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        異形流道出口折射式噴頭水力性能試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

        2016-03-23 00:28:33朱德蘭
        中國(guó)農(nóng)村水利水電 2016年6期
        關(guān)鍵詞:射程水量間距

        楊 雯,朱德蘭

        (西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

        低壓折射式噴頭在我國(guó)移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)應(yīng)用廣泛[1-3]。較遠(yuǎn)的射程、較低的噴灌強(qiáng)度和較高的噴灑均勻性系數(shù),是噴頭噴灌的主要技術(shù)要求。低壓折射式噴頭工作時(shí),水流由噴嘴打擊噴盤(pán),經(jīng)噴盤(pán)流道對(duì)水流的減速和消能,在流道尾部分散成多股射流拋出,直至噴灑至地表[4]。因此,噴盤(pán)流道對(duì)折射式噴頭完成噴灌有重要意義。

        李桂芬[5]等分析了窄縫挑坎出口斷面為矩形、梯形、Y形、埡口形和不對(duì)稱形式時(shí)的消能效果。柴春嶺[6]等改進(jìn)了可調(diào)式微噴頭的3種出水口流道形式,試驗(yàn)并分析了不同壓力下的微噴頭的微噴灌質(zhì)量指標(biāo)。Kohl[7]等探究了低壓農(nóng)用噴頭的噴嘴直徑、工作壓力以及噴盤(pán)表面幾何參數(shù)對(duì)噴頭水滴直徑的影響。韓文霆[8]等研究了工作壓力、噴頭組合方式和插值方法對(duì)噴灌均勻系數(shù)CU和分布均勻系數(shù)DU的影響規(guī)律。而目前對(duì)低壓折射式噴頭的研究中,基于折射式噴頭流道水流消能與窄縫消能的相似之處,通過(guò)設(shè)計(jì)和測(cè)試異形流道出口折射式噴頭的水力性能,并對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的研究較少。

        本文設(shè)計(jì)了3種流道出口折射式噴頭,測(cè)試并分析其單噴頭移動(dòng)水量分布,計(jì)算出射程和不同噴頭間距下的組合均勻性系數(shù),采用綜合評(píng)分法分析了流道出口形狀、工作壓力、噴嘴直徑和組合間距對(duì)射程、噴灌強(qiáng)度峰值和組合均勻性系數(shù)的影響,并提出噴頭水力性能最優(yōu)的因素組合。

        1 材料與方法

        1.1 異形流道出口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        在Pro/E三維造型軟件中,設(shè)計(jì)出矩形、Y形、埡口形3種異形流道出口的折射式噴頭噴盤(pán),三維實(shí)體圖如圖1所示。按照相同壓力下流道出口面積相同原則,確定異形流道出口的尺寸,如圖2所示。為了僅對(duì)比不同流道出口形狀下噴頭的水力性能,噴盤(pán)其他流道結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。

        圖1 異形流道出口噴盤(pán)三維圖Fig.1 Three dimensional drawings of the fixed spray plate sprinkler of difform out let flow channel

        圖2 異形流道出口結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)Fig.2 The fixed spray plate sprinkler of difform out let flow channel maps

        1.2 試驗(yàn)方案

        將噴嘴直徑、工作壓力及流道出口形狀設(shè)為試驗(yàn)因素,每個(gè)因素分別設(shè)置3個(gè)水平,選取正交試驗(yàn)表L9(34)進(jìn)行排布,最后1列為空列,共9個(gè)處理,如表1所示。

        1.3 試驗(yàn)裝置與步驟

        單噴頭移動(dòng)水量分布試驗(yàn)在國(guó)家節(jié)水灌溉楊凌工程技術(shù)研究中心的灌溉水力學(xué)試驗(yàn)廳進(jìn)行。試驗(yàn)采用自行研制的單噴頭移動(dòng)噴灌裝置,噴頭安裝高度2 m,管路壓力通過(guò)0.4級(jí)精密壓力表(西安儀表廠)控制。

        表1 試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Experimental parameters and levels

