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。     

动态水压坡地喷灌水量分布特性与均匀度研究

针对坡地喷灌水量分布不均匀、灌溉质量较低的问题,将动态水压供水技术引入坡地喷灌,以雨鸟LF1200型喷头为研究对象,分析了动态水压喷灌对喷头流量、射程、喷洒湿润面积、单喷头水量分布和组合喷头水量分布及均匀度的影响。结果表明:对于单喷头而言,采用动态水压喷灌的上下坡射程差在2.3 m左右,动压参数中动压振幅对射程影响较显著,动压喷灌时,振幅建议采用喷头正常工作压力范围内的较大值;单喷头水量分布均匀度在56%左右,动态水压参数对单喷头水量分布和喷灌均匀度影响不显著。在组合喷头的情况下,采用正三角形和矩形布置的均匀度高于正方形布置,其中采用矩形布置喷灌质量最佳。综合考虑工程投资、水量分布以及均匀度,动态水压喷灌时,当喷头采用三角形布置方式时,建议喷头间距为1.0～1.2R(R是喷头平地射程),当喷头采用矩形布置方式时,坡向间距宜采用0.6～0.8R,垂直坡向间距宜采用1.0～1.2R。     

坡地喷灌水滴直径与动能强度分布规律研究

在室内无风条件下应用视频雨滴谱仪实时监测了不同坡度下喷洒水滴直径和速度等信息,研究了不同坡度下水滴平均直径及直径频率沿射程方向的变化规律,分别建立了水滴平均直径、速度与坡度等之间的数学关系。以此为基础,结合坡地喷灌水量分布计算方法,提出了无风条件下坡地喷洒水滴动能强度计算模型,并通过试验验证了该模型的正确性。以雨鸟LF1200型喷头为研究对象,应用该模型重点分析了不同喷头布置方式、间距和坡度对组合喷头打击动能强度分布的影响。结果表明:随着喷头间距的增大,动能强度分布越来越不均匀,且动能强度高值区所占比例不断减小;坡度变化对坡面动能强度分布影响并不明显;三角形布置方式对减小坡地喷灌打击动能强度具有一定作用。同时考虑打击动能强度和水量分布,在坡地喷灌系统设计时,若选用雨鸟LF1200型喷头,建议优先采用三角形布置,且间距为0.8倍的平地喷头射程。     

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.     

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。     

微喷头水力性能及喷灌组合均匀性试验研究

为了解不同因素对微喷头水力性能及喷灌组合均匀性的影响,分别研究了喷嘴直径1.2和1.4 mm的微喷头在工作压力为250,300和350 k Pa下流量、射程、水量分布和喷灌组合均匀性系数变化规律.结果表明:喷嘴直径为1.2 mm的喷头,流量系数为0.005 9;喷嘴直径为1.4mm的喷头,流量系数为0.005 2;工作压力分别为250,300和350 k Pa下,1.4 mm喷嘴直径相比1.2 mm喷嘴直径流量分别增加5.0%,2.4%和3.0%,射程分别增加11%,8%和14%.距喷头距离近处,喷灌强度随着工作压力增大而增大;分别得到喷嘴直径为1.2和1.4 mm的微喷头喷灌强度、距喷头距离和工作压力之间的关系多项式;对于工作范围较小的微喷头,喷嘴直径对于射程影响较大;在相同工作压力下,组合喷灌均匀系数随喷头间距增加而减小,通过计算组合均匀系数发现喷嘴直径1.4 mm的微喷头在300 k Pa下,组合间距为1.0R时,喷灌均匀度最高.     

