圆形喷灌机喷头配置技术与软件研究

以圆形喷灌机均匀喷灌水深为目标,建立了主输水管喷头间距不相等条件下喷头配置数学模型,提出了全部使用、不使用及部分使用压力调节器3种工况下的喷头配置技术方案,构建了基于SQL Server的圆形喷灌机低压喷头、压力调节器、机组桁架等零部件结构及性能参数数据库,并开发了可实现圆形喷灌机喷头配置和机组水力性能预测的专业软件.DYP-249型圆形喷灌机应用该软件实现了D3000喷头配置,配置的入机总流量与理论值的相对误差小于1.1％;根据配置结果进行了田间试验,结果表明沿主输水管方向的喷灌强度试验值和模拟值的变化趋势一致,因田间试验受到风速、风向、蒸发飘移和编程算法等影响,测得的喷灌均匀系数值(75.26％)低于软件模拟值(85.59％).工程实例表明软件能够准确、快捷地完成圆形喷灌机的喷头配置,并能较好地预测机组田间水力性能.     

圆形喷灌机喷头选型及配置

圆形喷灌机作为典型的节水灌溉装备,具有自动化程度高、喷洒效果好、工作效率高等优点,近年来在我国得到很好的推广应用。圆形喷灌机的灌溉质量主要取决于使用的喷头类型及配置方式。分析了圆形喷灌机喷头从中压向低压方向发展演化过程,对各种类型喷头主要性能与参数特征进行了梳理与归纳。综述了各类喷头的结构特征与性能、配置方式等方面研究与应用现状。对圆形喷灌机喷头和配置方式的研究现状分析表明,目前圆形喷灌机使用的喷头普遍为低压旋转折射式喷头,且国内外对于该类喷头的设计与性能等方面的研究尚不完善,亟待展开相关领域研究,促进该类型喷头的国产化,以满足日益增长的规模化农业对大型喷灌机的巨大市场需求。      

低压条件下PY115型摇臂式喷头水力性能试验

针对喷头在低压条件下工作时水力性能较差的问题,提出采用异形喷嘴降低水滴打击强度并改善喷洒均匀性的方法.选取PY115型摇臂式喷头为研究对象,设计了3套改进喷嘴的方案,在出口喷嘴上增加了1、2、3个凹槽,凹槽的尺寸均为宽0.5 mm,高0.3 mm,位置分别在出口喷嘴下方和左右两侧.在工作压力为200 kPa下进行了试验测量,同时在正方形组合间距为13～18 m时,采用Matlab语言编制程序对其进行了仿真计算.试验和计算结果表明:在低压条件工作时,随着凹槽数量的增多,流量增大,射程缩短8.1％ ～9.4％,末端水滴直径降低系数为2.9％ ～ 6.8％,平均喷灌强度增大并均符合规范要求.增加凹槽有利于提高组合均匀系数,出口喷嘴增加3个凹槽时效果最佳,组合均匀系数最高超过90％,证明了所设计异形喷嘴方案的可行性.     

水力驱动装置对单长跨圆形喷灌机整机水力性能影响的试验研究

以拖移式60m单长跨水动圆形喷灌机样机为研究对象,采用试验方法,研究了水力驱动装置对整机水力性能的影响。考虑到水马达运行将提高水马达周围喷洒量,因此,主要考察了水马达和喷头无堵塞和堵塞水马达前后两个喷头两种情况下的整机水力性能。试验结果表明:采用水力驱动装置将降低机组的喷洒均匀性;但不论是否堵塞水马达前后喷头,整机均匀性系数均在75%以上。堵塞水马达前后喷头情况下的整机均匀性系数比不堵塞情况下高10.6%,这也说明,综合考虑水马达特性和机组喷头的布置,将有利于优化喷灌机机组的水力性能。     

