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。     

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.     

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：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.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.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.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.     

行喷式喷灌机喷灌强度和均匀度的计算

本文根据国外机组引进课题以及几次喷灌机设计计算的总结与研究,说明并推求出时针式喷灌机和平移式喷灌机喷灌强度和均匀度的计算公式,且提出了喷头水量分布的模拟计算方法。文章主要解决了行喷式喷灌机的喷灌强度和均匀度的计算问题。     

太阳能平移式喷灌机光伏优化配置

针对喷灌机季节性用电需求,提出了一种轻小型太阳能平移式喷灌机光伏配置方法,以负载亏电率和能量溢出比为约束指标,以系统全寿命周期成本最小为目标,结合杨凌地区气象资料,对自主研发的太阳能平移式喷灌机驱动行走系统和取水加压系统进行光伏系统的优化配置,得到不同负载亏电率下的供电能量配置组合和全寿命周期成本,并寻求机组光伏阵列最佳布设倾角及系统蓄电池和光伏电池容量的最优配置组合.结果表明:杨凌地区光伏阵列最佳布设倾角为15°左右;太阳能喷灌机阴雨天不灌溉或者少灌溉,配置12块光伏组件和3组蓄电池组,能基本满足作物灌水周期4 d的要求;太阳能喷灌机推广应用时,可适当提高负载亏电率以降低机组造价成本.该方法可用于太阳能平移式喷灌机能量配置系统方案设计和优化,为太阳能在农业机械领域的应用提供参考.     

平移式喷灌机喷头直径的确定

平移式喷灌机的喷头配置,一般是采取等流量,等间距的配置方法。为了避免由于管道上压力造成流量的变化,本文提出一种折射式喷头配置方法,从理论上讲可以将系统的喷洒不均匀度控制在预定的范围内。     

基于开环控制的变量喷头组合喷灌试验

构建了基于开环控制策略的方形域喷灌系统,以喷头转速一致为评价指标,采用逐级计算方法对管路进行水力计算,以优化方形域喷头组合喷灌配置模式。试验研究了单喷头的水力性能,依据单喷头水量分布对喷头组合喷灌均匀性进行了仿真。通过与2喷头组合喷灌试验对比获得以下结论:在实验室条件下对方形域喷头进行仿真计算获得的均匀度数据与组合试验结果基本一致,因此可通过仿真试验研究变量喷头组合喷灌均匀性;基于S800喷头的方形域组合喷灌,其平均喷灌强度为2.8mm/h,组合喷灌均匀度达77%,达到《喷灌工程技术规范》规定的定喷系统均匀系数不低于75%的要求。     

多支点喷灌系统管道的水力计算

本文用数学解析法分析时针式和平移式喷灌机管道上的流量分布,压力分布以及管道上各点的喷头和调压孔配置等实际问题。数学解析法是假设沿输水管均匀地布置许多小喷头,输水管延伸到灌溉地块的边界处,列出微分方程然后求积分以获得流量和压力的分布规律。采用这种方法的优点是可以用于喷头间距变化或不变的任何机组。并从平移式多孔管的压力和流量分布规律,得到多孔管道的设计方法,也就给管道式喷灌系统的正确设计,提供了理论依据。     

基于PWM技术的平移式变量喷灌机喷头流量分配方法

大型平移式喷灌机采用脉冲宽度调制(Pulse width modulation,PWM)技术实现变量灌溉作业,因喷头间喷洒区域相互重叠,由地块管理区的设计处方值求解单喷头流量较为困难。首先根据Nelson R3000型单喷头喷洒特性,得到平移式喷灌机沿桁架方向的一维叠加水量分布特性,以及平移运动后的二维叠加水量分布特性,分析确定了由4个喷头重叠喷洒控制一个管理区,并得到喷头区域喷洒分配率,在此基础上提出了按处方值进行喷头流量分配的加权均分法和基于遗传算法(Genetic algorithm,GA)的分配法。通过管理区喷洒误差分析得出,当相邻处方值变化幅度不超过最大处方值的33%时,精度可以达到5%。为了弥补GA法导致喷洒均匀性下降的不足,将加权均分法和GA法组合应用,有效降低了处方值突变带来的喷洒误差,同时保证了处方值变化较小区域的喷洒均匀性。本文方法可以扩展到4个以上喷头重叠喷洒控制一个管理区的应用场合。     

