王新坤 薛子龍 徐勝榮 樊二東 王 軒 張晨曦

(江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水量較大，需要大力發(fā)展節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)裝備，以提高水資源的利用率。噴灌是指利用壓力裝置和噴灌噴頭對(duì)農(nóng)田作物進(jìn)行噴灑的灌溉方式，是一項(xiàng)先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)[1-3]。噴頭是噴灌系統(tǒng)的核心設(shè)備，其性能直接影響噴灌系統(tǒng)整體的噴灌效果。搖臂式噴頭廣泛應(yīng)用于大田噴灌、露天苗圃、果菜園和園藝場等場所，是使用最廣泛、性能最穩(wěn)定的噴頭之一[4-5]。噴灌均勻度是噴頭設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，涉及到灌水質(zhì)量與項(xiàng)目資金投入[6]，通過改變噴頭結(jié)構(gòu)與組合方式能夠有效提高噴灌均勻度[7-9]。針對(duì)搖臂式噴頭工作不穩(wěn)定的問題，研究人員對(duì)噴頭的驅(qū)動(dòng)機(jī)制與工作參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究[10-12]。目前，對(duì)搖臂式噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布置方式和噴灌的研究已較為成熟，但其仍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用壽命短的問題，且尚未見負(fù)壓反饋式射流噴頭的研究報(bào)道。

為了簡化噴頭結(jié)構(gòu)，本文通過射流反饋技術(shù)[13-14]設(shè)計(jì)一款負(fù)壓反饋射流噴灌噴頭(簡稱射流噴頭)。該噴頭利用射流附壁效應(yīng)[15]在主副噴管間形成脈沖振蕩水流，通過脈沖射流間歇性擊打驅(qū)動(dòng)板來實(shí)現(xiàn)噴頭步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴灑。射流噴頭的主噴嘴提供射程較遠(yuǎn)的射流，副噴嘴射流擊打與之相連的驅(qū)動(dòng)板，將完整連續(xù)射流破碎成小水滴，提供射程較近的射流，同時(shí)為噴頭提供了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)全圓旋轉(zhuǎn)。通過研究不同主副噴嘴直徑組合下射流噴頭的水力性能，優(yōu)選出綜合性能較好的射流噴頭。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括負(fù)壓反饋射流噴頭、PY210搖臂式噴頭(簡稱搖臂噴頭)、離心泵、高速攝影儀、輸水管、閥門、0.25級(jí)精度壓力表、秒表、噴頭、雨量筒和皮卷尺等。負(fù)壓反饋射流噴頭由射流元件、噴管、噴嘴、旋轉(zhuǎn)密封機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。射流元件為噴頭的核心部分，其進(jìn)口部分與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接，左右流道分別與主副噴管連接，其中副噴管上設(shè)有矩形驅(qū)動(dòng)板。射流元件整體由上蓋板和下蓋板組成，上蓋板設(shè)有2個(gè)反饋口，并通過硅膠控制管相連。射流噴頭工作時(shí)，由卷吸作用[16]產(chǎn)生的負(fù)壓通過硅膠管在左右控制道之間傳遞，從而實(shí)現(xiàn)射流在左右流道內(nèi)的規(guī)律切換。為了能更好觀察射流在噴頭內(nèi)的工作方式，噴頭加工材料選擇為有機(jī)透明玻璃。

圖1 負(fù)壓反饋射流噴頭Fig.1 Negative pressure feedback jet sprinkler1.旋轉(zhuǎn)密封機(jī)構(gòu) 2.射流元件進(jìn)口 3.反饋口 4.分流劈 5.副噴管 6.主噴管 7.主噴嘴 8.副噴嘴 9.驅(qū)動(dòng)板

本文對(duì)主噴嘴直徑分別為3、4、5 mm的射流噴頭進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，并與搖臂噴頭進(jìn)行對(duì)比。對(duì)雙噴嘴噴頭而言，由于副噴嘴主要是對(duì)中近射程的噴灑水量進(jìn)行補(bǔ)償，因此主噴嘴直徑一般大于或等于副噴嘴直徑，本文研究對(duì)象為主副噴嘴直徑組合3 mm×3 mm、4 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×3 mm、5 mm×4 mm和5 mm×5 mm的噴頭。除噴嘴外，試驗(yàn)所用射流噴頭結(jié)構(gòu)尺寸均相同，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：主噴管長度5.6 mm，副噴管長度4.8 mm，噴射仰角30°。

