摇臂式喷头非圆形喷洒域实现方法和途径

随着喷灌技术快速发展，非圆形喷洒域问题引起人们重视。本文指出了传统全圆或扇形喷洒域喷头存在的问题，讨论了非圆形喷洒域喷头实现意义，并对国内外非圆形喷洒域喷头实现方法及其优缺点进行了归纳总结；在此基础上，通过分析喷头射程的影响因素，给出了非圆形喷洒域喷头实现的理论途径，为以后摇臂式喷头非圆形喷洒域实现方法的研究提供了依据。     

簧片式异形喷嘴喷头的射程试验研究

针对传统圆形和扇形喷洒域喷头在应用中存在漏喷、超喷与界外喷问题,指出其工作的局限性,并提出解决上述问题的新思路,即加装变喷嘴装置,使其根据来流压力的大小自动调节喷嘴出口面积的大小,进而自动改变射程,能够实现非圆形喷洒域的喷洒。给出一种非圆形喷洒域变量喷头异形喷嘴新结构-簧片式,介绍了其结构特征及工作原理,并测量其射程、流量,试验结果表明簧片式异形喷嘴喷头可以实现非圆形变量喷洒。最后指出其待解决的问题为喷洒的均匀度不高,提出研究变量喷洒喷头的建议。     

全射流喷头实现非圆形喷洒域的可行性分析

为了解决节水灌溉中重喷、超喷、界外喷等问题,研究喷头的非圆形喷洒域喷洒的途径有很重要的意义。主要介绍了目前实现非圆形喷洒域喷洒的理论及实现方法。通过改变喷头仰角、进口压力和进口过流面积等因素改变射程,并将其应用于全射流喷头以实现非圆形喷洒域的可行性研究中;结合其工作原理与特点,提出了通过改变全射流喷头的信号水强弱、附壁切换形式等方法来实现非圆形喷洒域的途径。     

柔性凸轮控制实现变量喷洒的可行性分析

旋转式喷头广泛应用于园林绿地灌溉,但旋转式喷头存在圆形喷洒域与地块的不规则形状匹配性差的问题。为解决这个问题,以15PY2型旋转式喷头为基体设计一款基于柔性凸轮控制的变域喷洒的变量喷头,介绍了其结构和工作原理。该变量喷头既可以实现不规则喷洒域也可以实现特定形状的喷洒域。根据喷头射程方程、变量喷头工作方程、减压阀流量方程推导建立了变量喷头的水力学模型,并通过试验测试证明了水力学模型的正确性和基于柔性凸轮的变量喷头设计方案的可行性,为变量喷头设计提供理论参考。     

一款新型非圆形喷洒域喷头的开发

摇臂式喷头存在喷洒域与地块形状不匹配的缺陷,已有的非圆形喷洒域喷头适应能力有限。需要开发一种既能实现不规则形状喷洒,又能扫面覆盖轮廓内所有面积;既能调节最大射程,还要便于批量生产的喷头。采用改变仰角、叶轮驱动的方式开发了一种能满足上述要求的新型非圆形喷洒域喷头。试验结果显示,单个使用时,该新型非圆形喷洒域喷头在节水性能和喷洒均匀性等方面明显优于摇臂式喷头。     

四喷嘴非圆形喷洒域喷头的试验研究(一)

城市化进程的迅速推进，使得非圆形喷洒域喷头有很好的应用前景。介绍一种新型四喷嘴非圆形喷洒域喷头的结构特征，以及它的喷洒机理。并在此基础上指出了该种喷头以后需要改进的方面。     

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%.     

