劉俊萍，李滔，張前

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

隨著能源危機(jī)的加劇，在噴灌系統(tǒng)中，通過降低噴頭工作壓力的方法達(dá)到節(jié)能效果是有效的方式之一[1-2].而降低噴頭的工作壓力，往往會影響噴頭的灌溉質(zhì)量，出現(xiàn)射程變短，均勻性變差等問題.因此如何保證噴頭在低壓工況下的噴灌質(zhì)量，提高噴灌均勻度，已成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn).

在現(xiàn)有研究中對噴頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要集中在副噴嘴、多流道技術(shù)、散水機(jī)構(gòu)和異形噴嘴等[3]方面.SOLOMON等[4]采用多流道的旋轉(zhuǎn)式噴頭進(jìn)行試驗(yàn)研究，其噴灑組合均勻性為70%，節(jié)水效果明顯.李紅等[5]針對低壓噴頭，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)散水盤結(jié)構(gòu)，提高了噴頭噴灑均勻性.GREGORY等[6]在噴嘴出口處設(shè)計(jì)了不同斜度的流道，實(shí)現(xiàn)均勻噴灑.朱興業(yè)等[7]針對搖臂式噴頭，通過在圓形主噴嘴出口處增加凹槽來改善低壓水量分布，結(jié)果表明噴灌均勻系數(shù)Cu達(dá)90%以上.在噴頭結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬方面， YAN 等[8]分析了搖臂式噴頭穩(wěn)流器對內(nèi)部流場的影響規(guī)律.LIU等[9]利用CFD技術(shù)對射流噴頭流場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，該模擬方法能夠用來分析噴頭壓力和出口速度的變化，其中模擬值與試驗(yàn)壓力值的最小誤差為0.049，最大誤差為0.140，模擬過程中的出口速度為12.6～17.9 m/s.王超等[10]在針對附壁射流元件，探索不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流元件內(nèi)部流場的影響規(guī)律.

噴頭流道采用空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效改善水流的內(nèi)流場分布，進(jìn)而對噴灑外特性如水量分布的提高起到較好的效果.在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮，但相關(guān)的研究卻很少.

文中選取低壓旋轉(zhuǎn)式噴頭為研究對象，以噴盤空間流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)和出口截面形狀作為試驗(yàn)因素，通過正交試驗(yàn)法測量并分析噴頭水量分布、射程及不同間距下的組合均勻系數(shù)，掌握低壓旋轉(zhuǎn)式噴頭空間流道結(jié)構(gòu)對噴灑外特性的影響規(guī)律為低壓旋轉(zhuǎn)式噴頭的設(shè)計(jì)提供參考.

1 材料與方法

1.1 低壓噴頭工作原理及噴盤流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用上海華維公司生產(chǎn)的H33低壓旋轉(zhuǎn)式噴頭，該噴頭工作壓力為175～350 kPa，最大射程為15.2 m.圖1為低壓旋轉(zhuǎn)式噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖.該噴頭主要部件包括阻尼機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)式分水盤、噴盤、噴體、噴嘴、接頭等.其工作原理：水流由管道通過噴嘴，由噴嘴進(jìn)入噴盤的空間流道，空間流道具有一定的偏轉(zhuǎn)角，產(chǎn)生一定的驅(qū)動(dòng)力，最后噴灑而出.在驅(qū)動(dòng)力和阻尼機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的阻力矩共同作用下，噴盤作低速旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖1 低壓噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 噴盤結(jié)構(gòu)示意圖

噴盤空間流道要完成壓力水流進(jìn)入、轉(zhuǎn)彎、能量交換和噴射幾項(xiàng)工作，其結(jié)構(gòu)形式幾何尺寸，斷面形狀和表面粗糙度等都影響噴頭的水力性能.圖3為噴盤空間流道結(jié)構(gòu)示意圖，D為空間流道的進(jìn)口直徑，由噴頭的型號確定；α為流道偏轉(zhuǎn)角，α定義為進(jìn)口中心點(diǎn)與出口截面形心的連線與三維坐標(biāo)系中Y軸的夾角；L為流道型線的弧長，定義為從進(jìn)口中心點(diǎn)到出口截面形心的弧線的長度，r為流道型線所形成的圓的半徑；γ為出口仰角4個(gè)因素，定義為出口水噴射方向與X軸的夾角；噴頭的出口截面的形狀由設(shè)計(jì)決定.

