姚吉成，王新坤*，張少川，徐勝榮，靳彬彬，丁師偉

(1. 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； 2. 中國電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550008； 3. 山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東 泰安 271000)

噴灌是一種廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、景觀園林等領(lǐng)域的高效節(jié)水灌溉技術(shù)[1-2].噴頭是噴灌系統(tǒng)工程的關(guān)鍵組成部分，其性能直接影響著噴灌工程的耗資和噴灑均勻性[3-4].單個噴頭的性能主要體現(xiàn)在射程、徑向水量分布、噴灑均勻性等方面.噴頭的射程決定了噴灑濕潤面積，對噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括噴頭間距布置、噴頭用量、管道間距以及管道用量等具有直接影響，因而對噴灌工程的總體耗資影響較大[5-6].噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，噴頭布置常采用正方形或三角形布置方案.單一噴頭的徑向水量分布和周期噴灑均勻性直接決定著組合布置后噴灌系統(tǒng)的整體噴灑均勻性[7-8].

負(fù)壓反饋射流噴頭是繼全射流噴頭[9]后，基于射流附壁切換技術(shù)[10]開發(fā)的一款具有脈沖特性的國產(chǎn)新型噴頭.王新坤及其團(tuán)隊(duì)[11-12]針對負(fù)壓反饋射流噴頭原型機(jī)進(jìn)行水力性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其出射水流具有強(qiáng)烈的脈沖動能,在同等工作壓力、噴嘴噴管尺寸和相近的轉(zhuǎn)動周期下，射程同比搖臂式噴頭遠(yuǎn)1.5～2.1 m，均勻性系數(shù)為78%～86%.在驅(qū)動與噴灑機(jī)制方面，區(qū)別于傳統(tǒng)搖臂式噴頭，采用復(fù)雜驅(qū)動機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動，間歇切斷水流，加劇射流空中破碎，并通過副噴嘴補(bǔ)充噴灑，以保證近中處的噴灑效果[13].該型噴頭由于獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主副噴嘴出射水流均自然呈高頻脈沖切換效果，噴灑過程是“主射流遠(yuǎn)、副射流近—主射流近、副射流遠(yuǎn)”兩者間的動態(tài)高頻切換，出射水流在空中間斷出射次數(shù)多，整體噴灑較為均勻.在工作壓力為0.2 MPa下，脈沖頻率約為18 Hz，脈沖特性曲線類似正弦曲線[14].因此驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相比搖臂式噴頭大大簡化,僅需采用單一擋板作為驅(qū)動裝置，即可保證近中處的噴灑效果，整體結(jié)構(gòu)簡單.

噴嘴、噴管是噴頭的重要組成部分，對水力性能影響較大.合適的噴嘴尺寸有利于提高噴頭射程，同時維持較為合適的射流破碎程度.合適的噴管長度和仰角組合有助于水流平順，消除橫向環(huán)流，減少壓力損失，提高噴頭射程和野外抗風(fēng)性能[15-16].由于負(fù)壓反饋射流噴頭工作機(jī)制為高速水流左右切換交替出射，不同于常規(guī)搖臂式噴頭，其內(nèi)部流動相對復(fù)雜和紊亂.因此其噴嘴、噴管等參數(shù)組合的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行針對性研究.目前該項(xiàng)研究少有學(xué)者開展.

因此，文中主要針對以上問題進(jìn)行研究，通過不同工作壓力、噴嘴，噴管參數(shù)對噴頭水力性能影響的正交試驗(yàn).對試驗(yàn)結(jié)果涉及的射程和灌水均勻性多指標(biāo)評價(jià)采用熵權(quán)法進(jìn)行權(quán)重確定后，綜合評分選出最優(yōu)水力性能下的工作壓力，以及噴管、噴嘴參數(shù)組合.對綜合評分結(jié)果采用極差分析法得到各因素對水力性能影響程度，以期為后續(xù)研究提供參考，同時為負(fù)壓反饋射流噴頭工程應(yīng)用提供理論支撐.

