基于正交试验法下对喷灌均匀性影响因子的综合分析

为了优化轻小型平移式喷灌机组灌溉施肥工况,在喷灌工作压力为0.25 MPa,比例吸肥泵进出口压力为0.22 MPa情况下,设计正交试验以研究施肥浓度、喷头车行走速度和喷灌高度3个因素对轻小型平移式喷灌机组水肥一体化性能的影响;对试验结果进行极差分析和方差分析,获得三因素的最佳水平组合并对比三因素影响因子大小.试验结果表明:(1)影响轻小型平移式喷灌机组肥液浓度均匀度(CU₁)及肥液浓度分布均匀度(DU₁)的主要影响因素是喷灌高度,而施肥浓度和行走速度对其影响较小,显著性均大于0.05.(2)影响肥液质量均匀度(CU₂)最主要因素是喷头车行走速度,其次是喷灌高度,而施肥浓度对其影响不具有统计学意义.(3)施肥浓度、喷灌高度和行走速度对肥液质量分布均匀度(DU₂)影响因子显著性均大于0.05.(4)最优施肥技术水平组合为A1B2C2,即施肥浓度为0.4 g/L,喷灌高度为1.2 m,行走速度为30 m/h.     

肥液种类及浓度对滴灌施肥系统水力性能的影响

为探索肥料因素对滴灌施肥系统水力性能的影响,通过试验研究了肥液种类和浓度对滴灌带滴头流量和均匀度等水力特性的影响.结果表明:滴灌出流特性受肥料溶解性能影响,溶解性能越好,影响越小;水溶肥因其全溶于水的特性,对出流基本无影响,是滴灌施肥的首选肥料种类;复合肥随浓度增大,滴头平均相对流量Dra和灌水均匀度系数CU减小,且浓度越大,Dra、CU减小越大,堵塞率增大,滴灌带堵塞风险加大;不同温度复合肥加肥浓度阈值不同,10℃、20℃、30℃、40℃时其浓度阈值分别为4.0 g/L、5.0 g/L、7.0 g/L和8.0 g/L.实际应用中滴灌施肥系统根据温度等环境条件选取相应肥液浓度可控制系统堵塞风险.     

PY30摇臂喷头掺气状况下性能对比

掺气喷头是在以PY30摇臂喷头为结构基础的前提下,从摇臂喷头的中部插入掺气管,形成气液两相射流,所得到的新型喷头.在保证2种喷头工作压力分别在100,200,300 kPa并具有相同流量的前提下,试验研究了掺气与不掺气以及掺气量变化对喷头径向水量分布、射程等因素的影响,并以正方形布置方式为例,计算出不同组合间距下的喷洒均匀性系数.试验结果表明:在喷头工作压力和工作流量相同的情况下,摇臂喷头与掺气喷头的射程近似相等;在掺气管相对喷嘴出口端面移动距离依次为-1.5,0,2.0 mm状态下,掺气管吸入负压逐渐增强,掺入的气体流量增大,此时掺气喷头的径向水量分布与摇臂喷头的径向水量分布相比,喷头的射流轨迹中段降雨量逐渐增强,峰值趋于区间化;在200,300 kPa工作压力下,掺气喷头的最佳组合间距均为R,喷灌均匀性系数分别高于摇臂喷头2.5%和1.9%.     

平地向坡地转换喷灌水量分布计算模型研究

针对坡地喷灌水量分布实测困难问题,以坡地喷头射程计算公式为基础,依据喷头射流方向总水量守恒原理,构建了喷灌水量分布由平地转换到坡地的计算模型,并通过试验验证了模型的正确性。利用该模型,分析了喷头布置方式、喷头间距、工作压力和坡度等对坡面喷灌水量分布的影响,结果表明,三角形布置有利于坡地单喷头水量分布的叠加,且其组合喷灌均匀度略高于方形布置;随着喷头间距的增大,组合喷灌均匀度呈下降趋势;喷头低压运行时,组合喷灌均匀度相对较低,不能满足喷灌均匀性的要求,随着喷头工作压力的增大,组合喷灌均匀度逐渐增大;在一定坡度范围内,不同坡度对水量分布和组合喷灌均匀度的影响较小。因此,在坡地喷灌系统设计时,若选用雨鸟LF1200型喷头,建议采用三角形布置,喷头间距宜为1.0~1.2倍平地喷头射程,喷头工作压力宜选用300 k Pa。     