圖3 空間流道結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)因素水平和試驗(yàn)方案

表1為結(jié)構(gòu)參數(shù)因素水平表.

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)因素水平表

表2為實(shí)驗(yàn)方案，其中數(shù)字1,2,3表示因素水平.因素主要包括出口截面形狀、流道偏轉(zhuǎn)角、流道型線弧長和出口仰角4個(gè)因素.出口截面的形狀如圖4所示.

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)方案

圖4 出口截面形狀示意圖

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在室內(nèi)噴灌實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，室內(nèi)處于無風(fēng)狀態(tài).試驗(yàn)系統(tǒng)的組成主要包括噴頭、管路、水泵機(jī)組、流量計(jì)、壓力表和量雨筒等.其中：噴頭旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始測量記錄數(shù)據(jù)，時(shí)間為1 h.采用0.4級精密壓力表(量程為0～0.4 MPa)測量噴頭工作壓力；工作壓力為250 kPa；采用電磁流量計(jì)(精度為1%)測量流量；強(qiáng)度由量雨筒的數(shù)據(jù)讀取，量雨筒間隔設(shè)為1 m，射線狀布置.試驗(yàn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22999—2008《旋轉(zhuǎn)式噴頭》，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27612.3—2011《水量分布均勻性和試驗(yàn)方法》等.每組試驗(yàn)測量3次取平均值.圖5為試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，圖6為試驗(yàn)場地.

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖6 試驗(yàn)場地

2 結(jié)果分析

2.1 單噴頭水力性能

通過測量的點(diǎn)噴灌強(qiáng)度I，得到沿射程R方向的水量分布曲線.圖7為不同流道出口形狀下的水量分布.從圖7中可以看出，1號、2號、8號和9號試驗(yàn)噴頭的水量較為均勻，近似呈梯形，噴灑均勻性較好；3號試驗(yàn)噴頭的水量分布主要集中在噴頭附近，噴灌強(qiáng)度逐漸降低，呈三角形，有利于多個(gè)噴頭進(jìn)行組合噴灌；4號、5號和6號試驗(yàn)噴頭的近處水量較少，中部數(shù)值較大，在組合噴灌中會造成疊加區(qū)水量更多，影響噴灑均勻性.空間流道出口截面為圓形和倒U形的試驗(yàn)噴頭，其噴灑均勻性要優(yōu)于出口截面為異形的試驗(yàn)噴頭，說明出口截面的形狀是影響噴頭噴灌質(zhì)量的主要因素之一.

依據(jù)單噴頭點(diǎn)噴灌強(qiáng)度，計(jì)算了線性插值法所求射程的誤差[11].表3為1～9號試驗(yàn)噴頭的射程R、誤差ρ和流量Q.從表3中可以看出，3號試驗(yàn)噴頭的射程最近，為11.4 m，9號試驗(yàn)噴頭的射程最遠(yuǎn)，為3號試驗(yàn)噴頭的約1.17倍，其余試驗(yàn)噴頭的射程均在12 m以上.使用電磁流量計(jì)測得噴頭的流量波動(dòng)較小，在0.73～0.75 m3/h內(nèi)，說明在出口橫截面積不變的情況下，空間流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對流量基本無影響.

表3 試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖7 不同流道出口形狀的水量分布

2.2 組合均勻性系數(shù)

噴灑的均勻性是噴頭在應(yīng)用中的重要的評價(jià)指標(biāo)，較高的均勻性可以使地面或作物受水均勻，利于作物的生長[12].在噴灌工程中，噴頭大多采用正方形或者三角形的布置形式.因此，文中選取正方形的布置方式，采用Matlab計(jì)算組合噴灑均勻性系數(shù)， 其計(jì)算公式為

(1)

(2)

噴頭組合間距分別為1.0R，1.1R，1.2R，1.3R和1.4R.圖8所示為不同組合間距下的噴灌均勻系數(shù).

