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。     

平移式喷灌机行走速度及喷灌均匀度试验研究

为研究低压喷灌下喷灌机行走速度合理取值以及喷灌均匀度对土壤含水率均匀度的影响,以自行研制的轻小型平移式喷灌机为研究对象,通过室内单喷头试验和田间喷灌试验,探究了特定灌水定额下喷灌机的工作压力与行走速度关系,并对其水量分布、喷灌均匀度以及土壤含水率均匀度随时间变化进行了分析.结果表明：通过确定灌水定额能够计算出平移式喷灌机的行走速度和工作压力：当灌水定额分别为10,15,20 mm时,40~120 kPa喷灌压力下喷灌机行走速度最小为17.27 m/h,最大为58.65 m/h;增大喷灌压力能小范围提高均匀度,40 kPa工作压力均匀度为0.696,60~120 kPa喷灌压力下均匀度变化范围为0.731~0.788,喷灌水在土壤中的二次分布均匀度明显高于地表喷灌均匀度,40 kPa喷灌压力下喷后6 h土壤含水率均匀度达到0.906,24 h后达到0.953,可相应降低喷灌均匀度设计值以降低运行成本,节约能耗.     

基于2DVD的非旋转折射式喷头水滴直径分布规律

采用基于三维视频粒子测量原理的视频雨滴谱仪(Two-dimensional video disdrometer,2DVD)对喷灌机中常用的Nelson D3000型喷头在多个工作压力下水滴直径沿射程的分布进行了测量,分析了水滴直径沿射程的变化趋势及水滴速度、水滴角度与水滴直径之间的关系。结果表明:水滴直径与射程符合指数函数关系,在距离喷头相同测点处,水滴直径随工作压力的升高而减小,而射程末端的水滴直径随着压力的升高而增大;水滴速度随水滴直径增加而增大,两者呈对数关系;水滴落地时与地面夹角(简称水滴角度)随水滴直径增加呈减小趋势,水滴直径小于1.0 mm时,50、100、150和200 kPa工作压力下,与地面夹角为90°的水滴个数占总水滴数的比值分别为90.46%、84.46%、89.91%和89.15%,其余水滴与地面夹角在30°~89°之间,水滴直径在1.0~2.25 mm范围内,水滴角度随水滴直径的增加迅速减小,水滴直径大于2.25 mm时减小趋势变缓,4个工作压力下最大直径水滴落地时与地面夹角平均值为45°;工作压力对于水滴直径与速度、水滴直径与角度之间的关系影响较小。     

折射式喷头喷灌强度及能量空间变化规律研究

采用自计雨量筒、视频雨滴谱仪(2DVD)测得不同工作压力下Nelson D3000型蓝色喷盘、喷嘴直径4.76 mm喷头的喷洒水量、喷灌水滴落地速度及粒径等指标,研究了不同压力下该喷头的水量、能量分布及其扩散规律,建立了不同工况下水量峰值、能量峰值与工作压力及喷灌高度的回归关系式。结果表明:增大喷头工作压力、升高喷头安装高度均有利于水量及能量的扩散;喷头的安装高度过低会导致较高的水量峰值和能量峰值,易产生地表径流,0.5 m高度水量峰值变化范围为166.4~196.4 mm/h,能量峰值变化范围为0.607~0.821 W/m2。喷头水量峰值和能量峰值的计算式可为确定喷灌系统工作压力和喷头安装高度提供参考依据,避免因水量峰值和能量峰值过大而产生地表径流。     

基于弹道轨迹方程的折射式喷头水量分布计算模型

针对折射式喷头水量分布模拟研究较少的问题,通过高速摄像技术测得了不同工作压力和喷嘴型号下水滴射流速度和射流弧度,构建了折射式喷头水束射流速度及弧度的指数模型,在此基础上基于弹道轨迹方程和水滴蒸发模型,采用Eclipse作为开发工具编写出折射式喷头水量分布的计算程序。该软件能够在已知喷头工作参数及环境条件下,模拟出水滴粒径分布、水量分布、能量分布等指标。采用软件计算出不同工况下Nelson D3000型喷头喷洒水力特性,并依据模拟出的单喷头水量分布数据,以24 m平移式喷灌机为例进行多喷头组合叠加,与实测值进行对比,结果表明:基于3种模型下开发出的单喷头水量分布计算软件模拟出的水滴粒径分布及单喷头水量分布与实测值变化的规律相符,模拟准确度较高。不同间距下多喷头组合叠加时,喷灌均匀度相对误差在0.04%~14.77%,变化规律的差异性较小。该软件能够为移动式喷灌机优化设计提供技术支持。     

动态水压下非旋转式折射喷头水力特性

为解决非旋转式折射喷头水量分布集中,打击动能较大的问题,构建了动态水压喷灌测试平台。选择Nelson D3000型喷头为研究对象,施加以三角函数型动态变化的水压,对喷头的径向水量分布与能量分布进行测试,并与恒压条件下的水量和能量分布进行对比。结果表明:构建的动态水压测试平台能够满足对动态供水压力的要求,施加了动态水压的Nelson D3000型喷头径向湿润范围由恒压时的0.85~1.36 m增加到2.55~4.42 m,喷灌强度最大值降低67.6%~78.4%,能量通量密度最大值降低52.9%~71.6%,说明采用动态水压供水可以有效地改善Nelson D3000型喷头的径向水量分布和能量分布。     

旋转折射式喷头动能分布规律试验

以圆形及平移式喷灌机常用的Nelson R3000型旋转折射式喷头(绿色喷盘,4流道)为研究对象,应用2DVD测试100、150和200 k Pa工作压力下的水滴粒径和速度,计算并分析了水滴直径与单个水滴动能之间的关系,单位体积水滴动能和动能强度沿射程的变化趋势。结果表明:单个水滴动能与水滴直径的3.65次方呈正比关系,随着至喷头距离的增加,测点单个水滴动能最大值、最小值及平均值增大;距喷头相同测点处,测点单个水滴动能最大值和平均值随着压力的增加而减小;单位体积水滴动能随着至喷头距离的增加呈指数关系增大;距喷头相同测点处,单位体积水滴动能随工作压力的增大而减小,并随着至喷头距离的增大差异增大;距喷头0~6 m范围内,3个工作压力下动能强度均小于0.02 W/m2,且差异较小;6 m至喷洒范围末端,3个工作压力下动能强度出现最大值,分别为0.117 2、0.082 7和0.052 2 W/m2,在距喷头距离相同测点处,动能强度随工作压力升高而减小。     

流道出射角对单一流道结构非旋转折射式喷头水量分布及均匀性的影响

为探索单一流道结构非旋转折射式喷头水量分布及均匀性与流道出射角之间的关系,以Nelson D3000型蓝色喷盘为本体,设计7个不同流道出射角(-45°、-30°、-15°、0°、15°、30°、45°)的喷盘,测试并分析了50kPa压力下的实际射流出射角和单流道水量分布,模拟了单喷头水量分布和3.0m喷头间距下的组合水量分布,并计算出组合均匀性系数。结果表明,实际射流出射角略大于喷盘流道出射角。当流道出射角由-45°增至15°时,射程增大2m,单流道径向点喷灌强度最大值降低59%,径向湿润范围增加91.94%,垂直于径向的水量分布更均匀,且单喷头喷灌强度峰值减小,组合喷灌强度最大值下降;但流道出射角继续增至45°,各水量分布反而不均。流道出射角为15°喷头的单流道水量分布、单喷头水量分布和组合喷头水量分布较好。组合均匀性系数随流道出射角的增加呈先增大后减小的变化趋势。