侯永勝，董曉麗，嚴海軍，董云雷，高江永，蔡振華，史海玲，崔 康

(1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京100083； 2.北京機科國創(chuàng)輕量化科學研究院有限公司，北京100083；3.中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京100083)

0 引言

圓形噴灌機(中心支軸式噴灌機)是噴灑支管固定在若干個塔架車上，并繞中心支軸旋轉的一種噴灌機。作為一種典型的節(jié)水灌溉設備，具有噴灑質量好、工作效率高、勞動強度低、自動化程度高和操作方便等優(yōu)點，被廣泛應用于地塊較大、技術和經(jīng)濟條件較好的大型農(nóng)場。

圓形噴灌機最早出現(xiàn)于20世紀50年代，由美國人Frank Zybach發(fā)明，后經(jīng)維蒙特(Valmont)等公司改進得以推向市場。到20世紀60年代，噴灌機得到初步應用，但全年產(chǎn)量只有50臺。隨著全球范圍內節(jié)約水資源和農(nóng)業(yè)自動化、集約化的發(fā)展，圓形噴灌機進入快速應用階段，根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織編寫的《機械化噴灌溉》資料統(tǒng)計，1972年美國境內安裝13 600臺，1978年美國境內安裝臺數(shù)達到51 965臺，在此期間，美國累計國外銷售51 095臺。預計到2027年，全世界圓形噴灌機產(chǎn)值將達到19億美元。由于圓形噴灌機在灌溉和節(jié)水方面的多種優(yōu)勢，美國著名科技刊物《科學美國》曾稱贊道：“圓形噴灌機是自從拖拉機取代耕畜以來，意義最重大的農(nóng)業(yè)機械發(fā)明”[1]。

我國大型噴灌機技術的發(fā)展從1976年末開始，經(jīng)歷4個階段：起步引進階段、關鍵部件攻關階段、完善提高和穩(wěn)妥推廣階段、技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化階段。2009年以前，大型噴灌機市場需求量較小。從2010年開始，市場需求量呈快速增長趨勢。截止到2018年底，全國大型噴灌機保有量超過1.6萬臺，累計灌溉覆蓋面積超過48.67萬hm2。

圓形噴灌機噴灌作業(yè)時，桁架輸水管圍繞固定中心支軸旋轉，灌溉區(qū)域呈圓形或扇形，灌溉面積隨機組有效長度的2次方關系增加，輸水管內的壓力隨著機組有效長度的增加大幅度降低。圓形噴灌機機組噴灌強度沿著機組方向線性增加，因而機組末端噴灌強度超過土壤入滲率，嚴重時會出現(xiàn)地面徑流(低壓散水式噴頭較為明顯)，引起土壤破壞和肥料的分布不均。為了緩解此問題，圓形噴灌機工程設計時必須要重視噴頭選型、噴頭配置方式及其他多種因素，如作物種類、土壤類型、噴頭類型及噴灑性能等。噴頭類型及噴頭配置方式對整個噴灌機組的系統(tǒng)設計、灌溉質量和運行管理等方面具有重要意義[2-3]。

圍繞圓形噴灌機使用，從噴頭類型發(fā)展演變、噴頭結構及性能研究和噴頭配置方式等多個方面，闡述其研究現(xiàn)狀，并進行歸納總結。

1 噴頭類型演變過程

灌溉用噴頭的發(fā)明早于圓形噴灌機，由于圓形噴灌機對噴頭的各種需求，使得噴頭種類有了不斷的發(fā)展和更新，經(jīng)歷了從單純機械組合到有機整體的過程。

