分水量特征的分布均匀系数、基于概率分布函数的均匀系数和基于空间分布函数的均匀系数5大类,并对这些均匀系数的特点及其相互关系进行了分析和推导。结果表明：各均匀系数互有联系,但评价的侧重点各不相同,应根据评价和研究目的的不同选用相应的均匀系数对均匀性进行综合评价。最后指出今后研究重点应对均匀系数计算方法之间的差异和均匀性测试试验中不确定性因素进行定量分析,提高均匀系数计算结果的可靠性和可比性,为今后制订更具体、更准确的喷灌均匀系数测试和评价标准提供参考。     

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°。     

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。     

周边进水沉淀池配水槽设计方法的配水均匀性模拟研究

为分析周边进水沉淀池配水槽各种常用设计方法的实际效果,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对直径为20m沉淀池进水槽进行了三维稳态模拟,比较了各种设计方法下配水孔的配水、配泥质量流量的均匀性,模拟以Eulerian-Eulerian multiphase model中的均匀混合连续流体模型(homogeneous model)为框架,包含配水槽中的水、污泥颗粒和水面上部的大气三相,设计方法选择了工程实践中常用的变槽宽定孔径、变槽宽变孔径、定槽宽定孔径和定槽宽变孔径4种配水槽设计方法。模拟结果显示:4种配水槽设计方法中各配水孔质量流量的标准差最小在10%左右,变槽宽的等流速设计整体来说配水、配泥相对均匀,可以考虑优先采用;变孔径设计孔径变化很小,但当采用等槽宽设计时,配水、配泥质量流量的均匀性改善明显。     

喷灌水量分布均匀性评价指标的试验研究

利用多喷头组合喷洒试验研究了分布均匀系数ＤＵ与喷灌均匀系数ＣＵ之间的关系。试验表明,ＤＵ随ＣＵ的增大而线性增加,当ＣＵ等于规范规定值７５％时,ＤＵ值约为６６％。通过田间试验探讨了喷灌均匀系数对水量在土壤中分布均匀程度的影响。发现喷灌水量在土壤中的分布比其在地表的分布均匀得多,这一结果为合理降低喷灌均匀系数设计值提供了一个新的研究空间。该文还对作物冠层对喷灌水量分布的影响进行了田间试验,结果指出,冠层截留可以使喷灌水量分布的均匀性得到一定程度的改善。     

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。     

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。     

田面平整精度对畦灌系统性能影响的模拟分析

利用不同田面平整精度处理下获得的田间畦灌试验资料完成对地面灌溉模型SRFR的验证,在此基础上,针对不同的灌水时间条件设置,模拟3种典型地面平整状况下的水流推进与消退过程和畦田水分入渗分布状况,分析讨论田面平整精度对畦灌系统性能的影响。模拟结果表明,随着田面平整精度的改善,畦灌系统性能评价指标显著提高。与田面粗平状况相比,激光控制精细平地条件下的灌溉效率可提高34%,灌水均匀度可提高28%。     

基于无线信号传输的喷头水量分布测试系统

现有喷头水量分布测试中存在雨量筒移动难,雨量传感器寿命低,水量分布软件无法展现水量分布图全貌的问题。该文提出了一套基于无线信号传输的喷头水量分布测试系统的解决方案。该系统采用Zig Bee无线技术和霍尔无触点开关改进了传统的双翻斗雨量筒。试验时按照水量分布测试要求将雨量筒以方格或径向布置在整个试验场,每个雨量筒都被编号并作为终端设备于整个网络中发送雨量信号,信号经路由器转送给Zig Bee协调器节点接收数据,最后通过串口由上位机接收。上位机采用Matlab的GUI编写水量分布测试软件,可以实时接收并绘图,计算相关参数、调整水量分布图观察角度和预测组合喷头喷洒情况。通过雨量筒试验,测试了雨量筒的精度和接收灵敏度,雨量筒精度误差不超过0.1 mm/h,接收无遗漏。最后该文对S800型喷头进行了水量分布测试并计算相关参数和绘制水量分布图,测试表明该文的喷头水量分布测试系统满足试验需求。     