三段管式非圆形域喷头的结构设计及性能测试

针对市面上喷头普遍存在的漏喷、重叠和界外喷洒等问题,研制了一种三段管式非圆形喷洒域喷头,喷头由三段端面为圆且相邻轴线存在夹角的管体组成,管体之间通过轴承相连,构成3对转动副。第一段管体与安装基座相连,通过电机调节第一段管体控制喷头的旋转速率,通过另一台电机改变管体旋转中心线与喷头轴线的角度差实现喷头仰角大范围角度变化,从而精确控制喷头实现均匀、标准的非圆形域喷洒。在保证喷头低廉成本的同时,端部为圆的椭圆筒型设计方便在喷头入、出水口增添不同类型的调节器,综合其他成熟非圆形域喷灌调节措施,以满足不同环境下的喷灌需要。经试验各方面均优于传统喷头,为非圆形喷洒域喷头的设计应用提供了新的思路和方法。     

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.     

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.     

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。     

园林灌溉喷头的水力性能测试分析及应用研究

在园林绿化的维护和管理中，灌溉系统是极其重要的一部分。文中对国内目前应用最多的两种园林灌溉喷头－美国Rainbird公司的R50型及Hunter公司的PGP型喷头作了不同工况下的水力性能测试，并结合喷头的结构对测试数据进行初步分析；在水力性能测试结果的基础上，对园林灌溉系统设计中喷头的合理选用的布置提出了几点建议。     

平移式喷灌机同步行走控制雨量分布仿真

通过单喷头雨量分布室内试验,获取雨量分布信息及出水轨迹信息.利用三维建模、粒子系统等虚拟现实技术,结合实际的雨量分布数据及出水轨迹,模拟出喷头喷洒水雾的三维动态模型.研究喷灌机各跨同步行走时前进方向喷灌雨量分布均匀性,实现前进速度的最优化.分析喷头配置间距和喷头高度对横向灌溉均匀度的影响,优化平移式喷灌机喷头配置.在进行单喷头雨量分布室内试验的基础上,建立了雨量分布仿真模型.仿真结果和现场试验表明：改变驱动电机的频率可以实现纵向的变量灌溉,横向的灌溉均匀度取决于喷头的型号和压力,田间与仿真试验得到的水分分布数据最大相对误差为3.39%,证明仿真模型的可信度.为平移式喷灌机同步行走控制条件下变量控制对灌溉效果的影响和优化研究提供了手段.     

基于节水增粮行动背景下的黑龙江省高效节水灌溉装备需求分析

黑龙江省是国家重要的商品粮基地,在节水增粮行动背景下,高效节水灌溉模式、装备类型及装备需求情况亟待解决.文中分析了全省节水增粮行动项目实施以来,其年度任务及完成情况、取得的经验及存在问题.结果表明:喷灌是目前黑龙江省旱田采用的主要灌溉模式,预测到2020年我省旱田采用的主要灌溉模式将从绞盘式喷灌逐渐演变为绞盘式喷灌与中心支轴式喷灌.装备类型将以绞盘式喷灌机与中心支轴式喷灌机为主.预计2015-2020年,绞盘式喷灌机需增加2 734台套,中心支轴式喷灌机需增加277台套,微灌设备需增加415台套.     

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。     

Solid-set sprinklers irrigation of field boundaries: experiments and modeling

Numerous studies have analyzed the solid-set sprinkler irrigation system performance. However, the effect of field-boundaries irrigation has not been considered in the whole-field performance. The objectives of this study were (1) to characterize two different solutions to irrigate field boundaries (full-circle sprinkler equipped with a deflecting plate, DP, and partial-circle sprinklers, PC); (2) to calibrate and validate a ballistic model to adequately simulate these solutions; and (3) to analyze the two different designs (DP or PC) from a whole-field perspective. Two types of experiments were designed. The first was carried out with an isolated sprinkler under no windy conditions to estimate drop size distribution parameters. The second was performed in a solid-set sprinkler layout under windy conditions to calibrate and validate the ballistic model. The experimental design allows the comparison of both solutions under equal technical and meteorological conditions. Comparisons between designs (DP or PC) were established for a whole-field area in terms of irrigation performance and crop yield. From a technical point of view, PC sprinklers perform better than DP sprinklers. From an economical point of view, the shape and orientation of the plot and the legal requirements of the irrigation system design (minimum distance of the sprinkler line to the border) have an important effect on the optimal solution to irrigate field boundaries.     