1933年搖臂式噴頭問世，由Rainbird和Nelson公司生產(chǎn)，有力促進了當時農(nóng)業(yè)灌溉技術的快速發(fā)展[4]。20世紀60年代中后期，出現(xiàn)了行走式噴灌機，并得到快速推廣應用，其中以圓形噴灌機為主要代表，采用搖臂式噴頭，工作壓力在340 kPa左右，實際運行成本高，飄移嚴重。為了降低成本和減少飄逸，又研制出低仰角搖臂式噴頭，工作壓力170～270 kPa，緩解了上述問題，但是噴頭流量受灌溉地形高低起伏影響嚴重。20世紀70年代，研制出的流量控制噴頭和固定式壓力調節(jié)器，解決了噴頭流量受地形影響難題。20世紀70年代中期，為了降低機組運行能耗，研制出低壓折射式噴頭，工作壓力≤200 kPa，同時，通過對噴嘴和折射盤的系列化、通用化設計，以適應不同作物及土壤需求。由于噴頭工作壓力降低，導致射程變短(如D3000系列噴頭，流量7 m3/h，最大射程7 m)，噴頭間距變密，噴灌強度增大，產(chǎn)生地表徑流[5-6]。針對這一問題，先后出現(xiàn)兩種解決方案：方案1，通過調整噴頭配置方式，即通過增大噴頭間距，降低噴灌強度，避免產(chǎn)生地表徑流；方案2，通過設計新型噴頭產(chǎn)品來實現(xiàn)，即通過水沖力和阻尼器使帶有溝槽的噴盤以一定轉速旋轉，擴大噴灑面積，降低噴灌強度，如R3000系列噴頭，流量7 m3/h，最大射程11 m，大大降低了機組的噴灌強度[7-9]。

灌溉使用的噴頭分類有多種方法。

按驅動方式：搖臂(水平、垂直)式、球驅動式、齒輪驅動式、葉輪式和反沖阻尼式。

按工作壓力等級：高壓噴頭(500～800 kPa)、中壓噴頭(200～500 kPa)、低壓噴頭(100～200 kPa)和微噴頭(50～150 kPa)[4]。

根據(jù)作物高度情況和噴頭射程需要，噴頭安裝有頂部倒噴式(圖1a)和下垂式(圖1b)兩種方式。

按噴灑特征：散水式(折射式、縫隙式和離心式)和旋轉式。根據(jù)目前圓形噴灌機噴頭發(fā)展和應用特征，筆者建議當按照噴灑特征分類時，應新增旋轉折射式類型。

根據(jù)噴頭的噴灑特征、驅動方式和工作壓力等參數(shù)，圓形噴灌機的噴頭類型演變過程如表1所示[4]。

表1 圓形噴灌機噴頭類型演變過程

2 噴頭研究現(xiàn)狀

綜合圓形噴灌機工作原理，并考慮其末端噴灌強度較大的工作特點，國內外關于噴頭的研究，主要集中在幾何參數(shù)(進水口直徑D、噴嘴直徑d、噴射仰角α)和工作參數(shù)(噴頭流量qp、噴頭工作壓力hp、噴頭射程R)，而對水力性能參數(shù)[噴灌強度ρ、水滴打擊強度(水滴直徑、水量分布圖或水量分布曲線)]的影響及噴灑漂移損失等方面研究較少。

圓形噴灌機常用噴頭為旋轉搖臂式(以下簡稱搖臂式)、散水式、旋轉折射反沖阻尼式(以下簡稱旋轉折射式)3大類。以下從這3類圓形噴灌機常用噴頭入手，對噴頭的研究現(xiàn)狀進行分析和討論。

數(shù)據(jù)來源：美國Nelson和 Senninger產(chǎn)品樣本

2.1 搖臂式噴頭

搖臂式噴頭是指繞其鉛垂軸旋轉并將水灑布在圓形或扇形面積上的裝置。它是在噴管上方的搖臂軸上，套裝一個前端設有偏流板(擋水板)和導流板的搖臂，壓力水從噴管的噴嘴中噴出時，經(jīng)偏流板沖擊導流板，使搖臂產(chǎn)生切向運動力繞懸臂回轉一定角度，然后在扭力彈簧的作用下返回并撞擊噴管，使噴管旋轉一定角度，如此反復進行，噴頭即可作全圓周轉動。如在噴頭上加設限位裝置和換向機構，使噴管在轉動一定角度后換向轉動，即可進行扇形噴灌。

搖臂式噴頭研究方法通常為試驗方法、流動與結構數(shù)值計算方法。研究內容主要集中在噴頭的噴灑特性、射程、噴嘴形成水滴、水量和水滴直徑的預測，以及影響因素等方面。

