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。     

隙控式全射流喷头性能特点及与摇臂式喷头的比较研究

研制了一种新型旋转式喷头——隙控式全射流喷头，介绍了其结构形式及工作原理。首次对二种PX10型号的全射流喷头及一种PY210摇臂式喷头的水力性能进行了对比试验及分析。研究表明：隙控式全射流喷头的流量大于试验用PY2摇臂式喷头8％左右，射程比摇臂式喷头的射程明显加大，最大增幅达到31％。全射流喷头水量分布均匀性与摇臂式喷头相当，但末端雨滴直径小于摇臂式喷头。由于其独特的射流元件及反向机构，全射流喷头结构简单，性能优良，价格低廉，具有显著的节能效果及良好的市场前景。     

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。     

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。     

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°。     

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。     

负压反馈射流喷头主副喷嘴直径及流道结构参数的优化

负压反馈射流喷头是一种基于射流脉冲特性设计的全圆旋转灌溉喷头。喷头的主副喷嘴尺寸组合对该型喷头脉冲特性和水力性能影响较大。为确定主副喷嘴直径的设计区间及各流道结构参数对喷头性能的影响,首先利用单因素数值模拟方法确定具有良好脉冲效果的主副喷嘴直径设计区间,再以进口流量和射程为评价指标,进行了九因素四水平正交试验。采用极差分析法和相对影响指数评价法处理正交试验结果,得到了喷头主副喷嘴最佳尺寸组合与内部最优流道参数,加工优化后样机进行优化前后喷头水力性能对比试验和数值模拟验证试验。结果表明,在0.15～0.30 MPa工作压力范围内,主、副喷嘴直径的设计区间分别为4.0～4.5 mm、3.5～4.5 mm,最优流道结构具体参数为位差比0.475、侧壁倾角12.0°、劈距比9.0、深宽比2.5、相对曲率半径比3.0、主副喷管相对长度组合8 cm×6 cm、主副喷嘴组合4.5 mm×3.5 mm、仰角30°。优化后的样机比优化前的进口流量降低了12.1%～14.6%、射程增加了6.5%～9.4%,优化后喷头的中近程降水深较优化前减小,远处降水深增加。优化后试验值与模拟值的归一化均方根误差指标分别为4.2%和6.7%,说明优化效果较好,水体模型精度较高。研究提出的最优流道结构参数及研究过程可为喷头后续设计提供参考。     

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.     

全射流喷灌喷头射流元件的流场分析

全射流喷灌喷头射流元件对喷头工作性能有重要影响,其内部液气两相流动影响着射流元件的尺寸设计。采用流体体积函数两相流数学模型,对射流元件稳定附壁情况下二维及三维流场进行数值模拟,获得射流元件壁面压力分布规律、射流中线速度衰减规律、无因次附壁点距离和液气两相界面坐标位置。壁面静压试验数据与计算值对比具有一致性。在相同入口速度下,随着偏移率的增大,射流元件壁面压力极大值减小,附壁点下移。归纳出小偏移率情况下无因次附壁点距离与偏移率的经验关系式。该研究为射流元件的尺寸设计提供依据。     

喷头导流器位置参数的计算及其对喷头性能影响

为了准确调节喷头导流器的位置,分析了垂直摇臂式喷头叶片式导流器在水射流中的运动过程,计算了导流器与摇臂转动轴间的距离、导流器中心线偏移射流中心的角度、导流器直叶片与射流中心线的夹角等3个参数各自的关系式。采用二次回归正交组合试验研究了导流器的位置参数对喷头的摇臂频率、步进角度和喷灌均匀度的影响规律。结果表明:影响摇臂频率的主次顺序依次为导流器偏移射流中心的角度、导流器直叶片与射流中心线的夹角和导流器与摇臂转轴之间的距离;影响步进角度主次顺序依次为导流器偏移射流中心的角度、导流器与摇臂转轴之间的距离和导流器直叶片与射流中心线的夹角。摇臂频率随着导流器与摇臂转轴之间的距离增大而减小,导流器偏移射流中心的角度和导流器直叶片与射流中心线夹角增大而增大;喷头的步进角度随着三者的增大而减小。优化之后导流器的位置参数分别为:导流器与摇臂转轴之间的距离为273 mm、导流器偏移射流中心的角度为4°、导流器直叶片与射流中心线的夹角为13°。导流器位置参数优化之后,喷头的水量分布更加合理;且随着组合间距的增加,优化之后的喷灌均匀度要大大高于优化之前。该研究可为垂直摇臂式喷头的设计及优化布置提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

恒压喷灌系统田间允许调压范围的研究

恒压喷灌系统田间允许调压范围是系统设计的重要参数，关系到田间灌水质量。针对恒压喷灌系统几种压力变化情况，通过试验得到了系统的压力变化规律及一些常用喷头的旋转周期、喷洒强度等随压力变化的一些基本资料，分析了压力变化对平均喷灌强度及组合均匀度的影响。结果表明，在一定压力变化范围内，系统压力的周期变化对平均喷灌强度及组合均匀度影响较小，但不同时段系统在不同压力工况下工作时，则对其影响较大。由此建立了田间喷灌强度及组合均匀度与压力变化的相互关系，给出了根据田间灌水质量要求所确定的压力变化幅度的计算式。