考虑水滴运动蒸发的喷灌水量分布模拟

提出了有风条件下喷头水滴运动与喷灌水量分布模拟方法,并利用Visual Basic 6.0开发了喷灌水量分布模拟软件.该软件在已知单喷头的径向水量分布数据时,可以模拟出不同风速、风向、空气温湿度等环境条件下单喷头或多喷头组合的喷灌水量分布,计算出喷灌系统的组合喷灌强度、喷灌均匀系数和蒸发损失率.以9708A型喷头为例,分别对工作压力为0.20、0.25和0.30 MPa下单喷头径向水量分布以及喷灌系统组合间距为14 m x 14 m和14 m×12 m时的喷灌水量分布进行了模拟,并与实测值进行了对比,结果表明:模拟的单喷头径向水量分布与实测值总体一致,由模拟水量分布推算的喷头流量与实测值的相对误差为0.83％ ～8.01％;喷灌均匀系数模拟值与实测值的相对误差为0.69％～6.36％,蒸发损失率模拟值为0.51％ ～ 1.75％,小于实测的水量损失率.模拟了不同组合间距下的喷灌水量分布,得到的喷灌均匀系数模拟值与其他软件比较,相对误差在0.11％ ～2.44％之间.     

旋转式喷头的水力参数及其影响因素

对于一个好的喷头,既要求某机械性能好,即结构简单,工作可靠;又应要求其水力性好,也就是能满足喷灌的主要技术要求(喷灌强度小于土壤入渗率,水滴直径细和喷头组合以后的水量分布均匀),而且在同样工作压力和同样流量条件下射程最远。这些要求是互相矛盾,互相制约的。我们在设计和应用喷头时应全面考虑各方面的要求,不可片面追求某一指标而忽视其他技术要求,例如,我们不可只追求射程远,而不顾水滴直径和水量     

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。     

轻小型喷灌机组相邻喷头工作压力差对喷灌均匀性的影响

轻小型喷灌机组实际应用时由于地势变化、水力损失等因素影响相邻喷头间会存在一定的工作压力差,影响组合喷灌均匀性。故选取灌水均匀系数Cu和分布均匀系数Du作为评价指标,研究喷头工作压力与相邻喷头工作压力差对喷灌均匀性的影响规律。以摇臂式喷头10PY为例,通过试验分析当喷头工作压力取3个水平(0.22、0.25、0.28 MPa)、相邻喷头喷灌工作压力差取5个水平(0、0.01、0.02、0.03、0.04 MPa)时的喷灌均匀性及水量分布。结果表明,相邻喷头间工作压力差对喷灌均匀系数和分布均匀系数的影响会因喷头工作压力等级而异,低压条件这种影响对相邻喷头间工作压力差越敏感; 0.25 MPa下组合喷灌均匀性最稳定;相邻喷头间工作压力差的存在会使灌溉水深高值区向下游移动;分布均匀系数Du更能反映相邻工作压力差对灌溉水量低值区的影响,不同工况下分布均匀系数Du最大偏差为8.2%。上述结论能为轻小型喷灌机的优化配置与运行提供一定的参考。     

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。     

双喷嘴射流喷头数值模拟和射程试验研究

介绍了一种新型旋转式喷头——双喷嘴射流喷头结构形式和工作原理.首先对进水口公称直径为10 mm的射流喷头进行数值模拟研究,得到了主喷嘴和副喷嘴出口的压力和流量变化和射流脉冲频率.通过对宏观和微观条件下的喷头内部流动进行研究,分析了射流喷头的工作机理,主要有控制管内压力水流的流动状态和射流空间的低压涡流的变换过程.对双喷嘴射流喷头的射程进行初步试验研究,在0.05~0.25 MPa条件下,选用6.0,4.0,2.5,1.5 mm的喷嘴进行组合喷灌,结果表明射流喷头的射程范围为6~16 m,射程最远的为喷嘴直径4.0 mm×2.5mm的射流喷头,其次为喷嘴直径2.5 mm×1.5 mm的射流喷头,射程最近的为喷嘴直径6.0 mm×6.0 mm的射流喷头,喷头的射程能满足喷灌要求.     

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.     

动态水压对坡地喷灌水滴直径分布的影响

【目的】探索坡地上采用动态水压喷灌时水滴直径分布规律。【方法】以雨鸟R5000型喷头为研究对象,应用视频雨滴谱仪对坡地喷灌水滴直径沿程分布进行了测量,分别分析了动态水压和恒压模式下水滴直径沿射程变化、水滴直径频率分布及落地水滴速度、水滴角度与水滴直径之间的关系,并比较2种压力模式下上述关系的异同。【结果】①动态水压和恒压喷灌下水滴直径存在差异,随距喷头的距离增加,二者差异逐渐增大;而随坡度增大,二者差异变小。②在喷头附近和射程末端处小水滴数量占绝大多数。③水滴平均速度与水滴直径呈对数增长,压力模式和坡度对速度与直径之间的关系不显著。④垂直落地的水滴频率大小与距喷头距离关系密切,且垂直落地水滴直径较小,压力模式对角度与直径关系的影响不明显。【结论】在坡地上,分别采用动态水压和恒压喷灌时,二者水滴直径分布规律相似,动态水压不会对坡地喷灌造成更不利影响,可应用于生产实践。     

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.     