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。     

基于异形喷嘴结构的低压喷头水力性能

对2种流量相等的出口截面形状为正方形和正三角形的异形喷嘴与圆形喷嘴进行了对比研究,研究其压力、喷嘴锥角、出口截面形状对流量、射程、喷灌强度和喷灌均匀性等水力性能的影响.结合试验和Matlab软件,分析低压下异形喷嘴在矩形布置下的组合均匀性,确定了组合喷灌均匀性最好的喷嘴型号及其最佳组合间距.研究表明:锥角一定时,喷嘴的流量和射程均随着压力增大而增大;压力一定时,喷嘴的流量和射程随着锥角变大而减小.低压条件下,异形喷嘴的喷灌均匀性较圆形喷嘴有极大改善,低压组合喷灌均匀性最佳的喷嘴为锥角45°的正三角形喷嘴,最佳组合间距为一个有效喷洒半径.异形喷嘴的组合均匀性系数比圆形喷嘴的高,说明在组合喷灌时选用异形喷嘴更能体现喷灌均匀性优势.     

双喷嘴负压反馈射流喷头水力性能研究

为简化摇臂式喷头结构、提高其水力性能,通过负压反馈技术设计了一种双喷嘴射流喷头,包括射流元件、主副喷管、旋转密封机构等,其主副喷管长度分别为5.6mm和4.8mm、喷头仰角为30°,左右喷管里产生的间歇脉冲水流能够驱使喷头步进式全圆旋转。在0.20、0.25、0.30、0.35MPa进口压力下,以射程、平均喷灌强度和喷灌均匀度为评价指标,通过加权评分法,对比了4种不同主副喷嘴直径组合（4mm×3mm、4mm×4mm、5mm×4mm和5mm×5mm）射流喷头与摇臂式喷头的水力性能。结果表明：在上述4种进口压力下,主副喷嘴直径分别为5mm和4mm时的射流喷头综合性能最好,其水量分布呈“三角形”,射程在13.2~13.7m之间,平均喷灌强度在3.81~4.38mm/h之间,喷灌均匀性系数在82.5%~86.0%之间。     

异形喷嘴变量喷头水力性能试验

在分析喷嘴出口前压力与喷嘴面积、射程之间关系的基础上,阐述了异形喷嘴变量喷洒喷头结构形式及工作原理.对变量喷头进行了水力性能试验,并绘制了单喷头水量分布等值线图.试验表明:异形喷嘴变量喷头运行可靠,能够实现正方形和三角形喷洒域,与圆形喷嘴的摇臂变量喷头相比其喷洒性能良好,改善了喷灌均匀性.     

低压喷头喷嘴优化设计及内部流场数值模拟

针对目前喷头在低压工况下喷洒均匀性较差、射程变短等问题,依据面积相同原则设计多种形状的异形喷嘴,运用ANASY软件对其内流场进行三维仿真模拟,模拟结果表明:倒U形喷嘴出口断面的速度分布高速区域所占面积最大,整个出口的速度一致性较好,有利于提高喷头射程,改善喷灌均匀性.并通过测量低压喷头的性能参数,包括射程、水量分布和末端水滴直径,来验证数值模拟的准确性.试验结果表明:倒U形喷嘴的射程约为圆形喷嘴的1.110倍,稍低于数值模拟的计算结果,基本在2%左右;工作压力为300 kPa时,喷头的末端水滴直径以倒U形喷嘴最小为4.21 mm,说明倒U形喷嘴的雾化性能最好;倒U形喷嘴的水量分布近似呈三角形,其组合均匀性系数均在82 %以上,圆形和圆角矩形喷嘴的水量随喷头距离的变大先增大后减小,均低于倒U形喷嘴的组合均匀性系数.数值模拟和试验结果表明,倒U形喷嘴的水力性能优于其他3种喷嘴,在提高喷灌均匀性的基础上,还增大了射程.     