1.2 試驗(yàn)方法

圖2 試驗(yàn)示意圖Fig.2 Test schematic1.水泵 2.閥門 3.壓力表 4.噴頭 5.雨量筒 6.皮尺

射流噴頭水力性能試驗(yàn)在江蘇大學(xué)噴灌實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室直徑為44 m，試驗(yàn)場地平整，最大坡度小于1%，室內(nèi)為無風(fēng)環(huán)境。試驗(yàn)樣機(jī)選取主副噴嘴直徑為3 mm×3 mm、4 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×3 mm、5 mm×4 mm和5 mm×5 mm的6組射流噴頭，噴頭安裝高度1.2 m，在進(jìn)口壓力分別為0.20、0.25、0.30、0.35 MPa時(shí)做全圓噴灑。噴頭進(jìn)口壓力由安放在低于噴頭0.5 m處的0.25級(jí)精度壓力表測量，脈沖性能與步進(jìn)方式由高速攝影儀拍攝記錄。射程由皮卷尺測出，噴灌強(qiáng)度與噴灌均勻度由開口直徑為22 cm、高度0.6 m的雨量筒以0.5 m間距按徑向布置測得。在噴頭穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)5 min后開始試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)間為20 min，具體操作參照GB/T 22999—2008[17]。為降低試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，圖2為試驗(yàn)示意圖。

1.3 水力性能評(píng)價(jià)方法

射程、噴灌強(qiáng)度和噴灌均勻度是評(píng)價(jià)噴頭水力性能的幾個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)。

1.3.1射程

射程是噴灌設(shè)備的重要性能參數(shù)，它決定了噴頭的噴灑濕潤圓半徑，直接影響了噴頭組合間距、支管數(shù)量、管道間距等，其計(jì)算公式[18-19]有以噴嘴出口流速和噴嘴出口流量兩種表示形式

(1)

(2)

(3)

式中R——噴頭射程，m

α——噴頭的噴射仰角

v——噴嘴出口流速，m/s

φ——速度系數(shù)

g——重力加速度，m/s2

H——噴頭的進(jìn)口壓力，kPa

u——孔口系數(shù)

Q——噴嘴出流量，m3/s

d——孔口直徑，m

1.3.2噴灌均勻度

噴灌均勻度指噴灑域內(nèi)水量分布的均勻程度，它與噴頭的水量分布、噴頭結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速有關(guān)。我國制定的《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》[20]中通過Christiansen[21-23]計(jì)算法，用噴灌均勻性系數(shù)來表示噴灌均勻度，計(jì)算公式為

(4)

式中Cu——噴灌均勻性系數(shù),%

hi——第i個(gè)測點(diǎn)的降水深，mm

n——測點(diǎn)數(shù)目

1.3.3平均噴灌強(qiáng)度

假設(shè)噴灌區(qū)域內(nèi)每點(diǎn)代表的面積相等，平均噴灌強(qiáng)度反映了控制面積內(nèi)所有點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)噴灌強(qiáng)度的平均值。本文試驗(yàn)時(shí)雨量筒大小相同且分布距離相等，可以看成面積相同的點(diǎn)，平均噴灌強(qiáng)度計(jì)算公式[24]為

(5)

pi——第i個(gè)雨量筒噴灌強(qiáng)度，mm/h

n′——雨量筒數(shù)量

2 結(jié)果與分析

當(dāng)進(jìn)口壓力為0.20、0.25、0.30、0.35 MPa時(shí)，由于5 mm×3 mm射流噴頭主副噴嘴直徑差較大，3 mm×3 mm射流噴頭主副噴嘴直徑過小，兩組射流噴頭的副噴嘴流量和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力過小，因此均不能正常工作。當(dāng)進(jìn)口壓力為0.20 MPa時(shí)，4 mm×3 mm射流噴頭因?yàn)楦眹娮炝髁亢托D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力過小，噴頭亦不能正常工作。本文主要研究4 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×4 mm、5 mm×5 mm和搖臂噴頭在上述4種進(jìn)口壓力下的水力性能。

2.1 脈沖性能

射流噴頭的脈沖頻率較大，本文利用i-Speed3型攝像機(jī)(幀率10 000 f/s，焦距50 mm)觀察射流噴頭的脈沖性能，試驗(yàn)光源采用120 W LED白光燈，觀測結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同射流狀態(tài)Fig.3 Different jet states