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。     

地面坡度对喷灌均匀度的影响

地面坡度对喷灌的均匀度影响很大。作者通过野外试验对此作了定量研究,提出了一个不同地面坡度和竖管倾斜度时模拟喷灌水量的模型。虽然该模型是针对无风情况下坡度为0°时的单喷头而提出的,但是实验表明它同样适用于坡地。另外作者还对竖管倾斜度、喷射仰角、地面坡度对喷灌水量分布均匀度的影响作了研究,重点探讨了两种喷灌布置形式(其水量分布曲线类似于克里斯琴森的B型和E型)的情况。结果表明,竖管与地面保持垂直时,可以获得最佳喷洒均匀度,且对土壤侵蚀最小。对陡坡地,喷射仰角较大时,喷灌均匀度较好,但同时受风的影响也增大。     

一种数据转换方法及其在坡地组合喷灌中应用

为解决坡地喷灌研究中试验场地的限制问题,采用平地上的试验数据向坡地上转换的方法来实现。以射流轨迹计算公式为基础,采用网格变换的方式实现数据转换。单喷头平地水量分布经该方法转换后,与坡地试验数据对比,上下坡射程一致,径向水量分布一致。采用三角形平地组合喷灌试验,试验数据转换到坡地后,验证了调节一定的立管偏转角能改善坡地喷灌的均匀性。     

组合方式对喷灌均匀度的影响研究

【目的】研究喷头不同组合方式对喷灌均匀度的影响,得到最佳的组合方式。【方法】根据FYRB471 型喷头在不同工作压力下间距1 m采样所得的无风喷洒降水强度,针对喷头分别呈正三角形、正方形、正六边形等组合方式,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计算了相应的喷灌均匀度。【结果】当工作压力一定时,不同组合方式下的喷灌均匀度都随喷头间距的增大而减小;当喷头间距一定时,组合均匀度与工作压力正相关。当间距小于5.5 m时,不同工作压力下3 种组合方式的均匀度相差不大;当间距大于5.5 m时,随着工作压力或者组合间距的增大,正三角形组合方式所提供的喷灌均匀度最优,正方形组合方式次之,正六边形组合方式最低。正三角形组合方式喷头间距变大时,喷灌均匀度降低;工作压力过大或间距过小时会增加成本,因此农业生产可兼顾考虑效率和成本选择喷头的组合方式以及工作压力,制定合理的喷灌方案。【结论】当组合间距介于5.5 m和8.5 m之间,工作压力介于200 kPa 与320 kPa 时,应考虑采用正三角形组合方式,此时的喷灌均匀度最高,达80%以上;当组合间距小于等于5.5 m时,不同工作压力下的均匀度基本相同,应考虑采用正六边形组合方式,单个喷灌设备覆盖范围最广,成本最低。     

异形喷嘴对变量喷头水力性能的影响

研究了异形喷嘴对变量喷头水量分布的影响.依据面积相同原则设计多种形状的异形喷嘴,测量了异形喷嘴的流量系数、射程和末端水滴直径,得出星形喷嘴射程降低较少,不同压力时水量分布规律相近,可改善低压力下均匀度.对比了星形喷嘴变量喷头和圆形喷嘴变量喷头的水力性能,星形喷嘴变量喷头远射程处平均喷灌强度为近射程处的85％,圆形喷嘴变量喷头远射程处平均喷灌强度为近射程处的79％,星形喷嘴变量喷头水量分布优于圆形喷嘴变量喷头.分析比较了变量喷头水量分布等值线图,结果表明,星形喷嘴变量喷头的水量分布均匀度好于圆形喷嘴变量喷头,方形喷洒域的均匀度好于三角形喷洒域.     

异形流道出口折射式喷头水力性能试验与评价

为探究流道出口形状、工作压力、喷嘴直径对折射式喷头水力性能的影响,设计了矩形、Y形、垭口形3种流道出口的喷盘,通过正交试验测试单喷头移动水量分布,采用线性插值计算射程,利用直接叠加法计算不同喷头间距下组合均匀性系数,并运用综合加权评分法评价了喷头水力性能。结果表明:喷嘴直径、工作压力和流道出口形状对射程均影响显著,而其对单喷头移动水量分布的影响主要表现在水量区域位置和喷灌强度峰值不同。影响射程、喷灌强度峰值和组合均匀性系数的主次顺序为喷嘴直径、流道出口形状、喷头组合间距、工作压力。喷头水力性能最优的因素组合为:喷嘴直径为2.98mm,喷盘流道出口形状为Y形,喷头组合间距为2.5m,工作压力为100kPa。     

