史永杰,朱興業(yè)，胡廣，張愛英，李吉鵬

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

噴灌是一種利用專門的設備將壓力水噴灑到空中形成細小水滴，近似天然降水，均勻地落到田間的灌水方法[1].噴灌能夠控制作物用水量，防止水分的徑向和滲透的流失.噴灌均勻度是衡量噴灑區(qū)域內水量分布均勻程度的指標，是評價噴灌系統(tǒng)性能的重要參數(shù)[2].影響噴灌均勻度的主要因素有噴頭結構、噴頭工作壓力、噴頭組合間距、噴頭的數(shù)量及組合方式[3].

孫豐剛等[4]經分析認為影響噴灌均勻度的因素由強到弱依次為組合系數(shù)、工作壓力、布置形式.李永沖等[3]提出了有風條件下噴頭水滴運動與噴灌水量分布模擬方法，并利用Visual Basic 6.0開發(fā)了噴灌水量分布模擬軟件.趙偉霞等[5]研究了噴頭不同高度對圓形噴灌機灌水質量的影響.許迪等[6]研究了大田噴灌中，各處噴頭不同工作壓力情況下噴灌均勻度的計算評價方法.朱興業(yè)等[7]在不同工作壓力下對旋轉折射式噴頭的水量分布等參數(shù)進行試驗，研究了噴灑均勻性與組合間距之間的關系，為噴灌系統(tǒng)優(yōu)化配置提供了相應的理論基礎.劉俊萍等[8]研究了噴頭壓力對水量分布模型的影響，指出低壓噴頭的噴灌強度隨著壓力的增大先逐漸增大，達到一定值后基本保持不變，提出了低壓范圍內噴灌組合均勻系數(shù)和組合分布均勻系數(shù)兩者的函數(shù)關系式.

以上研究中，在不同工況下的噴頭噴灑均勻性之間的相互關系鮮見相關的研究報道.因此，通過對射流式噴頭的降水強度，利用Matlab擬合不同工況下的噴灌水量空間分布進行后續(xù)分析；然后根據正三角形和正方形的組合形式，選取最小基本單元，由單噴頭降水強度計算出不同工作壓力及組合間距下的噴灌均勻度CU和分布均勻性系數(shù)DU；進而分析工作壓力及組合間距對上述組合方式均勻度的影響.最后綜合考量生產實際中的成本以及生產效率，給出均勻度和經濟效益最佳的噴灌組合設計方式.

1 材料與方法

1.1 試驗設置

試驗所用射流式噴頭是基于擁有射流附壁效應的全射流噴頭改進的，能夠采用信號嘴從儲水環(huán)中進行的新型射流式噴頭.射流式噴頭樣機及關鍵部件如圖1所示.噴嘴的當量直徑為6 mm.其結構參數(shù)如下：信號孔與分水孔之間的夾角α為0°、儲水箱內徑為30 mm、長度為10 mm、基圓孔直徑為4 mm、取水信號嘴內徑為2 mm、收縮角為14°、第一補氣孔和第二補氣孔均為1 mm.

圖1 射流式噴頭樣機及關鍵部件結構

射流式噴頭噴灑試驗系統(tǒng)示意圖如圖2所示.噴頭連接壓力調節(jié)器，噴頭旋轉速度通過精度為0.01 s的秒表測量，試驗過程中噴頭工作壓力由精度為0.4級的精密壓力表保證，試驗在噴頭穩(wěn)定工作5 min后進行.

圖2 試驗系統(tǒng)圖

對射流式噴頭在安裝高度為1.4 m，工作壓力分別為0.10，0.15，0.20，0.25和0.30 MPa的情況進行全圓域噴灑.水量采用內徑為20 cm、高為60 cm的雨量筒測量，雨量筒以噴頭垂下地面位置為中心徑向布置，雨量桶間距為0.5 m，每組試驗測量3次，每組測試時間為1 h.圖3為噴頭分別呈三角形和正方形組合的組合方式及組合間距.