1 材料與方法

試驗(yàn)在江蘇大學(xué)圓形噴灌實(shí)驗(yàn)室開展，實(shí)驗(yàn)室為密封帶頂棚封閉式建筑，地面平整，坡度小于1%；實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)室內(nèi)溫度為15°～18°，無風(fēng).試驗(yàn)所需噴嘴、噴管和射流機(jī)構(gòu)均采用快速成型加工，誤差小于0.1 mm，各構(gòu)件加工成品和組裝樣機(jī)如圖1所示.主副噴管長度分別為4.2，5.6，7.0 cm；主副噴嘴尺寸分別為3，4，5 mm，圓柱段長度為1 mm,內(nèi)錐角20°，副噴嘴處驅(qū)動板角度為12°；射流機(jī)構(gòu)仰角(即噴射仰角)分別為20°，30°，40°.射流機(jī)構(gòu)的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)決定著噴頭是否具有脈沖特性，該部分王新坤等[12]進(jìn)行了較為系統(tǒng)性研究，已確定了具體的結(jié)構(gòu)尺寸為射流進(jìn)口寬×深4 mm×8 mm、位差1.80 mm、側(cè)壁夾角20°、劈距28.0 mm，文中不做討論，具體參數(shù)位置如圖2所示.

圖1 各試驗(yàn)構(gòu)件及組裝樣機(jī)實(shí)物圖

圖2 負(fù)壓反饋射流噴頭的結(jié)構(gòu)剖面

單噴頭水力性能測試系統(tǒng)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50085—2007[17]，GB/T 19795.1—2005[18]，GB/T 19795.2—2005[19]布置.供水系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)室自建泵房提供.試驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)雨量筒采取雙徑向布置，間距為1.0 m；為了提高測量精度，在噴灑近處和射程末端部分，雨量筒布置采用0.5 m間距，測試結(jié)果取180°的雙徑向雨量筒數(shù)據(jù)均值；噴頭安裝高度為1.20 m；壓力表安裝在噴頭下方0.45 m處，高度與主噴嘴高度保持一致，精度為0.4級；電磁流量計(jì)安裝在泵房水泵出水口處，精度為0.5級.試驗(yàn)前先用透明防水薄膜對凈空的雨量筒進(jìn)行覆蓋，在噴頭穩(wěn)定運(yùn)行10 min后，掀去防水薄膜開始數(shù)據(jù)測量，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，每次20 min.

試驗(yàn)現(xiàn)場如圖3所示.

圖3 噴頭水力性能測試現(xiàn)場圖

2 正交試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)因素與方案設(shè)計(jì)

影響負(fù)壓反饋射流噴頭水力性能的因素有工作壓力、射流原件結(jié)構(gòu)參數(shù)、噴嘴尺寸、噴管長度與噴射仰角.工作壓力和射流原件結(jié)構(gòu)參數(shù)是噴頭能否產(chǎn)生脈沖水流及脈沖性能的優(yōu)異程度的關(guān)鍵；主副噴嘴尺寸、噴管長度以及噴射仰角影響著壓力水流在噴頭內(nèi)部流動時的能量損失和出射水流的平順程度，進(jìn)而影響噴頭的驅(qū)動力大小、射程遠(yuǎn)近、射流破碎程度、野外抗風(fēng)性能以及整體噴灑質(zhì)量.

設(shè)定A，B，C，D分別代表工作壓力(MPa)、主×副噴嘴尺寸(mm×mm)、噴射仰角(°)和主×副噴管長度(cm×cm)，因素取值范圍參考搖臂式噴頭設(shè)計(jì)原理[20]，因素水平見表1.

表1 因素水平表

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與評價(jià)

表2為試驗(yàn)方案和結(jié)果.噴灌均勻性系數(shù)是評價(jià)噴頭性能的重要指標(biāo)，代表著噴灌工程的整體噴灑均勻程度，直接影響目標(biāo)區(qū)域作物的生長發(fā)育一致性.噴頭均勻系數(shù)Cu采用克里斯琴法[21]，計(jì)算公式為

(1)

表2 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)測得單噴頭徑向雨量分布數(shù)據(jù)，采用Matlab編程計(jì)算，設(shè)定噴頭為正方形布置，噴頭組合間距根據(jù)計(jì)算結(jié)果擇優(yōu)選取1.2R(R為射程).

對流量大于0.075 m3/h的噴頭，噴頭射程選?。涸谡ＰD(zhuǎn)情況下，噴頭中心線距測出的灌水強(qiáng)度為0.25 mm/h那個點(diǎn)的距離[19].