2.1.1射程

噴頭射程影響灌溉面積、噴灌效率、噴灌強度等，是圓形噴灌機系統(tǒng)設計中重要指標，直接影響系統(tǒng)中噴頭數(shù)量。從20世紀20年代開始，國內外學者分析了影響噴頭射程的因素，并提出許多種噴頭射程的經(jīng)驗公式，BEZDEK J C等[10]提出了噴頭射程與工作壓力和噴嘴直徑的關系。于浙民[11]在PY2型系列噴頭射程試驗的基礎上用曲線擬合方法，得出了旋轉式噴頭射程公式。李久生等[12]用水滴運動方程確定水滴落地時的速度，計算了單位質量水滴沿徑向不同位置處的動能和總動能。徐紅等[13]利用ZY系列噴頭測量了在不同工作壓力下水滴直徑的室內試驗，結果表明，采用水重加權平均法計算水滴平均直徑更符合實際；水滴直徑沿射程方向呈現(xiàn)較好的指數(shù)函數(shù)分布；在距離噴頭同一位置處，平均水滴直徑隨噴頭工作壓力的升高而減?。浑S著噴頭工作壓力的升高，產(chǎn)生小水滴的頻率增大。FRISO D等[14]提出了射程與噴嘴直徑、噴嘴壓力、噴頭高度、噴頭仰角(<30度)呈同向關系，并回歸出2個公式。

同時，還有其他用于估算旋轉式噴頭射程的經(jīng)驗公式，如卡瓦扎公式、常文海公式、馮傳達公式和加維林公式。蔡振華[5]用射程R、噴嘴直徑d和噴頭工作壓力hp回歸出折射式噴頭的射程計算公式。

另外，噴頭安裝高度越高，則射程就越大。但安裝高度受作物高度和冠層的影響。

綜合上述情況可知，噴頭射程計算公式主要來源于3種途徑：經(jīng)驗、試驗數(shù)據(jù)回歸和水滴運動方程求解。目前，在工程應用上以試驗數(shù)據(jù)回歸(經(jīng)驗也屬于數(shù)據(jù)回歸的另一種形式)應用較多。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，噴頭數(shù)值模擬技術也成為研究熱點之一，對水滴運動方程求解研究也逐漸細致深入。

2.1.2噴嘴直徑、工作壓力對水滴直徑和水量分布的影響

噴頭噴灑水水滴直徑的大小與噴頭水量分布、噴灌效果等均有重要關系。研究表明，噴嘴直徑與水滴直徑成正比關系，水滴較大時，水流從噴盤實際射出仰角比理論值偏大，相反則偏小[15]。當初速度相等時，大水水滴比小水水滴具有更多動能，運動距離更遠[16]。在工作壓力偏高和噴嘴偏小情況下，會產(chǎn)生小水水滴，使水量集中在噴頭附近，增大噴頭附近噴灌強度，引起地面徑流、增大系統(tǒng)運行能耗及漂移損失。

工作壓力較高時產(chǎn)生小水水滴。在工作壓力偏低和噴嘴偏大情況下，會產(chǎn)生大水水滴，水量集中在離噴頭較遠一些區(qū)域，易產(chǎn)生地面徑流。當壓力和噴嘴直徑同時增大時，水量集中分布在噴頭附近，但平均水滴直徑偏小，噴灑半徑偏大[17-18]。

水滴的慣性與直徑是立方的函數(shù)關系，空氣阻力與水滴直徑是平方的函數(shù)(重疊面積)，小水滴比大水滴的運動速度慢，動能小，在相同條件下，運動距離較短。所以，噴頭射程與水滴直徑成同向增減關系，但應工作在推薦的范圍，否則會導致噴頭的水量分布變差。因為，控制水流擴散有2個因素，分別是水流自身的變化和空氣阻力(克服水表面張力)。噴射速度對于產(chǎn)生破壞水滴所必須的空氣阻力是至關重要的。旋轉較快的噴頭具有較大角速度，使得水流更好破碎。反之，水流的破碎主要是速度變化和空氣阻力來控制，旋轉較慢時，噴灑半徑較遠[19]。BAUTISTA-CAPETILLO C等[20]提出水滴動能隨噴頭距離增長而增長，隨壓力增長而下降，并用試驗回歸了噴頭在200、300和400 kPa壓力下，水滴與在射程方上的距離之間成指數(shù)關系增長的數(shù)學公式。