        試驗(yàn)時(shí)單噴頭移動(dòng)噴灌裝置勻速行走,速度為120 m/h。在移動(dòng)噴灌裝置行走方向上布設(shè)3排雨量筒(直徑11.2 cm,高度15.5 cm),每排間距為0.5 m,相鄰雨量筒間距為1 m,如圖3所示。用秒表記錄單噴頭噴灑水進(jìn)入雨量筒至離開(kāi)雨量筒的時(shí)間,作為單噴頭移動(dòng)噴灑時(shí)間,采用稱重法測(cè)量噴灑水的質(zhì)量,取噴灌裝置行走方向上3個(gè)測(cè)點(diǎn)水量的平均值作為該測(cè)點(diǎn)處的噴水量,每組處理重復(fù)3次,取平均值作為結(jié)果。

        圖3 單噴頭水量分布測(cè)試布置Fig.3 Experimental layout of water distribution of the individual sprinkler

        2 結(jié)果與分析

        2.1 單噴頭移動(dòng)水量分布

        圖4為不同處理下的單噴頭移動(dòng)水量分布曲線。從圖4可以看出,不同處理下的單噴頭移動(dòng)水量分布形式有差異,主要表現(xiàn)在各處理的水量集中于噴灑范圍的區(qū)域不同,噴灌強(qiáng)度峰值不同。處理1和處理2的水量隨噴灑射程的增加呈波浪形浮動(dòng),噴灌強(qiáng)度峰值較大。處理3的中部水量較少,水量主要集中在近噴頭處和噴灑射程尾部,噴灌強(qiáng)度峰值最高,可達(dá)40.68 mm/h,水量分布不均勻。處理4、5和處理6的水量主要集中于射程的中部和尾部。 處理7、8和處理9的大部分水量分布于近噴頭處和射程中部,且處理8和處理9的噴灌強(qiáng)度變化比較平穩(wěn),噴灌強(qiáng)度峰值較小,水量分布較均勻。

        圖4 不同處理下單噴頭移動(dòng)水量分布曲線Fig.4 Moving water distribution curves for the individual sprinkler with different treatments

        根據(jù)單噴頭移動(dòng)水量分布,采用線性插值,將從噴灑半徑末端噴灌強(qiáng)度為0.15 mm/h的點(diǎn)至噴頭距離,作為噴頭射程,則處理1~9的射程分別為5.47、5.98、6.45、5.46、5.93、5.97、5.41、5.43、5.97 m。單因素方差分析結(jié)果顯示,噴嘴直徑、工作壓力和流道出口形狀對(duì)射程均呈顯著影響。

        2.2 組合噴灌均勻性

        選取折射式噴頭常用組合間距2.5、3.5和4.5 m,采用直接疊加法,將單噴頭移動(dòng)水量分布數(shù)據(jù)根據(jù)不同間距進(jìn)行疊加,得到組合噴頭水量分布,以處理1為例說(shuō)明單噴頭移動(dòng)水量分布的組合疊加方式,如圖5所示。再利用Christiansen計(jì)算法[9]求出組合均勻性系數(shù),結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,相同噴頭間距下,處理9的組合均勻性系數(shù)最高,均大于85%以上,符合我國(guó)噴灌工程技術(shù)規(guī)范[10]規(guī)定噴灌均勻度不應(yīng)低于75%,行噴式噴灌均勻度不應(yīng)低于85%的要求;而處理6、7和處理8僅在噴頭間距較小時(shí),組合均勻性系數(shù)才能滿足大于85%的要求;其他處理不同噴頭間距下其組合均勻性系數(shù)均低于85%,但在噴頭間距較小時(shí),組合均勻性系數(shù)基本在75%以上。

        圖5 噴頭不同組合間距下組合水量分布疊加方法Fig.5 Scheme mathematical procedure for overlapping of spray sprinklers with different spaces

        Tab. 2 Combined uniformity coefficient for spray sprinklers with different spaces

        2.3 基于綜合加權(quán)評(píng)分法的噴頭水力性能評(píng)價(jià)