喷灌水量分布由平地向坡地转换计算模型研究

针对坡地喷灌水量分布实测困难问题,以坡地喷头射程计算公式为基础,依据喷头射流方向总水量守恒原理,构建了喷灌水量分布由平地转换到坡地的计算模型,并通过试验验证了模型的正确性。利用该模型,分析了喷头布置方式、间距、工作压力和坡度等对坡面喷灌水量分布的影响,结果表明,三角形布置有利于坡地单喷头水量分布的叠加,且其组合喷灌均匀度略高于方形布置;随着喷头间距的增大,组合喷灌均匀度呈下降趋势;喷头低压运行时,组合喷灌均匀度相对较低,不能满足喷灌均匀性的要求,随着喷头工作压力的增大,组合喷灌均匀度逐渐增大;在一定坡度范围内,不同坡度对水量分布和组合喷灌均匀度的影响较小。因此,在坡地喷灌系统设计时,若选用雨鸟LF1200型喷头,建议采用三角形布置,喷头间距宜为1.0～1.2倍平地喷头射程,喷头工作压力宜选用300k Pa。     

喷灌水量分布动态模拟与均匀性研究

为研究压力、喷头组合方式和插值方法对喷灌均匀系数CU和分布均匀系数DU这两个评价指标计算结果的影响规律,利用雨量筒径向间隔为1 m的FY RB-471型喷头无风喷洒试验数据,模拟出了喷头在不同压力下的水量分布情况。在喷头矩形组合方式和正三角形组合方式下,采用线性插值、立方插值、三次样条插值、距离插值和平面插值法计算了不同压力下的喷灌均匀系数和分布均匀系数。结果表明,采用三角形组合方式比矩形组合方式计算的喷灌均匀系数CU高1.56~4.77个百分点,同样,三角形组合方式比矩形组合方式计算的分布均匀系数DU高4.26~9.19个百分点;不同的插值方法对喷灌均匀系数与分布均匀系数的计算结果影响不明显,而压力是影响喷灌均匀系数的一个重要因素。     

射流式喷头水量分布动态仿真及试验

【目的】研究工作压力,喷头组合间距、组合斱式和旋转速度对射流式喷头及多喷头组合喷灌均匀性系数(CU)和分布均匀系数(DU)的影响。【斱法】采用不同工作条件下单喷头和多喷头组合喷灌水量分布的动态仿真代码,对射流式喷头开展了水力性能试验;研究了射流式喷头在不同工作压力及安装高度条件下对喷灌强度、水量分布的影响;建立了水量峰值强度与工作压力的回归关系式;模拟了单喷头在正斱形和三角形组合喷灌下的空间水量分布。【结果】喷头在1.5 m安装高度、100~300 kPa压力条件下,水量峰值集中在5 mm/h附近,标准偏差(STD)为0.23。喷头在100 kPa工作压力,安装高度为1.1、1.3 m的水量峰值强度分别可高达8.9、10.5mm/h。不同工作压力下的单喷头喷灌的DU和CU标准偏差分别为15.5%、9.3%,且DU对压力的变化相对更为敏感。【结论】在实际喷灌工程中正斱形组合喷灌的间距应小于8m,三角形组合喷头之间的间距应布置在8m附近,此时的喷灌均匀度最高,单个喷灌设备覆盖范围最广,成本最低。     