研究人員對噴頭的研究長期致力于噴嘴直徑、工作壓力對水滴直徑和水量分布的影響。工作壓力對水量分布的影響研究是工作壓力對水滴直徑研究的另外一種表現(xiàn)形式，目前仍以試驗定性研究為主。

除了以上2個主要研究方面外，其他研究工作還包括噴頭新結構、噴灌均勻度的可視化、內部流場數(shù)值模擬、搖臂碰撞過程數(shù)值模擬、流道曲面建模和噴頭內部曲面逆向重構等方面。朱興業(yè)等[21]和劉俊萍等[22]針對噴頭在低壓條件下工作時水力性能較差的問題，提出采用異形噴嘴(噴嘴開槽)降低水滴打擊強度并改善噴灑均勻性的方法。袁壽其等[23]提出基于MATLAB的噴頭水量分布數(shù)據(jù)處理方法，通過將噴頭徑向水量分布數(shù)據(jù)轉換為網(wǎng)格型數(shù)據(jù)，再進行插值疊加求出各網(wǎng)格點總降水深，求出不同組合間距系數(shù)下的噴頭組合均勻系數(shù)，實現(xiàn)計算結果可視化。嚴海軍等[24]和韓文霆等[25]利用三維設計軟件建模，應用Fluent中模擬內流道流場，分析了噴頭主副噴嘴的流量、入口壓力與出口平均速度等參數(shù)的關系。徐琳等[26]利用三維光學掃描儀獲取數(shù)據(jù)點云，采用弦偏差采樣法將點云數(shù)據(jù)精簡后，選擇非均勻有理B樣條模型分別按照點—線—面的順序對噴嘴內部曲面進行重構。還有學者針對導型噴嘴和方形噴灑域進行了相關研究[27-30]。

這些研究對噴頭的設計、特性分析、選用及產(chǎn)業(yè)化等具有重要指導意義。

2.2 散水式噴頭(固定散水式噴頭)

散水式噴頭是指噴頭噴出的水沿徑向向外同時散開，濕潤面積為圓形或扇形。常用折射式噴頭，其工作原理為水流由噴嘴垂直射出后遇到折射錐盤(又稱折射盤、折射板)阻擋，形成薄水層沿四周射出，在空氣阻力作用下裂散為小水滴降落到地面。

折射式噴頭研究主要集中在噴嘴流量系數(shù)折射盤表面形狀對噴灑的影響和噴嘴出口至折射盤距離長短對盤表面壓力影響等方面。王新坤等[31]和朱興業(yè)等[32]提出的全射流噴頭相關理論一定程度上可支持折射盤的水力性能設計，楊雯等[33-34]和張以升[35]分析了噴頭水力結構對噴頭水力性能的影響。

2.2.1噴嘴流量系數(shù)

噴嘴結構包括噴嘴進出口直徑、噴嘴長度和噴嘴內縮角。對于任何內縮角噴嘴，流量與壓力都可以寫成指數(shù)關系。噴嘴流量系數(shù)和射程隨內縮角增大而減小，在超過60時尤為明顯；當內縮角取30時，射程較大，且水量分布較為理想。流量系數(shù)對射程影響較大。在其他條件相同情況下，噴嘴流量系數(shù)越小，則射程越近。同時，隨著內縮角增大，噴盤旋轉速度相應下降[36]。

可以通過合理確定噴嘴幾何參數(shù)，結合流體力學知識獲得合理的流量系數(shù)[36]。金宏智[37]對ZY1和ZY2噴頭的流量系數(shù)進行研究，并根據(jù)噴嘴出流特性推導出適合于ZY系列噴頭的流量系數(shù)計算公式。嚴海軍[36]推導出圓錐形噴嘴流量系數(shù)的計算公式，并進行了試驗研究，得出流量系數(shù)隨著錐角的增加而逐漸減小的結論。以上研究有利于我國圓型噴灌機噴嘴系列化的研發(fā)。