圖3a和圖3b是射流噴頭不安裝噴嘴時(shí)的出流狀態(tài)，可以看出噴嘴出流主要有連續(xù)與斷裂兩種狀態(tài)，射流連續(xù)時(shí)以較均勻水柱射出，射流斷裂時(shí)以“Z”字形狀態(tài)射出，射流斷裂時(shí)為水流在射流噴頭主副噴管內(nèi)切換時(shí)刻。圖3c與圖3d是射流噴頭安裝噴嘴后的出流狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)噴嘴射流為穩(wěn)定出流和破碎加劇兩種狀態(tài)，此時(shí)射流并沒有出現(xiàn)明顯的斷裂狀態(tài)，主要是因?yàn)榘惭b噴嘴使出流更加穩(wěn)定，并且噴嘴對(duì)射流元件的反饋壓力會(huì)加快射流的脈沖頻率，因此觀察不到明顯斷裂過程。射流噴嘴的出流為間歇、振蕩式的，通過擊打驅(qū)動(dòng)板提供的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力亦是間斷、不連續(xù)的，因此射流的脈沖頻率就是噴頭的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)頻率。

2.2 水量分布

當(dāng)進(jìn)口壓力分別為0.20、0.25、0.30、0.35 MPa時(shí)，各組噴頭水量分布曲線如圖4所示。由圖可以看出，4 mm×3 mm、4 mm×4 mm和5 mm×4 mm射流噴頭在上述4種進(jìn)口壓力下，雨量筒水深在0.1～2.9 mm之間，水量分布曲線整體上呈“三角形”，在雨量筒距噴頭約2 m和12 m處有兩個(gè)水量峰值。副噴嘴射流擊打驅(qū)動(dòng)板后破碎成小水滴，射程主要在1～8 m之間，水量分布較廣且較均勻；由于噴頭噴灑路徑為拋物線，0～1 m范圍內(nèi)噴頭存在噴灑死角，因此基本無水量；1～2 m范圍內(nèi)，副噴嘴提供的水量逐漸增多，呈較快上升趨勢，2～8 m范圍內(nèi)水量逐漸減少，呈較慢下降趨勢，在約2 m處有一水量峰值。主噴嘴的射流較為集中，射程主要在9～13 m之間，在雨量筒距噴頭約12 m處有另一水量峰值。

5 mm×5 mm射流噴頭降水深范圍為0.1～2.8 mm，其水量分布呈“梯形”，此噴頭主副噴嘴直徑較大，主噴嘴前水頭與其他噴頭相比較小，因此射程較短，噴頭中近處降水量較多，遠(yuǎn)處降水量較少，因此沒有明顯水量峰值。搖臂噴頭降水在0.1～2.7 mm之間，在不同進(jìn)口壓力下，水量分布曲線形狀變化不大，基本呈梯形分布。

圖4 不同噴嘴直徑射流噴頭的水量分布Fig.4 Water distribution diagrams of jet sprinkler with different nozzle diameters

2.3 射程、噴灌均勻性系數(shù)和噴灌強(qiáng)度

在不同進(jìn)口壓力下，將各組噴頭的射程、噴灌均勻性系數(shù)和噴灌強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線，如圖5所示。從圖5a可以看出，在同組噴頭試驗(yàn)中，噴頭射程隨進(jìn)口壓力增加而遞增，其中5 mm×4 mm與4 mm×3 mm射流噴頭射程較遠(yuǎn)，分別為13.2～13.7 m和13.8～15.0 m，搖臂噴頭射程最短，在10.7～12.5 m之間。依據(jù)式(1)～(3)分析可知，噴頭的射程不僅與射流速度有關(guān)，而且與噴頭流量有關(guān)。當(dāng)噴嘴直徑過大時(shí)，噴嘴前水頭會(huì)變小，則射流速度減慢，導(dǎo)致射程變短；當(dāng)噴嘴直徑過小時(shí)，雖然噴嘴前水流會(huì)變大，但噴嘴流量減小幅度過大，同樣也會(huì)導(dǎo)致射程變短；5 mm×4 mm、4 mm×3 mm噴頭的噴嘴直徑大小適中，射流速度和流量較大，因此射程也較遠(yuǎn)。由于射流噴頭的噴嘴內(nèi)能夠產(chǎn)生脈沖水流，水流具有較大動(dòng)能，因此射程均比搖臂噴頭遠(yuǎn)。