圆形喷灌机泵注式施肥装置设计与田间试验

圆形喷灌机水肥一体化作业时对喷洒肥液均匀性有较高要求,需要采用比例施肥装置,确保注入喷灌机的肥液流量保持恒定。为此设计了基于柱塞式注肥泵的泵注式施肥装置,并以注射喷嘴的孔口直径、安装位置以及注肥泵的电源频率为变量,进行了圆形喷灌机应用泵注式施肥装置的喷灌施肥均匀性试验。结果表明,圆形喷灌机停止状态下,注肥泵电源频率50 Hz运行时,3种注射喷嘴孔口直径和3种安装位置的组合工况下喷灌施肥的均匀系数CU为99.00%~99.65%,变异系数CV为0.46%~1.37%,其中当注射喷嘴孔口直径为2.5 mm、安装在进水管水平段位置的工况时获得的喷灌施肥均匀性最佳。圆形喷灌机行走状态下,测得单列雨量筒喷灌施肥均匀系数C*UH为88.77%~90.66%,表明圆形喷灌机采用泵注式施肥装置能够获得较高的喷灌施肥均匀性。此外,通过对比注肥泵电源频率在50 Hz和46 Hz时的喷灌施肥均匀性,发现喷头喷洒肥液的电导率总平均值与电源频率之间具有显著的正相关性,表明改变注肥泵的电源频率是圆形喷灌机实现高均匀度变量喷灌施肥的一种有效途径。     

不同工况对喷灌水量分布的影响

为了探究不同工况对射流式喷头喷灌水量的影响,通过对射流式喷头在不同组合间距和工作压力下的水量分布数据进行分析,拟合出了喷头在不同工作压力及组合间距下的降水强度,采用克里斯琴森均匀系数和分布均匀性系数计算了相应的喷灌均匀度.结果发现喷头组合间距在1.0R~1.4R变化时正方形组合喷灌的CU值随喷头间距的增大呈下降趋势,CU值均大于70%;1.0R和1.2R组合间距下正方形组合喷灌低值区域的占比比三角形组合高,而1.4R的组合间距则与上述相反;当压力由0.1 MPa升至0.3 MPa时三角形组合喷灌区域的灌水峰值随着压力的增大呈先减小后增大的趋势;在正方形组合形式下增大工作压力有利于提高喷洒区域内的均匀性;压力损失并不总是降低喷灌的均匀性,0.2~0.3 MPa压力下,10%的压力损失对喷头喷灌均匀性几乎没影响;射流式喷头1.4 m安装高度、0.25 MPa压力下宜采用1.4R间距的三角形组合.     

20PY2摇臂喷头掺气情况下的低压喷灌效果

20PY₂掺气喷头是以20PY₂摇臂喷头结构为基础,引入气液两相流理论得到的一种喷头.以20PY₂掺气喷头为研究对象,研究其低压下的喷灌效果,并对比摇臂喷头的喷灌效果.试验评价指标:平均喷灌强度、蒸发漂移量、喷灌均匀系数及分布均匀系数;变量:工作压力和组合间距.试验结果表明:与摇臂喷头相比,掺气喷头的射程变化不大,但掺气喷头的平均喷灌强度随工作压力递增,随着组合间距递减;低压下,掺气喷头在风速为1 m/s时的蒸发漂移量约为5%,其组合喷灌的最佳工作压力和组合间距分别为300 kPa和1.1R.掺气喷头喷灌强度峰值与谷值的阶梯性较好,同等数量测点的喷灌强度峰值区间和谷值区间平均值趋向于平均喷灌强度,峰值区间和谷值区间喷灌强度在灌溉总强度中的占比分别低于和高于摇臂喷头.因此,喷灌效果优于摇臂喷头.     