2.2.2折射盤結構

折射盤結構對噴頭水量分布具有重要影響。目前，折射盤有光滑、中槽和粗槽3種，并配以不同仰角，形成不同用途的噴盤。其結構與噴灑效果如圖2所示。

圖2 折射式錐盤結構及噴灑效果

光滑槽面產(chǎn)生的水滴小，易受風影響，產(chǎn)生漂移損失。中槽多數(shù)是固定式噴頭，使水沿溝槽約束方向射出，較光滑面有更大的動能，所以折射較遠，抗風能力較強。盤上仰角對灌水均勻性有很大影響，仰角大，則灌水均勻性好，反之，則差，同時噴頭的抗風能力變差[38-39]。因為噴盤不能旋轉，通常折射盤水槽具有相同的仰角，以保證各個徑向的水量分布一致性。

WU Di等[40]通過對滅火噴頭分析研究，提出從噴嘴射流沖擊折射盤后水流分成4個區(qū)，應用自由表面邊界層和波色散理論開發(fā)出霧化模型，用于預測水滴的最初及任意時刻直徑大小和概率分布情況。但其局限性在于此理論針對的是對無槽光面折射盤。

而圓形噴灌機機組所用散水式噴頭盤表面結構比較復雜，目前尚無公開資料對其結構進行詳細設計說明和理論分析?？梢岳们娴哪嫦蛑貥嫾夹g對現(xiàn)有產(chǎn)品噴盤進行三維建模和射流數(shù)值模擬。關于射流沖擊盤動力學的數(shù)值模擬，還未曾見相關文獻。

2.2.3噴嘴出口至折射盤距離對盤表面壓力的影響

水從噴嘴以射流形式?jīng)_擊到盤表面，在表面產(chǎn)生壓強，壓強大小受噴盤至噴嘴出口距離影響，存在最小值。AHMED A等[41]通過CFD對最小值進行求解，發(fā)現(xiàn)當噴嘴出口至噴盤錐頂距離為噴嘴直徑1.4倍時，所受沖擊壓力最小。因此，在保證噴頭水量分布要求條件下，研究射流沖擊噴盤時所形成的壓力分布，對于優(yōu)化噴盤結構、選擇材料和降低生產(chǎn)制造成本具有重要意義。目前，相關研究還停留在CFD模擬階段，缺乏試驗驗證。

散水式噴頭對射程的研究主要是噴嘴流量系數(shù)，工程試驗表明，研究內容相對成熟、可靠。國外有少量對于折射盤結構、射程和水量分布的研究，主要對現(xiàn)有不同折射盤結構的定性試驗研究，流體在噴盤表面的動力學研究尚屬空白。

2.3 旋轉折射式噴頭

旋轉折射式噴頭是在散水式噴頭工作原理基礎上發(fā)展形成的。它是指具有可旋轉的折射盤(又稱折射板)，水流噴灑形狀為全圓或扇形面積。噴盤分光滑和溝槽2種，溝槽又分凹狀、凸狀和平板狀3種，如圖3～4所示。該噴頭主要部件包括接頭、噴嘴、噴頭支架、低速旋轉噴盤(折射盤)和阻尼器，如圖5所示。水流從噴嘴噴出后，集中成一束噴射到旋轉噴盤的流道內，水流經(jīng)過彎曲流道的折射后按一定的仰角噴出，同時噴射出的射流對低速旋轉噴盤形成一個反驅動力矩，在阻尼器的粘滯阻力矩共同作用下，噴射出水流隨著旋轉噴盤作低速平穩(wěn)旋轉。而撞擊在溝槽噴盤時，因溝槽數(shù)目和深度不同，水流噴灑形狀不同，如圖6所示。同時，通過對噴嘴和噴盤系列化、通用化設計，以適應各種作物及土壤需求，并采用顏色區(qū)分出適用范圍。

