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,C...     

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。     

安装高度和工作压力对育苗喷头水力性能影响的试验研究

【目的】探究安装高度及工作压力对育苗喷头水力性能的影响,得到育苗喷头适宜工作条件,优化育苗喷头喷洒水力性能。【方法】选取育苗喷头的安装高度为0.5、0.6、0.7 m,分别测试其在200、250、300、350 kPa工作压力下单喷头的水量分布。基于水量平衡原理,建立移动喷洒水量分布计算模型,将单喷头定喷水量分布转换为喷头移动水量分布,计算出不同组合间距下的均匀性系数,并对组合间距-工作压力-均匀度进行多项式拟合,得到不同安装高度下的拟合公式。【结果】在0.5～0.7 m范围内,增大喷头的安装高度能提高单喷头水量分布的均匀度、降低峰值喷灌强度;单喷头平均喷灌强度随压力的增大而增大;工作压力相同时,组合均匀性系数随着组合间距的增大多呈现先减小后增大再减小的趋势;安装高度相同时,喷头组合均匀性系数随压力的改变所呈现的变化规律不明显;试验条件下,喷头的最优工况为:安装高度0.5m、工作压力300kPa,组合间距0.5m,组合均匀度98.08%。安装高度升高时,单喷头喷洒辐射面积增大,喷头喷灌强度峰值降低,水量分布更均匀,工作压力升高时,各测点喷灌强度增大,喷洒范围更广。【结论】在试验条件下,...     

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。     

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.     

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。     

摇臂喷头低压掺气情况下田间组合喷灌试验研究

为了对比掺气喷头与摇臂喷头对灌水均匀性改善的效果,采用田间组合喷灌试验的方法对比了两类喷头在较低工作压力时的性能.采用平均喷灌强度和喷灌均匀系数为主要评价指标,其中对于喷灌均匀系数主要讨论了工作压力和组合间距的影响.试验结果表明:掺气喷头和摇臂喷头的平均喷灌强度理论值与试验值差异在5%左右,说明低压、微风环境下试验的蒸发漂移损失小.在组合喷灌间距均为1.0R时,掺气方法提高喷灌均匀系数,使均匀系数达到并超过标准中规定的75%的要求.在1.0R,1.1R,1.2R这3种组合间距情况下,掺气喷头的喷灌均匀系数均高于同型号摇臂喷头2.2%~5.8%.     

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。     

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。     

出口可调式变量喷头喷灌均匀性

以喷洒域形状和水量分布均匀性为指标研究变量喷头的喷灌均匀性,分析了影响PY2系列喷头射程和水量分布的关键因素,得知改变单一参数的变量喷头喷灌均匀性较差.为提高变量喷头的灌溉均匀性,设计了出口可调式的变喷洒域喷头,使用流量调节机构改变喷头工作压力,使用出口调节机构改变喷头出口面积,通过出口面积和喷头工作压力的同步调节实现均匀喷洒.测试了出口可调式变量喷头的水力性能,对比了圆形喷嘴变量喷头和出口可调式变量喷头水量分布,出口可调式变量喷头不同射程处喷灌强度相近,喷洒性能优于圆形喷嘴变量喷头.计算了变量喷头的方形喷洒域系数和不同间距下的组合灌溉均匀性,结果显示BPY20变量喷头的方形喷洒域系数为97.8%,最佳组合间距为1.66,组合灌溉均匀性为75.4%;BPY30变量喷头的方形喷洒域系数为91.5%,最佳组合间距为1.69,组合灌溉均匀性为77.2%.     

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。     

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。     

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.     

Spatial and temporal distributions of nitrogen and crop yield as affected by nonuniformity of sprinkler fertigation

Deep percolation and nitrate leaching are important considerations in the design of sprinkler systems. Field experiments were therefore conducted to investigate the influence of nonuniformity of sprinkler irrigation on deep percolation and spatial distributions of nitrogen and crop yield during the growing season of winter wheat at an experiment station in Beijing, China. Three experimental plots of a sandy clay loam soil in the 0–40 cm depth interval and a loamy clay soil below 40 cm were irrigated with a sprinkler irrigation system that had a seasonal averaged Christiansen irrigation uniformity coefficient (CU) varying from 72 to 84%. Except for the fertilizer applied before planting, fertilizer was applied with the sprinkler irrigation system. The corresponding seasonal averaged CU for fertigation varied from 71 to 85%. Daily observation of matrix water potentials in the root zone showed that little deep percolation occurred. Consequently, the effect of sprinkler uniformity on deep percolation was minor during the irrigation season for the soil tested. Intensive gravimetric soil core samplings were conducted several times during the irrigation season in a grid of 5 m × 5 m for each plot to determine the spatial and temporal variation of NH₄-N and NO₃-N contents. Soil NH₄-N and NO₃-N exhibited high spatial variability in depth and time during the irrigation season with CU values ranging from 23 to 97% and the coefficient of variation ranging from 0.04 to 1.06. A higher uniformity of sprinkler fertigation produced a more uniform distribution of NH₄-N, but the distribution of NO₃-N was not related to fertigation. Rather it was related to the spatial variability of NO₃-N before fertigation began. At harvest, the distribution of dry matter above ground, nitrogen uptake, and yield were measured and the results indicated that sprinkler fertigation uniformity had insignificant effects on the parameters mentioned above. Field experimental results obtained from this study suggest that sprinkler irrigation if properly managed can be used as an efficient and environment-friendly method of applying water and fertilizers.