不同水质膜下滴灌棉田盐分空间变异特征

为评价不同水质膜下滴灌棉田土壤盐分空间分布及变异性,采用EM38-MK2型电磁感应仪对微咸及淡水滴灌田块进行盐分调查。解译模型获得的土壤含盐质量比描述性统计特征表明,微咸水滴灌的积盐程度高于淡水滴灌,但其变异系数相对较小。采用GS+软件拟合最优半方差函数模型,微咸水处理为指数模型,淡水处理为高斯模型,均表现为强的空间相关性;微咸水处理变程大于淡水处理,增加了土壤盐分的空间相依性。Kriging空间插值及变异分析表明,淡水滴灌棉田土壤盐分微域及全域空间变异程度强于微咸水滴灌,二者均存在影响棉花出苗的盐斑。建议用水紧张时,可基于EM38-MK2型电磁感应仪的盐分调查结果,重点淋洗盐斑集中分布区域,以节水增产。     

基于弹道理论有风条件下折射式喷头喷灌均匀度研究

为计算有风条件下折射式喷头水量分布及喷灌均匀度,以弹道轨迹理论为基础,依据风速分布模型,建立有风条件下折射式单喷头水量分布计算方法,采用该方法模拟出有风条件下Nelson D3000型喷头倒挂安装方式下水量分布特性,通过与实测资料进行对比,验证了模拟具有较高的准确度,可应用于有风条件下折射式喷头水量分布计算。在此基础上,选用4.76 mm(24号)喷嘴直径,模拟出不工况下单喷头水量分布,计算出组合情况下喷灌均匀度,分析了风速、风向、喷头间距、工作压力和安装高度5种因素对喷灌均匀度的影响,并对蒸发漂移损失进行了分析。结果表明:95%的置信区间下,喷头布置间距对喷灌均匀度的影响最显著,其次是安装高度和喷头工作压力,风速和风向对喷灌均匀度影响不显著。风速、喷头工作压力和安装高度都会对蒸发漂移损失产生影响,其中工作压力影响最大。当选用Nelson D3000型喷头在风速小于6 m/s的环境下喷灌时,应将喷头安装间距固定在2.13~3.04 m范围内。另外,该安装间距范围内,喷头安装高度和喷灌压力增大后,喷灌均匀度增大的效果不明显,因此应采用低压喷灌以降低喷灌系统运行成本;考虑到较高的喷头安装高度会产生较大的蒸发漂移损失,喷灌时还应适当降低喷头安装高度,以提高喷灌水分利用率。     

压力对低压喷头水量分布模型影响的试验研究

为研究喷头压力对水量分布模型的影响,以低压喷头为例,对其进行水力性能试验.通过计算矩形组合下不同压力的喷灌组合均匀系数C_u和组合分布均匀系数D_u,探索喷头压力对水量分布模型的影响.结果表明:对于低压喷头,喷灌强度随压力增大先逐渐增大,达到一定值后基本保持不变.在距喷头不同距离时,不同压力下的喷灌强度变化情况不同.在低压范围内,压力对喷灌组合均匀系数和组合分布均匀系数的影响较明显.在100~200 kPa范围下,C_u和D_u均随着压力的增大而增大.在200~300 kPa范围下,C_u与D_u均变化不大.最终提出二者的函数关系式,为多因素下水量分布模型的建立提供理论依据.     

太阳能喷灌系统供给能源与水力性能关系

为了解决太阳能喷灌系统应用中无法对喷头水力性能进行有效预测的问题,以光照强度为影响因素,太阳能喷灌系统泵出口流量、泵出口压力、喷洒射程、水量分布及系统灌溉均匀性系数为评价指标,通过在夏季典型天气25~36℃下的系统水力性能试验,寻找不同光照强度下系统喷洒水力性能的变化规律,获得系统最佳工作状态下所需光照强度.试验结果表明:随着光照强度的增大,系统流量及泵出口压力均增大,泵的流量和压力随光照强度的变化规律基本符合指数分布规律.当光照强度大于900.0 W/m²时,系统流量、泵出口压力、射程及水量分布基本保持不变.获得了平均光照强度与均匀性系数函数关系,当光照强度大于900.0 W/m²时,系统喷灌均匀系数大于88%.当光照强度为200.0~600.0 W/m²时,系统喷灌均匀系数为76%~82%.太阳能喷灌系统在光照强度大于200.0 W/m²时可正常工作.该研究为改善太阳能喷灌系统水力性能,促进太阳能喷灌系统在实际工程中的推广应用提供了参考.