圖5 各組噴頭的其他水力性能Fig.5 Other hydraulic performance of each group of nozzles

由圖5b看出，在4種進(jìn)口壓力下各噴頭噴灌均勻性系數(shù)在72.0%～87.5%之間，其中4 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×4 mm射流噴頭與搖臂噴頭的噴灌均勻性系數(shù)相差不大，分別為81.7%～83.5%、81.5%～84.1%、82.5%～86.0%和80.2%～87.5%。射流噴頭噴灌均勻性系數(shù)隨進(jìn)口壓力增加無明顯變化規(guī)律，搖臂式噴頭噴灌均勻性系數(shù)隨進(jìn)口壓力增加而遞增。5 mm×5 mm射流噴頭在進(jìn)口壓力為0.20 MPa時(shí)的噴灌均勻性系數(shù)為72.0%，當(dāng)進(jìn)口壓力為0.25、0.30、0.35 MPa時(shí)，其噴灌均勻性系數(shù)變化較小，保持在78.3%～80.2%之間。噴頭進(jìn)口壓力過低時(shí)，噴嘴直徑為5 mm×5 mm噴頭的射流速度較緩，副噴嘴擊打驅(qū)動(dòng)板形成小水滴的直徑過大，水量分布較集中，因此噴灌均勻性系數(shù)較低。

依據(jù)式(5)算出各組噴頭的平均噴灌強(qiáng)度如圖5c所示，所有噴頭的平均噴灌強(qiáng)度變化范圍在2.2～4.6 mm/h之間，搖臂噴頭、5 mm×5 mm和5 mm×4 mm射流噴頭平均噴灌強(qiáng)度較大，分別在4.11～4.68 mm/h、4.35～4.74 mm/h和3.81～4.38 mm/h之間。圖5d為各組噴頭的最大噴灌強(qiáng)度，其中搖臂噴頭、5 mm×4 mm和5 mm×5 mm射流噴頭最大噴灌強(qiáng)度較大，分別在6.3～8.3 mm/h、7.5～8.9 mm/h和7.8～9.3 mm/h之間。整體來講，射流噴頭與搖臂噴頭的平均噴灌強(qiáng)度隨噴嘴直徑增加而遞增，與進(jìn)口壓力無明顯聯(lián)系；而噴頭噴嘴直徑與進(jìn)口壓力變大時(shí)，各噴頭的最大噴灌強(qiáng)度均隨之遞增。

2.4 評(píng)價(jià)分析

(6)

式中Z——無量綱化處理后數(shù)值

Xj——各指標(biāo)的實(shí)際值

min(Xj)——指標(biāo)集中的最小值

max(Xj)——指標(biāo)集中的最大值

在多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中，權(quán)重具有較重要的作用，其中客觀賦權(quán)法是直接根據(jù)指標(biāo)的原始信息，通過數(shù)學(xué)或統(tǒng)計(jì)方法處理后獲權(quán)重的一種方法。本文采取標(biāo)準(zhǔn)差權(quán)數(shù)法，將各標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)均方差歸一化，其結(jié)果為各指標(biāo)的權(quán)數(shù)，計(jì)算方法為[27]

(7)

其中

(8)

式中Wj——各指標(biāo)權(quán)數(shù)σj——Xj的標(biāo)準(zhǔn)差

y*=0.013yi1+0.419yi2+0.267yi3+0.301yi4

(9)

式中yi1——噴灌均勻性系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值

yi2——射程標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值

yi3——平均噴灌強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值

yi4——最大噴灌強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值

表1 多指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.1 Analysis on experimental results of multiple indicator

3 結(jié)論

(1)負(fù)載反饋射流噴頭內(nèi)部能產(chǎn)生脈沖水流，不安裝噴嘴時(shí)有連續(xù)和斷裂兩種出流狀態(tài)，其中斷裂時(shí)呈“Z”字形；安裝噴嘴時(shí)有穩(wěn)定和破碎兩種出流狀態(tài)，破碎時(shí)射流無明顯斷裂。

(2)負(fù)載反饋射流噴頭副噴嘴的噴灑射程主要在1～8 m之間，主噴嘴的噴灑射程主要在9～13 m之間。由于射流噴頭射流具有較大的脈沖動(dòng)能，4種射流噴頭的射程均優(yōu)于搖臂式噴頭，其中5 mm×4 mm與4 mm×3 mm射程較遠(yuǎn)，分別在13.2～13.7 m和13.8～15.0 m之間。