由圖8可知， 3號試驗(yàn)(出口截面形狀為圓形，流道偏轉(zhuǎn)角為4.5°，流道型線弧長為33 mm，出口仰角為25°)噴頭的Cu值均較高，大于80%，該種參數(shù)組合下，最佳組合間距為1.3R；1號(出口截面形狀為圓形，流道偏轉(zhuǎn)角為2.5°，流道型線弧長為29 mm，出口仰角為19°)和9號(出口截面形狀為倒U形，流道偏轉(zhuǎn)角為4.5°，流道型線弧長為31 mm，出口仰角為19°)試驗(yàn)噴頭的Cu值均大于75%，且9號試驗(yàn)噴頭在組合間距為1.0R時(shí)，組合均勻系數(shù)達(dá)到了81.3%；4號、5號、7號和8號試驗(yàn)噴頭的Cu值隨著組合間距的增加而逐漸減小，最佳組合間距均為1.0R.

圖8 噴灌均勻性系數(shù)

2.3 平均噴灌強(qiáng)度

一般情況下，噴灌工程規(guī)范中設(shè)定，根據(jù)土質(zhì)的不同，允許噴灌強(qiáng)度為8或高于8 mm/h[13].圖9為1～9號試驗(yàn)噴頭在不同組合間距下的平均噴灌強(qiáng)度Ia曲線.由圖9可知，平均噴灌強(qiáng)度隨著組合間距的增大而逐漸減小.其中5，6，7，8和9號試驗(yàn)中，隨著組合間距的增大，平均噴灌強(qiáng)度減小的幅度相對較小.而1，2，3和4號試驗(yàn)幅度相對較大.2號和4號試驗(yàn)噴頭在組合間距為1.0R時(shí)，其噴灌強(qiáng)度大于8 mm/h.在土質(zhì)為黏土的情況下，有可能會產(chǎn)生地表徑流，造成浪費(fèi)水資源.

圖9 不同組合間距下的平均噴灌強(qiáng)度

2.4 極差分析

試驗(yàn)采用綜合評分法分析[14]各結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴灑性能的影響.評價(jià)指標(biāo)為噴頭的組合均勻性系數(shù)和射程.根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和要求，組合均勻性系數(shù)和射程的權(quán)值分別為W1=W2=1.組合均勻性與射程的數(shù)量級不同，取C1=10，C2=0.2，使均勻系數(shù)與射程數(shù)量相當(dāng).則由直接加權(quán)法，αk=CkWk綜合評價(jià)為

yi*=10yi1+0.2yi2.

(3)

以yi*作為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算，yi*值越大優(yōu)化結(jié)果越好，其結(jié)果如表4所示.

表4 評價(jià)結(jié)果

由圖8,9可知，為了保證噴頭噴灑的均勻性，減少水土流失的可能性，表4中的組合均勻系數(shù)以1.2R的組合間距為例.由表4可知，3號試驗(yàn)的噴灑均勻性系數(shù)最大，達(dá)到83.7%，7號試驗(yàn)的噴灑均勻性系數(shù)最小，為70.1%；9號試驗(yàn)噴頭在保證了射程的同時(shí)，噴灑均勻性也較好；隨著流道偏轉(zhuǎn)角的增大，組合均勻系數(shù)也在提高.表5為極差分析的多指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果，從表5中可以看出，結(jié)構(gòu)參數(shù)對綜合評價(jià)指標(biāo)影響的主次順序依次為流道偏轉(zhuǎn)角、出口截面形狀、出口仰角、流道型線弧長，最優(yōu)水平組合為A1B3C1D3.

表5 評價(jià)結(jié)果極差分析

3 結(jié) 論

通過正交試驗(yàn)分析低壓旋轉(zhuǎn)式噴頭噴盤空間流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴頭灌溉質(zhì)量的影響，得到以下結(jié)論：

1) 以1.2R的組合間距為例，噴頭的組合均勻系數(shù)隨著流道偏轉(zhuǎn)角的增加而變大；

2) 各空間流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對組合均勻系數(shù)和射程的綜合評價(jià)指標(biāo)影響的主次順序?yàn)榱鞯榔D(zhuǎn)角、出口截面形狀、出口仰角、流道型線弧長.最佳參數(shù)組合為流道偏轉(zhuǎn)角4.5°、出口截面形狀為圓形、出口仰角為25°、流道型線弧長為29 mm.