变量喷洒全射流喷头水力性能试验

以变量喷洒全射流喷头为研究对象,对正方形和三角形喷洒域分别进行了水力性能试验,测量并分析了喷头的射程和喷灌强度等性能参数.结果表明:三角形比正方形喷洒域最大射程有所降低;三角形和正方形喷洒域水量分布相对均匀;变量喷洒喷头与传统全射流喷头相比,雨滴粒径相差较小;三角形与正方形喷洒域喷头平均喷灌强度相差较小,三角形喷洒域喷头的最大喷灌强度相对平均喷灌强度差值较大.变量喷洒全射流喷头比全射流喷头,组合间距增大、重叠率降低,且单位面积所用喷头数量减少.在组合间距系数为1.25,室外风速小于1.2 m/s情况下,正方形组合喷洒具有良好的喷洒均匀性.     

变量喷洒喷头组合喷灌试验

变量喷头可以根据喷洒地块形状和喷洒量的要求实现射程和流量的同步可控,对精确灌溉具有重要意义.试验研究了基于扇形通孔动静片调节器的变量喷头在系统不同压力工况下组合喷灌时的水量分布及喷灌均匀度等水力性能,并与传统圆形喷洒域喷头进行了对比,研究了变量调节器对喷头性能的影响及其对工作压力的敏感性.工作压力和调节器的双因素重复全面试验结果表明,变量精确灌溉喷头较传统圆形喷洒域喷头单喷头控制面积降低了15.4％,喷灌均匀度提高了9.5％,喷灌强度降低了15.7％,射程损失了5.9％,喷洒域系数可达64.0％.组合均匀度方差分析结果表明,调节器和工作压力以及两者之间的交互作用对组合均匀度都有极显著影响,变量调节器的设计需要满足喷头在不同工作压力工况条件下的性能要求.     

折射式微喷头水力性能试验及工作参数优选

为探究折射式微喷头水力性能并确定其适宜的工作参数,开展微喷头水力性能测试,明晰不同工况下单个微喷头水量分布特征,分析其流量、射程、喷灌强度随工作压力和喷嘴直径的变化趋势。探究在正方形和正三角形组合方式下,工作压力和组合间距变化对喷灌均匀系数CU的影响,基于主成分分析方法,统一相关评价指标,建立折射式微喷头工作参数综合评价模型。结果表明：单喷头的流量、喷灌强度均与工作压力呈正相关,而射程随压力的变化并不明显;正方形和正三角形两种组合方式下,组合间距变化对CU产生的影响明显大于工作压力和组合方式;依据各工况评分高低,对微喷头最优工况做出合理选择,实例应用的结果表明：折射式微喷头最优工况为正三角形组合,工作压力0.25 MPa,组合间距0.4 m。     

动态水压坡地喷灌系统多目标技术参数优化

动态水压供水能够有效提高坡地喷灌水量分布均匀性.为优选出满足喷灌质量要求且经济投入较少双重目标的动态水压坡地喷灌技术参数,以喷头间距、布置方式和动压参数(基础水压、振幅)等需要优化的技术参数为投入指标,以喷灌强度、喷灌均匀度、初始投资和年运行费为产出指标,应用数据包络分析法(DEA)评价决策单元(DMU)有效性,并对非有效DMU进行改进;结合对抗型交叉评价对技术参数做优劣排序,构建了动态水压坡地喷灌技术参数的优化方法.以雨鸟R5000喷头为研究对象,在苜蓿种植面积为1 hm²的坡地上(坡度为10%)进行喷灌系统田间工程设计,最终优选出交叉评价效率最大的动态水压坡地喷灌技术参数:喷头宜采用间距为8 m的正方形布置,基础水压为300 kPa,振幅为50 kPa.     