圖3 噴頭組合方式

1.2 噴灌水量的模擬

試驗中雨量筒測得的水深僅是噴頭X軸方向上的徑向水量分布，由于射流式噴頭轉速在全圓內并不均勻，因此一條射線上的水深并不能代表噴頭在全圓域內的水量分布,即在噴灌水量的模擬中需考慮轉速對其產生的影響.文中設定有4條射線將噴灑域劃分為4個象限Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，表示其水量分布各不相同.

(1)

Hi=hi·Wi,

(2)

式中：v0為噴頭噴溉過程中沿X軸方向的旋轉速度，r/s;vθ為噴頭噴溉過程中在P方向的旋轉速度，r/s;Wθ為網格P方向上的權值;Wi為任意位置i所在方向的權值.

1.3 性能評價指標的計算方法

噴灌均勻度是水量在灌溉區(qū)域上分布的均勻程度，實踐中發(fā)現(xiàn)在整個噴灌面積上噴灑的均勻度對作物的增收有決定性的影響，是衡量噴灌質量的重要標志[9-10].評價噴灌均勻度的指標有均勻性系數(shù)CU、分布均勻系數(shù)DU.

噴灌均勻度系數(shù)CU采用Christiansen計算法[11]，其計算公式為

(3)

分布均勻性系數(shù)的是指部分測點水深的均值與總水深平均值的比值[12].計算公式為

(4)

(5)

(6)

(7)

上述式中：DUlq為1/4低值分布均勻系數(shù)；DUhq為1/4高值分布均勻系數(shù)；DUlh為1/2低值分布均勻系數(shù)；DUhh為1/2高值分布均勻系數(shù)；hi為各測點水深值按從小到大排列的第i個水深值，mm.

2 結果與分析

2.1 不同工作壓力下的徑向水量分布

噴頭在1.4 m安裝高度的流量測量值如表1所示.

表1 不同壓力下的噴頭流量

根據流體力學知識，噴頭流量與噴嘴直徑以及工作壓力的關系為

(8)

由此可得出流量系數(shù)的計算公式為

(9)

上述式中：QP為噴頭流量，m3/h；μ為流量系數(shù)；A為噴嘴過流斷面面積，m2；H為噴嘴出口壓力，以米水柱表示，m.

從表1中可知：噴頭的流量與壓力呈正相關關系，噴頭的流量隨噴頭壓力的增大而增大；流量系數(shù)隨壓力的增大呈先上升后下降趨勢.

噴頭的徑向水量分布是評價噴頭噴灑效果的重要特征參數(shù)[12]，通過試驗獲取了雨量筒采集的數(shù)據，得到了射流式噴頭在不同工作壓力下的徑向水量分布，變化曲線如圖4所示.

圖4 噴頭安裝高度為1.4 m時的徑向水量分布

從圖4中可知，噴灌強度I隨距噴頭距離d的增大整體呈先上升后下降趨勢.隨噴頭工作壓力的增大，相同測點處的水量并沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，主要是因為噴射水流受到了旋轉速度、射流破碎、外界環(huán)境等多個因素的影響，噴射水流的能量損失不同工作壓力下存在著很大的隨機性.在0.1 MPa壓力下，距噴頭射程末端處噴灌強度急劇增大，出現(xiàn)這種突變的原因是出口處大直徑數(shù)量較多且速度梯度較小，造成水量在末端集中.壓力在0.15～0.30 MPa時，水量在距噴頭初始位置2.0～8.5 m處分布均勻，而在噴灑末端一段距離內，水深急劇下降，說明噴頭噴灑水柱破碎均勻，噴灑末端水滴直徑與對應同一數(shù)量級的頻數(shù)呈負相關趨勢.