試驗(yàn)結(jié)果評價(jià)：選取射程和均勻系數(shù)2個主要噴頭性能評價(jià)指標(biāo).對涉及多指標(biāo)的綜合評價(jià)，采用綜合評分法化多指標(biāo)為單一指標(biāo)進(jìn)行選優(yōu)，具體步驟如下.

首先對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.在噴頭水力性能評價(jià)體系中，射程與均勻性系數(shù)均為越大越好，因此選用式(2)進(jìn)行處理[22].

(2)

式中：Yij為第i型指標(biāo)的第j類值的標(biāo)準(zhǔn)化后值；xij為第i型指標(biāo)的第j類值.

綜合評分法中，權(quán)重系數(shù)的選擇對結(jié)果影響較大.常用的權(quán)重系數(shù)其確定方法有專家咨詢法、主成分分析法、層次分析法、熵權(quán)法、標(biāo)準(zhǔn)離差法等.文中選取熵權(quán)法[23]進(jìn)行權(quán)重系數(shù)計(jì)算，得到射程和均勻性系數(shù)的權(quán)重分別為0.353 8和0.646 2.由直接加權(quán)法，綜合評分為

(3)

由表2評分結(jié)果可知，第9組試驗(yàn)綜合評分最高.最優(yōu)參數(shù)組合為A3B3C2D1，即工作壓力0.35 MPa，主×副噴嘴直徑為5 mm×4 mm，噴射仰角為30°，主×副噴管長度為4.2 cm×4.2 cm.

為了進(jìn)一步得到各因素對負(fù)壓反饋射流噴頭綜合水力性能的影響程度，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的極差分析[24]，結(jié)果見表3.由表可以看出各因素對水力性能影響主次序?yàn)镃，B，A，D，即噴射仰角、主副噴嘴直徑、工作壓力、主副噴管長度.

表3 極差分析結(jié)果

2.3 最優(yōu)參數(shù)組合下的單噴頭水力特性

圖4為最優(yōu)參數(shù)組合下的負(fù)壓反饋射流噴頭水力特性曲線，圖中物理量為工作壓力p、雨量筒距噴頭距離d、進(jìn)口流量Q、射程L、降水深h、平均噴灌強(qiáng)度Ia.

由圖4a可知，在工作壓力為0.20～0.30 MPa下，噴頭進(jìn)口流量遞增范圍為1.67～1.98 m3/h.相比國家標(biāo)準(zhǔn)《旋轉(zhuǎn)式噴頭》(GB/T 22999—2008)[25]中的規(guī)定，同為10 mm進(jìn)口公稱直徑，主×副噴嘴直徑組合為4.5 mm×2.5 mm的常用旋轉(zhuǎn)式雙噴嘴噴頭，在工作壓力0.20～0.30 MPa下的流量1.49～1.76 m3/h略大.這主要是由于搖臂式噴頭采用主噴嘴沖擊驅(qū)動機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生回彈沖擊以保證噴頭的轉(zhuǎn)動，而副噴嘴主要是為了調(diào)節(jié)噴頭整體噴灑質(zhì)量.負(fù)壓反饋射流噴頭采用了副噴嘴處高頻脈沖射流間歇沖擊的驅(qū)動方式，為了確保足夠的驅(qū)動力，副噴嘴尺寸設(shè)計(jì)得比較大，因此流量略大；另外，主副噴嘴設(shè)計(jì)尺寸相近，可減小因脈沖射流而使噴頭兩側(cè)受力不均導(dǎo)致的振動，增加了噴頭的運(yùn)行穩(wěn)定性.

利用SPSS軟件擬合了流量隨工作壓力的變化函數(shù)，即

y=0.204 3x2-0.431 5x+0.347 6,R2=0.995 2.

(4)

式(4)可計(jì)算工作壓力為0.20～0.35 MPa內(nèi)任一工況下的單一噴頭流量，可為該型噴頭實(shí)際工程應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參考.

由圖4b可知，噴頭射程隨工作壓力增加呈線性增加趨勢，在工作壓力為0.20～0.35 MPa下，射程遞增為13.1～14.0 m,且隨壓力增加，射程增加趨勢放緩，這主要是由于高壓下射流破碎加劇和噴頭轉(zhuǎn)動周期縮短引起的.擬合經(jīng)驗(yàn)式為

y=0.091 8x2-2.322 1x+14.873,R2=0.998 8.