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。     

果园风送喷雾机导流板角度对气流场三维分布的影响

风送喷雾条件下,雾滴是在空气流携带下进入果树冠层的各个部位,所以喷雾机气流场的运动和分布对雾滴的分布和穿透非常重要。为了研究果园风送喷雾机导流板角度变化对外部气流速度场三维空间分布的影响,该文采用ICEM建立几何模型,并进行全结构网格划分,采用k-ε湍流模型和CFX求解器进行数值求解。通过变换上导流板角度（30°、45°、60°、90°）与下导流板角度（0°、10°、20°、30°）,来模拟分析风机外部流场在各工况下的空间稳态流场、湍流状态,以及对气流场空间分布的影响。结果表明,下导流板角度由0°增加至30°过程中,由于地面摩擦阻力对气流的影响逐渐减小,同时地面摩擦阻力与两侧空气阻力形成的夹角越来越大,因此单一气流束逐渐分成3条气流束,这样的气流分布优于单一方向气流对果树枝叶的吹动效果,有利于气流携带雾滴进入果树冠层;上下导流板导向气流主要集中在导流板指向区域,因此,导流板的角度设置应根据树冠高度、树干高度来调整。通过设置合理的导流板角度,使得风场分布与果树冠形相吻合,达到仿形喷雾效果。对于行距4 m、树高3.0～3.2 m的果园喷雾,上、下导流板角度均为30°;对于棚架果园,上导流板角度为90°（或卸掉上导流板）,下导流板为30°。该研究有利于指导田间喷雾作业、喷雾参数调整,可达到更好的喷雾效果、减少环境污染。     

玉米冠层对喷灌水量空间分布的影响

作物冠层对喷灌水量分布的明显影响,为了弄清楚作物冠层对喷灌水量分布的影响作用,该文以春玉米为研究对象,进行了多组试验,初步探讨了在不同生育期玉米冠层上部与下部水量的分布情况。田间试验结果表明,玉米冠层对喷灌水量近地表附近分布均匀度有很大影响。喷灌水量到达玉米冠层后,通过4种途径落向地面,即：秆径流水量、叶尖水量、叶下水量和行间水量。这4部分水量在其分布点上的均匀程度很高,但作为一个整体,其水量的连续分布均匀性则很差。可见冠层对喷灌水量分布的影响不容忽视,有必要进一步弄清它们之间的影响机理,这将为喷灌制度的设计提供重要依据。     

负压灌溉下土壤水氮分布对黄瓜氮素吸收和干物质的影响

负压灌溉是一种新型地下渗灌技术,能有效提高作物产量、水分和氮肥利用效率。然而,负压灌溉高效增产的机制尚不明确。因此,试验采用基于“作物主动汲水(Crop initiate drawing water)”原理的负压灌溉系统,探讨了不同供水处理对土壤水氮时空分布特征及其对黄瓜氮素吸收和干物质量的影响。采用盆栽试验,以常规浇灌处理为对照(CK),观测4个供水负压(W1,0 kPa;W2,-5 kPa;W3,-10 kPa;W4,-15 kPa)下黄瓜生育期内土壤水分和氮素的分布特征、黄瓜氮素养分吸收利用、干物质量分布、黄瓜产量和氮素利用效率。结果表明,负压灌溉下黄瓜生育期内土壤水分分布较稳定,盆内土壤水分分布均匀系数比常规浇灌提高了28.00%～59.68%。各供水处理土壤硝态氮收获期比初果期增加40.60%～161.15%。土壤硝态氮在CK 处理下随着土层深度的增加而增加,但在负压灌溉处理下0～7和14～21 cm土层的土壤硝态氮含量显著高于7～14 cm土层(P<0.05)。与CK处理相比,负压灌溉能显著降低14～21 cm土层土壤硝态氮含量,表明负压灌溉有助于降低土壤硝态氮的淋溶风险。负压灌溉能显著提高土壤垂直剖面硝态氮分布均匀性,且该分布均匀性在负压灌溉系统不同供水处理间差异不显著。土壤水氮分布均匀系数与黄瓜累积氮吸收量、产量和氮肥利用效率呈正相关关系,相比CK处理,W2和W3处理显著增加了黄瓜氮吸收量、干物质量和产量,提高了氮肥利用效率。综上所述,与传统灌溉相比,尽管负压灌溉各处理均能显著提高土壤水氮分布均匀性,但是过高或过低的供水负压均可能产生水分胁迫,不利于作物生长发育和产量的形成。