2.2 不同工作壓力下的空間水量分布

對噴頭在1.4 m安裝高度，組合間距為1.0R,0.1 MPa壓力下的水量分布進行模擬，得到圖5所示的水量分布，圖中dh為橫向噴灑范圍.由圖可知：正方形組合的多噴頭噴灌區(qū)域的灌水量主要集中在正方形的中心，且水量沿正方形的4個頂點逐漸減?。蝗切谓M合噴灌區(qū)域內存在明顯的3個水量局部集中區(qū)域，集中區(qū)域隨壓力的增大從邊緣向內侵蝕.

計算圖5中不同壓力下水量分布的灌水峰值、CU及分布均勻性系數(shù)，結果如表2所示.從表2中可知工作壓力為0.10～0.20 MPa時正方形組合噴灌的CU值與分布均勻性系數(shù)的大小關系依次為DUhq，DUhh，1，DUlh，CU，DUlq.當壓力增大至0.25 MPa以上時，正方形組合噴灌的CU值與分布均勻性系數(shù)的大小關系依次為DUhq，DUhh，1，CU，DUlh，DUlq.這說明在高壓工況下，正方形組合的噴灌強度按最大值到最小值的次序銜接較好，在相同面積的高值區(qū)域和低值區(qū)域其平均值趨向于平均噴灌強度.工作壓力為0.10～0.15 MPa時三角形組合噴灌的CU值與分布均勻性系數(shù)的大小關系依次為DUhq，DUhh，1，DUlh，CU，DUlq.表明0.10～0.15 MPa下的三角形組合噴灌強度在最大值與最小值之間變化較為急劇，噴灌效果一般.

圖5 0.1 MPa壓力下不同組合噴灌水量分布

壓力增大至0.20 MPa以上時，正方形組合的DUlq和DUlh值均大于三角形組合，而DUhq和DUhh值則相反.正方形組合的DUlq和DUlh值隨工作壓力的增加而增大，DUhq和DUhh值則相反.表明正方形組合噴灌的低值區(qū)域噴灌強度隨壓力的增加在噴灌總強度的占比提高，高值區(qū)域的噴灌強度在總噴灌強度的占比減少.故對射流式噴頭而言，在正方形組合形式下，增大工作壓力有利于提高噴灑均勻性.

表2 不同壓力下組合均勻性系數(shù)

2.3 不同組合間距的空間水量分布

目前噴灌系統(tǒng)中噴頭組合形式主要有正方形和三角形2種組合[4]，對單噴頭在1.4 m安裝高度、0.25 MPa壓力下的水量進行線性疊加，得到不同組合間距的噴灌水量分布.計算水量分布的灌水峰值、CU及分布均勻性系數(shù)，結果如表3所示.此處只列出了較為代表性的間距為1.0R時的空間水量分布，如圖6所示.

表3 不同組合間距下的組合均勻系數(shù)

圖6 1.0R多噴頭組合噴灌水量的空間分布

由圖6可知，正方形組合形式的多噴頭噴灌相當于單噴頭噴灑區(qū)域中的4個象限分別置于正方形的4個頂點，疊加域內的水量分布近似對稱.當噴頭組合間距為1.0R時，正方形組合灌水峰值區(qū)域位于中心.結合表3可知，中心灌水峰值區(qū)域隨組合間距的增大逐漸減小，水量峰值出現(xiàn)在四周方向上.當噴頭組合間距為1.0R時，三角形組合存在3個類似于三邊形的峰值區(qū)域.隨著組合間距的增大，三邊形面積逐漸減小，水量峰值出現(xiàn)在三邊形的中垂線方向上.

由表3可知，正方形和三角形組合噴灌區(qū)域內的灌水峰值隨組合間距的增大而減小.不同組合間距下，正方形組合的灌水峰值均大于三角形組合， 1.0R的正方形組合灌水峰值大于其他所有的形式，這說明實際噴灌系統(tǒng)中該噴頭應避免工作在該工況附近，以防止水土流失.