低压喷头异形喷嘴水量分布均匀性试验研究

为了研究低压喷头异形喷嘴水量分布的均匀性,依据面积相同原则,设计出圆形、三角形、正方形3种以及不同锥角形式的喷嘴,研究低压下异形喷嘴喷头对喷灌水量分布的影响.通过外特性试验测量了异形喷嘴喷头的流量、射程和水量分布,利用Matlab软件分析不同喷嘴喷头的喷洒均匀性,同时采用高速摄影技术观测不同喷嘴形式下喷头射流空间流态.结果表明:同一压力下,随着喷嘴锥角的增大,喷头流量逐渐减小,且正方形喷嘴喷头流量最大,三角形喷嘴喷头流量最小;喷头射程随着喷嘴锥角的增大呈先增大后减小变化趋势,且圆形喷嘴喷头射程最远,三角形喷嘴喷头射程最短.由高速摄影图像可以看出,三角形喷嘴喷头的射流破碎段最短,圆形喷嘴喷头的射流破碎段最长;随着喷嘴锥角的增大,3种喷嘴喷头的射流破碎长度段呈减小趋势;综合射程和雾化效果可知,锥角为45°时圆形喷嘴喷头为最优.同时,通过对圆形喷嘴和异形喷嘴的水量分布均匀性测量,发现异形喷嘴喷洒组合均匀性系数比圆形喷嘴明显要高.     

几种园林地埋式旋转喷头水力性能试验对比与工作参数确定

为了解决园林绿地喷灌中喷头参数选择不当导致灌溉不均匀的问题,对比研究了Rain Bird-3500、Hunter-PGP、Toro-mini-8、K Rain-PRO四种典型园林地埋式旋转喷头的水力性能和经济性参数,确定了四种喷头的适宜运行工作参数。结果表明,四种地埋式喷头的流量、运转速度、组合平均喷灌强度和喷灌均匀系数的变化趋势基本一致;喷头的流量随着工作压力的增大而增大;随着喷头组合间距的增大,平均喷灌强度、喷灌均匀系数和喷头投资总体有下降的趋势;当喷头间距一定时,工作压力越大,喷灌均匀系数逐渐增加。综合喷灌质量、节能性和经济性三方面考虑,建议Rain Bird-3500和K Rain-PRO工作压力以0.20 MPa,组合间距为14 m×14 m为宜;Hunter-PGP的工作压力以0.25 MPa,组合间距采用14 m×14 m为宜;建议Toro-mini-8的工作压力以0.15 MPa,组合间距以12 m×12 m为宜。     

安装高度对折射式微喷头水力性能的影响

选取折射式微喷头,在200kPa工作压力下,测试0.5、1.0、1.5、2.0和2.5m安装高度下的单喷头水量分布。利用surfer软件绘出单喷头水量分布等值线图,对图中喷头中心至喷灌强度为0.15mm/h等值线的距离,多次测量取平均值,以确定射程。采用叠加法,计算出不同喷头间距下的组合均匀性系数。结果表明:随着喷头安装高度的升高,射程增加,单喷头喷灌强度峰值降低。不同喷头安装高度下,最高组合均匀性系数对应的最佳喷头间距不同,但均不超过0.9倍射程。0.5m喷头安装高度的射程最小、喷灌强度峰值最大、最高组合均匀性系数最低,为最不利安装高度。     

滚球内驱动喷头水力性能试验与工作参数确定

在室内无风条件下对进水口直径为1/2″的滚球内驱动喷头进行了水力性能试验,探讨了导流体有孔或无孔条件下的喷头流量、运转速度和径向水量分布情况,研究了导流体进水口角度对喷头组合喷灌均匀度和末端水滴直径分布的影响,提出了喷头运行工作参数。结果表明,导流体孔口除了对喷头运转速度的影响较大以外,对喷头流量和径向水量分布的影响均不明显;随着工作压力的逐渐增加,导流体有孔或无孔条件下的径向喷灌强度整体有所上升,当工作压力增至0.35 MPa时,其水量分布曲线大致呈三角形。工作压力为0.25 MPa、导流体进水口角度为19°下的喷灌质量和经济性均较好,其适宜水滴频率占33.2%,在所有工况中占比最高。综合喷灌质量和经济性两方面考虑,在实际工程设计时,建议滚球内驱动喷头工作压力设置为0.25 MPa,导流体进水口角度选择19°,且喷头组合间距以14 m×16 m为宜。