单跨圆形喷灌机反冲式水马达动力与水力特性研究

在下注水反冲式水马达装置满足整机喷洒均匀性和塔架车田间通过能力的前提下,对其动力性能和水力性能进行了研究。建立了单跨水动圆形喷灌机反冲式水马达驱动力矩、转速和工作流量的计算模型,分析了影响水马达驱动扭矩和转速的因素。研究结果表明:通过改变水马达工作压力调控转速实现所需灌水深度的方法比增大喷嘴直径来增加水马达工作流量和加长旋转臂长度更有效、操作性更强;水马达结构及水力设计必须与整机通过性能和喷洒均匀性优化组合,才能满足整机通过性能要求,并使整机喷洒均匀系数符合农业灌溉要求。     

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.     

轻小型喷灌机组的水力性能试验与喷灌均匀度的研究

为研究轻小型喷灌机组的水力性能及喷灌均匀度是否满足规范要求,以自行研制的轻小型喷灌机组为研究对象,通过室内试验,分析了轻小型喷灌机组的水量分布、喷灌均匀度和运行速度。结果表明,当进口压力为0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45 MPa时,轻小型喷灌机组的最小运行速度为10.25m/h,最大运行速度为68.40m/h,压力越大,速度越低,机组的喷灌均匀度越高,喷灌均匀度的范围在87.60%~91.40%之间,满足规范要求。     

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。     

全圆旋转射流喷头设计与水力性能试验

为了提高农业节水灌溉效率,提出了一种全圆旋转射流喷头。确定了喷头的CFD数值模拟方法,选取深宽比、位差比、劈距比、侧壁倾角作为试验因素,以射流附壁切换频率和流量振幅为指标,通过正交试验得到了喷头内流道的优化结构。通过高速摄影技术对喷头的射流附壁切换频率进行测定,同时监测喷头的进口流量,结果表明,模拟所得的流量压力关系与试验结果基本一致,相对误差范围为2. 1%～4. 0%,射流附壁切换频率随进口压力的变化趋势基本相同,相对误差范围为7. 7%～22. 2%。当进口压力为0. 15、0. 20、0. 25 MPa时,分别研究了PY210A型摇臂式喷头和射流喷头的水力性能,其中射流喷头的流量较小(1. 19～1. 53 m3/h)、射程较远(13. 0～15. 7 m)、平均喷灌强度较小(2. 85～3. 63 mm/h),转动周期较短(81～105 s),摇臂式喷头的喷洒水量呈马鞍形分布,射程近处和远处的喷洒水量相对较大,射流喷头的喷洒水量呈三角形分布,喷洒水量随射程增加而减小。     

常压灌水器在低压条件下水力性能试验研究

鉴于目前国内低压滴灌系统中的滴灌带(管)基本沿用常压滴灌下使用的滴灌带(管),对常压滴灌系统中使用较多的国内6种单翼迷宫和内镶片式滴灌带在低压下的水力性能进行了试验研究,试验结果表明,在2~8 m和6~14 m水头压力范围拟合的流量与压力关系式不相同,在2~8 m水头压力范围的流态指数明显高于在6~14 m水头压力范围的流态指数。在较低压力下测定灌水器的制造偏差时,相比额定压力下所测定的结果表现出增大的趋势,即由于灌水器制造工艺和材料配方引起的制造偏差,在工作压力较低时表现的更为明显。     

变量喷洒全射流喷头水力性能试验

以变量喷洒全射流喷头为研究对象,对正方形和三角形喷洒域分别进行了水力性能试验,测量并分析了喷头的射程和喷灌强度等性能参数.结果表明:三角形比正方形喷洒域最大射程有所降低;三角形和正方形喷洒域水量分布相对均匀;变量喷洒喷头与传统全射流喷头相比,雨滴粒径相差较小;三角形与正方形喷洒域喷头平均喷灌强度相差较小,三角形喷洒域喷头的最大喷灌强度相对平均喷灌强度差值较大.变量喷洒全射流喷头比全射流喷头,组合间距增大、重叠率降低,且单位面积所用喷头数量减少.在组合间距系数为1.25,室外风速小于1.2 m/s情况下,正方形组合喷洒具有良好的喷洒均匀性.