(5)

式(5)用于計(jì)算工作壓力為0.20～0.35 MPa內(nèi)任一工況下的單一噴頭射程.

由圖4c可知，不同工作壓力下水量分布趨勢基本保持一致，呈雙峰狀，且近處較少.通過試驗(yàn)觀察，水量雙峰的形成，在4～6 m處主要是由于驅(qū)動板上的側(cè)向槽對部分射流的破碎和導(dǎo)向作用引起；9～11 m處，主要是受副噴嘴射程影響，由于射流的破碎機(jī)制，射程末端水滴直徑較大，造成該處的水量凸峰.

由圖4d可知，不同工作壓力下，噴灑平均噴灌強(qiáng)度呈先增后減再遞增的變化趨勢.0.20～0.25 MPa時，隨著工作壓力增加，進(jìn)口流量與射程均增加，且進(jìn)口流量增速小于射程增速，平均噴灌強(qiáng)度增加；0.25～0.30 MPa時，隨工作壓力增加，進(jìn)口流量與射程增速均放緩，且進(jìn)口流量增速同比下降高于射程增速，平均噴灌強(qiáng)度隨之減小；0.30～0.35 MPa時，隨工作壓力增加，進(jìn)口流量增速同比上升，射程增速同比下降，平均噴灌強(qiáng)度隨之上升.

總體上，該型噴頭射程遠(yuǎn)，流量稍大，平均噴灌強(qiáng)度較大.但對于全圓旋轉(zhuǎn)型噴頭，其噴灌強(qiáng)度通常都大于土壤最大入滲強(qiáng)度，而適當(dāng)增加轉(zhuǎn)動周期，給與土壤足夠的入滲時間，可在一定程度上消除噴灌強(qiáng)度過大而引起地表徑流的影響[26].對于該型噴頭，由于其驅(qū)動方式為高速脈沖射流高頻間歇打擊驅(qū)動板以驅(qū)動噴頭轉(zhuǎn)動，驅(qū)動力相比連續(xù)射流沖擊較大，因此可考慮在轉(zhuǎn)動裝置處進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，通過增加墊片適當(dāng)延長噴頭運(yùn)行周期，以達(dá)到較好的噴灑效果.

圖4 水力特性曲線圖

3 結(jié) 論

1) 通過對噴頭樣機(jī)的連續(xù)性測試，該型脈沖噴頭運(yùn)行穩(wěn)定，證明高頻脈沖射流交替沖擊并不影響噴頭運(yùn)行的均勻連續(xù)性.

2) 各因素對噴頭水力性能影響主次順序?yàn)閲娚溲鼋?、主副噴嘴直徑、工作壓力、主副噴管長度.

3) 在射流元件結(jié)構(gòu)參數(shù)為進(jìn)口寬×深4 mm×8 mm、位差1.80 mm、側(cè)壁傾角10°、劈距28.0 mm下，影響負(fù)壓反饋射流噴頭水力性能的主要參數(shù)的水力性能最優(yōu)組合為工作壓力0.35 MPa、主×副噴嘴直徑5 mm×4 mm、噴射仰角30°、主×副噴管長度4.2 cm×4.2 cm.擬合了在0.20～0.35 MPa下噴頭流量和射程的經(jīng)驗(yàn)公式.為該型國產(chǎn)脈沖噴頭的投產(chǎn)和工程應(yīng)用提供了可借鑒的理論數(shù)據(jù).

4) 考慮到噴射仰角不對稱性可能會導(dǎo)致噴頭在高頻脈沖射流沖擊下運(yùn)行不穩(wěn)定，主副噴管仰角均相同并采取同步變化.縱觀目前市場上常見的搖臂式噴頭，仍有不少采用主副噴管不同噴射仰角的設(shè)計(jì)，主要是為了進(jìn)一步提升噴灑效果.

后續(xù)研究可針對主副噴管不同噴射仰角下，對負(fù)壓反饋射流噴頭進(jìn)行水力性能優(yōu)化嘗試.同時噴嘴部分也可嘗試結(jié)合該型噴頭獨(dú)特的脈沖特性進(jìn)行相應(yīng)的異形噴嘴研發(fā)，并進(jìn)行相應(yīng)的擋板角度和型式調(diào)整以進(jìn)行優(yōu)化研究.