Assessing whole-field uniformity of stationary sprinkler irrigation systems

The procedure established in the literature for the evaluation of stationary sprinkler irrigation systems is limited in space and time since it is based on a sample of precipitation taken around one sprinkler during a given period of the whole irrigation event. This procedure also ignores what happens in the soil after water infiltrates. A model of the drop trajectory and of the water distribution pattern is formulated here for simulating precipitation from single sprinklers. The operating pressure determines sprinkler flow and maximum throw. Wind and evaporation distort the distribution patterns. The water distribution of individual sprinklers is overlapped to generate precipitation over the whole field and to calculate a coefficient of uniformity. Field effective uniformity is then calculated by averaging precipitation over the extension of plant roots or water redistribution within the soil profile. Application of the model has shown the impact of system management and design, field topography and wind on irrigation uniformity. Management factors such as lateral operation time or riser inclination may account for a large part of the field precipitation variations. A rough topography may also reduce uniformity significantly. Wind speed is important when it exceeds 1.8–2 m s^–1. The allowable maximum pressure loss of 20% fixed as a design criterion seems an overly strict limit when other factors may overcome pressure loss as sources of non-uniformity. The sources of non-uniformity have different scales of variation. Large-scale sources, such as lateral operation time or pressure loss, are not dampened by the crop or soil. Sources of smaller-scale variation, such as wind or inclination of the sprinkler riser, are better compensated by the crop and soil. The application of this kind of model to the design and management of sprinkler irrigation systems is discussed. Received: 9 May 1997     

Can shelterbelts improve sprinkler irrigation performance under windy semi arid conditions?

Field experiments were performed to study the effect that wind shelterbelts has on irrigation uniformity of hand move sprinkler irrigation system located in northwest Kenya. Catch can tests were performed to evaluate the distribution of applied water using coefficient of uniformity and distribution uniformity for plots with shelterbelt and without shelterbelt scenarios. Three medium pressure twin nozzle sprinkler head types were tested to determine their water distribution uniformity at varying wind speed and working pressure and obtained results were statistically analysed. The analysis was used to ascertain the performance of the medium pressure sprinklers under varying wind conditions for the two scenarios. Results indicate that uniformity is improved by wind for wind speeds below 1.4?m/s. Analysis of data from sheltered and unsheltered plots showed a significant difference of uniformity parameters on sheltering with coefficient of uniformity for sheltered plots averaging 84?% compared to 74?% for unsheltered plots. Results indicate that the coefficient of uniformity values were higher than the distribution uniformity values although both had a strong linear relationship with a coefficient of determination above 0.96 in both scenarios. It is concluded that shelterbelts improve sprinkler irrigation performance under windy conditions.     

基于MATLAB全射流喷头组合喷灌计算模拟

对国内原创全射流喷头组合喷灌进行研究后,提出了一种分析处理喷头水量分布数据以实现三维可视化编程的方法.研究表明,MATLAB语言可以方便可靠地将喷头径向水量分布数据转换为网格型数据,并绘制出单喷头和喷头组合的三维水量分布图.通过插值叠加求出各网格点总降水深,求出不同组合间距系数下的全射流喷头组合均匀系数,实现计算结果可视化.根据模拟分析,提出了组合间距系数值：正方形布置时为1.2,各喷头均匀系数平均值为82.4%;三角形布置时为1.5,各喷头均匀系数平均值为85.7%.另外认为,MATLAB语言编程进行喷头喷洒分析具有功能强大,方便快捷,可视性强等优点,适用于任何喷头水量分布的分析.     

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。     

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。     

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。     

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。