        噴頭射程決定著某個(gè)位置上的噴灌面積、噴灌效率等[11],適宜的噴灌強(qiáng)度峰值對(duì)避免產(chǎn)生地表徑流有利,而噴灌均勻性系數(shù)是保證作物均勻生長(zhǎng)和合理用水的必要條件,所以射程、噴灌強(qiáng)度分支與噴灑均勻性指標(biāo)同等重要。本文采用綜合評(píng)分法[12-14]在不同組合間距下對(duì)各流道出射角噴頭的水力性能進(jìn)行分析。由于噴頭間距影響了組合噴灑均勻性和配置于噴灌機(jī)的噴頭個(gè)數(shù),進(jìn)而影響噴頭的噴灑效果和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本,因此將噴頭組合間距也作為評(píng)價(jià)因素之一,表3為評(píng)價(jià)因素水平,表4為評(píng)價(jià)方案。

        表3 評(píng)價(jià)因素與水平Tab.3 Evaluation parameters and levels

        表4 評(píng)價(jià)方案Tab.4 Evaluation scheme

        根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度及經(jīng)驗(yàn),射程、噴灌強(qiáng)度峰值、組合均勻性系數(shù)的權(quán)值分別為w1=w2=w3=1。由于3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值數(shù)量級(jí)不同,同時(shí)射程與組合均勻性系數(shù)越大,噴灌強(qiáng)度峰值越低,噴灑效果越好,所以取轉(zhuǎn)化系數(shù)分別為c1=1,c2=-200,c3=10,使射程、噴灌強(qiáng)度峰值和組合均勻性系數(shù)的數(shù)量相當(dāng)。由直接加權(quán)法,ak=ckwk,則綜合評(píng)分為:

        y*i=yi1-200yi2+10yi3

        (1)

        式中:yi1為射程,m;yi2為噴灌強(qiáng)度峰值,mm/h;yi3為組合均勻性系數(shù),%。

        表5為直觀分析評(píng)價(jià)結(jié)果。由表5可以看出,根據(jù)綜合加權(quán)評(píng)分值越大越好的原則,使射程最遠(yuǎn)、噴灌強(qiáng)度峰值最低且組合均勻性系數(shù)最高的最優(yōu)組合為第9號(hào)評(píng)價(jià)方案,即噴頭噴嘴直徑為2.98 mm,噴盤(pán)流道出口形狀為Y形,噴頭組合間距為2.5 m,工作壓力為100 kPa時(shí),噴灑效果最佳。

        表5 直觀分析評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Evaluation results of intuitive analysis

        將y*i作為直觀分析評(píng)價(jià)進(jìn)行指標(biāo)極差計(jì)算分析如表6所示。由表6可以看出,影響非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭射程、噴灌強(qiáng)度峰值與組合均勻性系數(shù)因素的主次順序分別為A>C>D>B,即噴嘴直徑>流道出口形狀>噴頭組合間距>工作壓力。

        表6 多指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果分析Tab.6 Analysis of multi-index evaluation results

        3 結(jié) 語(yǔ)

        (1)不同噴嘴直徑、工作壓力和流道出口形狀的單噴頭移動(dòng)水量分布形式有差異,主要表現(xiàn)在水量集中于噴灑范圍的區(qū)域不同,噴灌強(qiáng)度峰值不同。噴嘴直徑、工作壓力和流道出口形狀對(duì)噴頭射程均呈顯著影響。相同噴頭間距下,噴嘴直徑為2.98 mm,工作壓力為100 kPa,流道出口形狀為Y形折射式噴頭的組合均勻性系數(shù)均高于85%。

        (2)基于綜合評(píng)分法,得到各因素對(duì)射程、噴灌強(qiáng)度峰值和組合均勻性系數(shù)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的主次順序?yàn)椋簢娮熘睆?、流道出口形狀、噴頭組合間距、工作壓力;使射程最遠(yuǎn)、噴灌強(qiáng)度峰值最低且組合均勻性系數(shù)最高的最優(yōu)組合為:噴嘴直徑為2.98 mm,噴盤(pán)流道出口形狀為Y形,噴頭組合間距為2.5 m,工作壓力為100 kPa。

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