Analysis of water application cost with permanent set sprinkler irrigation systems

In order to identify the subunit design incurring the lowest costs, it is necessary to consider various factors, thereby assuring the correct hydraulic performance of the subunit. Water application costs with a sprinkler irrigation system comprise: investment cost (pumps plant, pipes, sprinklers, ditches), energy, manpower, maintenance and water costs. This work analyses the influence of different design and performance factors, such as subunit arrangement, spacing, working pressure, average application rate, and application efficiency on water application costs in a permanent set sprinkler irrigation subunit. The results show that the most important factor is the spacing between sprinklers. The next most important factor is the shape of the subunit (number of laterals and number of sprinklers per lateral). Working pressure is important too, since a decrease in pressure will result in a decrease in energy costs, although pipe diameter will need to increase. The higher the average application rate of the system, the higher the water application cost. The influence of irrigation efficiency is higher as water price increases. The water application cost can be reduced by 40% when application efficiency increases from 60% to 90%.Communicated by A. Kassam     

以灌水量均等为目标的喷灌支管设计方法

在传统的喷灌支管设计中,支管上各喷头等间距布置,但是沿支管灌水量不相等。为此提出一种实现沿支管灌水量相等,但允许喷头间距变化的支管设计方法。采用这种设计方法可以提高喷灌灌水均匀度,并且能在不增加用水量和不均加能耗的情况下,增加支管灌溉面积。最后给出一个算例,说明这种方法的计算过程及应用效果。     

Characterisation of evaporation and drift losses with centre pivots

The objective of this paper is to study evaporation and drift losses (EDLs) with two types of sprinklers: rotating spray plate sprinklers (RSPS) and fixed spray plate sprinklers (FSPS), both installed at two different heights (1 and 2.5 m above the ground). A field test was carried out during three seasons at an irrigated plot with a centre pivot, in Albacete (Spain). The results show that EDLs were significantly higher with the FSPS placed 2.5 m above the ground (FSPS 2.5) than with the RSPS placed 1 m above the ground (RSPS 1). The EDLs obtained for the FSPS 2.5 combination were 8% for night irrigation events and 13.7% for daytime irrigation events. The lowest EDL values were registered with RSPS 1, ranging from 3.3 to 8.2% under night and day operation conditions, respectively. These results were obtained for an average wind speed of 1.3 m/s at night and 3.5 m/s during the day, and were normally below 5 m/s.     

轻小型喷灌机组能耗分析与多元回归模型

为了研究配置参数对轻小型喷灌机组能耗的影响,在基于遗传算法的喷灌机组能耗计算模型基础上,以机组4.4CP-45为例,采用四因素三水平考虑交互作用的正交设计,就管道管径、喷头间距、喷头数、喷头工作压力及其交互作用对机组单位能耗的影响进行了对比分析,在此基础上建立了机组能耗的多元回归模型.研究结果表明,喷头工作压力对能耗的影响最显著,其次为管道管径,喷头数的影响也很明显,喷头间距对能耗的影响体现在与其他参数的交互作用中.4组主要的交互作用因素中,喷头间距与喷头数的作用最敏感,其后依次为管径与喷头数、喷头间距与管径、喷头间距与喷头工作压力,因而在机组配置参数的选择中,参数间交互作用不可忽略.经综合比较,机组配置参数最优组合方式为喷头间距为15 m、管径为80 mm、喷头数9个、管道末端喷头工作压力为0.25 MPa,此时机组单位能耗为4.53 kW·h/(mm·hm²),比优化前降低了22.6%,比只考虑单因素作用得到的最优组合方式降低了1.0%,且配置参数的选择更能为用户所接受.机组能耗多元回归模型复相关系数达0.88,确定性系数为0.774,比较可靠,能为喷灌工程设计及性能评价提供一定的借鉴作用.