SD-03型地埋式喷头水力性能试验研究

为了研究不同压力下喷头水力性能,明确工作压力对其他参数的影响,文中对一种喷嘴出口直径为5 mm型号为SD-03的地埋式喷头进行了研究.测量出喷头在200,250,300和350 kPa工作压力下的流量、转速及径向水量分布,并计算出不同压力下的射程.结果表明:流量、射程、转速以及喷灌强度都随着喷头工作压力的增大而增大.此外,在射程计算的经验公式基础上进行了修正,得到了不同压力下,射程公式的修正系数为0.5~0.6;转速随着压力增大而增大,得到了喷头压力和喷头转速的关系多项式;分析喷灌强度的分布曲线,相比于200 kPa下的最高喷灌强度,当压力增大时最高喷灌强度同比增长15.93%~18.67%,为地埋式喷头的后续研究提供了科学的理论依据以及在工程应用中提供了理论基础.     

全射流喷头水滴分布试验及模型

为了探索全射流喷头喷洒水滴直径分布规律,采用激光雨滴谱仪测量技术对喷头的喷洒水滴速度及直径等参数进行测量,并采用个数加权法对水滴分布进行统计分析,总结全射流喷头距喷头不同距离及150~350 k Pa压力工况下的水滴频率分布及水滴累计频率分布的变化规律.研究结果表明:距离喷头越近,喷头喷洒的水滴直径越小,且小直径低速度水滴数量越多,水滴累计频率曲线斜率越大.压力增大时,距喷头不同距离的水滴累计频率曲线斜率逐渐减小,说明水滴直径沿径向大小分布较为均匀.在距喷头不同的距离下,水滴频率呈对数正态分布趋势.将水滴累计频率分布分别采用玻尔兹曼函数与指数函数分布进行对比,2种函数拟合精度均较高,可为全射流喷头喷灌质量的预测提供理论依据.     

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。     

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。     

喷灌喷头抗风调节机制的研究

喷灌是广泛应用的节水技术,喷头的抗风性能是喷灌技术的一个重要指标。通过研究有风条件下喷洒水滴运行规律,建立水滴在空气中运行轨迹的微分方程,分析有风与无风条件下不同粒径水滴的落地点与喷头的距离以及2种条件下的水量分布规律,发现调节喷头俯仰角与喷水量可以提高喷头的抗风性,从而在有风条件下保证喷灌喷头的工作性能不受风力的影响。     

旋转折射式喷头水量分布与喷灌均匀性试验

为了研究喷头工作压力、喷嘴直径和安装间距对喷灌喷洒水深和喷灌均匀度的影响规律,选用喷嘴直径为2.98、3.37、3.77 mm的R3000型旋转式喷盘的折射式喷头进行了研究。测量了3种喷头在0.1、0.2、0.3 MPa工作压力下的径向水量分布,喷灌强度随着喷头工作压力或喷嘴直径的增加而增大。叠加计算了安装间距为2、3、4、5、6 m几种情况下的组合均匀性系数,并通过组合试验与计算结果进行对比,得出组合均匀性系数试验值与模拟计算值的误差在0.5%~11.0%之间,影响因素的主次顺序为喷头安装间距、工作压力、喷嘴直径。结果表明:喷嘴流量系数平均值在0.9以上,说明喷头的性能良好。3种喷嘴的最佳喷灌均匀性系数分别为75.9%、78.2%和85.1%。提出了自制R3000型旋转折射式喷头最佳组合间距为4 m的计算均匀性系数经验公式,为其在工程中的应用提供了理论数据。     

水药一体化喷头结构设计与水力性能试验

将水药一体化技术应用于喷灌系统中,设计了一种新型水药一体化喷头.对喷头结构及工作原理进行分析,采用五因素四水平正交试验,研究在低压150 kPa和中压350 kPa下,喷头内流道结构对喷头流量、射程、喷洒净高度、喷洒均匀性系数等水力性能的影响规律,进而得到水药一体化喷头的最佳结构组合.研究结果表明:在同等条件下,增大喷头出口直径可有效提高喷头流量和喷洒均匀性系数;在相同喷头出口直径下,喷头喷洒净高度随流量的增大而增大,喷头导流孔和导流斜槽结构能有效影响喷头水力性能;影响喷头水力性能的结构因素依次为喷头出口直径、导流孔直径、导流斜槽数量、导流斜槽宽度、导流孔数量;喷头最优结构参数为喷头出口直径3.0 mm,导流孔3个,导流孔直径2.0 mm,导流斜槽3个,导流斜槽宽度0.8 mm.该结果可为水药一体化喷头的设计研制以及工程应用推广提供一定的理论数据.     

“槽型”驱动板对射流脉冲喷头水力性能的影响试验研究

为改善射流脉冲喷头的径向水量分布,基于射流脉冲喷头的“双驼峰”式水量分布以及挡水板结构的特点,创新了一种“槽型”驱动板结构,并进行了正交试验,得到一种新型结构的射流脉冲喷头.发现“槽型”驱动板的各结构因素对射流脉冲喷头喷灌均匀度影响的主次顺序及最优结构为内槽倾角13°、驱动板长度16 mm、槽宽3 mm、侧驱动板倾角17°、驱动板宽度11 mm.当进口压力为 0.15,0.20,0.25,0.30 MPa 时,开展了“槽型”射流脉冲喷头、原射流脉冲喷头与摇臂式喷头水力性能对比试验.试验结果表明:在0.15~0.30 MPa的进口压力下,新喷头进口流量相比原喷头进口流量减小0.12~0.17 m³/h,相比摇臂式喷头进口流量减小0.07~0.16 m³/h.“槽型”射流脉冲喷头喷灌均匀度比原射流脉冲喷头提高 1.25%~7.43%,比摇臂式喷头高 7.84%~14.42%.综合分析表明“槽型”驱动板结构设计合理,对射流脉冲喷头的喷灌均匀性改善显著.研究可为该型国产喷头后续研发和工程应用提供可借鉴的理论参考与数据支撑.     

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。     

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。     

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%.