從表3可以看出，1.2R，1.4R間距的正方形和三角形組合下的CU值與分布均勻性系數(shù)的大小關系均依次表現(xiàn)為DUhq,DUhh,1,DUlh,CU,DUlq.表明在該組合噴灌下的噴灌強度按從最高值到最低值的次序銜接一般，在相同面積的高值區(qū)域和低值區(qū)域，兩者的平均值與平均噴灌強度存在一定差距，噴溉效果一般.1.0R間距的正方形和三角形組合下CU值與分布均勻系數(shù)的大小關系均依次表現(xiàn)為DUhq,DUhh,1,CU,DUlh,DUlq.說明在此組合噴灌工況下的噴灌強度按從最高值到最低值的次序銜接較好，在相同面積的高值區(qū)域和低值區(qū)域，兩者的平均值與平均噴灌強度之間相隔較近，噴溉效果較好.1.0R和1.2R組合間距下，正方形組合的DUlq和DUlh值均大于三角形組合，且其DUhq與DUhh均小于三角形組合.說明正方形組合噴灌低值區(qū)域的噴灌強度在灌溉總強度的占比，比三角形組合高；正方形組合噴灌高值區(qū)域的噴灌強度在噴灌總強度的占比，比三角形組合低；1.4R的組合間距則與上述相反.

噴頭組合間距在1.0R～1.4R變化時，正方形組合噴灌的CU值隨噴頭間距的增大呈下降趨勢，但CU值均大于70%.三角形組合噴灌的CU值隨噴頭間距的增大呈先下降后上升趨勢，1.4R間距下的CU值達到73.85%.1.2R間距下，三角形組合的CU值遠小于正方形組合，兩者相差8.49%.綜合考慮噴灌系統(tǒng)的經濟性及噴灑質量，射流式噴頭1.4 m安裝高度、0.25 MPa壓力下宜采用1.4R間距的三角形組合.

2.4 相同壓力損失下的空間水量分布

在實際噴灌系統(tǒng)中，由于各種因素的影響，水流存在一定的壓力損失.為探究噴頭布置過程中壓力損失對組合噴灑水量分布均勻性的影響，采用正方形布置，選取左側兩噴頭工作壓力依次為0.15，0.20，0.25和0.30 MPa，組合間距為1.0R的噴灌情形.假設右側噴頭工作壓力降低10%，對試驗數(shù)據進行處理并計算分布均性系數(shù)及CU值，結果如表4所示.由表可知，CU，DUlq和DUlh隨兩側壓力pl，pr的遞加而增加，DUhq和DUhh則相反.說明噴頭在正方形組合中同時增大兩側壓力，噴灌更加均勻.對比表2不存在壓力損失的情況，能夠得知壓力損失并不總是降低噴灌的均勻性，0.20～0.30 MPa壓力下，10%的壓力損失對噴頭噴灌均勻性幾乎沒有影響.

表4 壓力損失下的組合均勻系數(shù)

圖7為噴灌強度，由圖可知，0.15～0.30 MPa壓力下的噴灌強度分別在(6,8],(8,10],(8,10]和(10,12]區(qū)間內的頻率達到最大值.0.15～0.30 MPa的灌水峰值分別為22.05,20.07,20.16和17.92 mm/h，相比右側不存在壓力波動，噴灌強度峰值變化幅度的絕對值小于7%，說明0.15～0.30 MPa壓力下，10%的壓力損失對噴頭過量灌溉的影響不大.

圖7 噴灌強度的柱狀分布

3 結 論

1) 正方形組合形式下，增大工作壓力有利于提高噴灑區(qū)域內的均勻性.

2) 射流式噴頭1.4 m安裝高度、0.25 MPa壓力下宜采用1.4R間距的三角形組合.

3) 當壓力增大至0.25 MPa以上時，正方形組合的噴灌強度按最大值到最小值的次序銜接較好，在相同面積的高值及低值區(qū)域的平均值趨向于平均噴灌強度，噴灌效果理想.