圖3 i-Wob噴盤表面形狀(Senninger公司)

圖4 R3000噴盤表面形狀(Nelson公司)

1.G3/4”接頭 2.噴嘴 3.噴頭支架 4.低速旋轉噴盤(折射盤) 5.噴盤帽 6.阻尼器

圖6 R3000旋轉折射式噴頭噴灑現(xiàn)場

旋轉折射式噴頭研究主要集中在折射盤表面結構、旋轉速度對水量分布影響。嚴海軍等[42]、高江永等[43]和趙偉霞等[44]分析了轉速和噴頭水力結構對噴頭水力性能的影響。

2.3.1折射盤結構

相對于散水式噴頭，旋轉折射式噴頭可能具有不同的流道(出水槽)截面形狀，基本結構如圖7a所示，并且各個流道具有不同仰角(如圖7b和圖7c所示)，以滿足噴頭的不同水量分布要求或特殊功能需求。

以圖7折射盤為例，折射盤圍繞中心部共分布8個流道(含4種不同類型流道，每種2個)。盤的上表面整體呈圓錐形，使流道獲得盡量大的垂直方向分量。不同類型流道的曲面形狀不完全相同，并承擔不同的功能。水流從一個固定的噴嘴流出后撞擊散水盤的中心部，8個流道將水流分成8股支流。范圍流道的主要功能是增加水的通過性能，并獲得理想的性能參數(shù)及水量分布特性。驅動流道的曲面保證從中心垂直下落的水流驅動折射盤按順時針方向旋轉；U型流道用于集中水流，形成較大的動量，排開作物冠層的遮擋。制動流道用于降低盤的旋轉速度，并抵消部分驅動流道產(chǎn)生的驅動力，保證折射盤在一定水量沖擊范圍內，其旋轉速度相對穩(wěn)定。

1.散水盤的中心部 2.范圍流道 3.驅動流道 4.U型流道 5.制動流道

根據(jù)質點拋物線運動方程和破碎與霧化模型可知，噴頭水量分布與從噴盤流道末端射流的初始速度密切相關[45-47]?？梢酝ㄟ^設定各個流道的預期速度，然后利用水泵葉片設計原理來設計各個流道，實現(xiàn)預期速度分布方法。

2.3.2折射盤旋轉速度對水量分布的影響

劉中善等[48]試驗結果表明，折射盤轉速對水量分布有較大影響。當折射盤超過一定臨界轉速后，轉動角速度會破壞正常射流，射程變短。穩(wěn)定的旋轉速度對水量分布也有很大的影響，低轉速噴頭水量分布更趨近于三角形[49]。R3000噴頭采用阻尼脂產(chǎn)生阻尼力矩來平衡水射流對折射盤的驅動轉矩，保證噴頭在10 r/min范圍內運行[50]。

有學者對R3000(試驗轉速10 r/min)和i-Wob(試驗轉速100～600 r/min)的射程和水滴大小進行試驗[51-52]。結果表明，水滴直徑與射程的平均動能和噴嘴壓力的平方具有相關性，噴盤旋轉快慢對平均動能的影響較小。快速旋轉噴頭的局部噴灌強度較小，約20 mm/h，且連續(xù)性強，與自然降雨強度相類似；而慢速旋轉噴頭的雨量空間分布不連續(xù)，局部噴灌強度較大，約200 mm/h，且有間斷。因此，可以根據(jù)折射盤旋轉速度要求，來進行阻尼器的設計。

旋轉折射式噴頭與散水式噴頭的水力性能有較大區(qū)別，可以借助于旋轉流體機械相關理論進行分析。葉片制作可以參考水泵葉片設計方法。通過理論與實踐相結合的方式，建立一套旋轉折射式噴頭的設計方法。

2.4 噴頭試驗

噴頭特性的研究主要以試驗為主。噴頭試驗可以分為單噴頭試驗和機組試驗。目前，圓形噴灌機及噴頭試驗主要依據(jù)以下標準：JB/T 6280—2013《圓形(中心支軸式)和平移式噴灌機》、GB/T 19797—2012《農(nóng)業(yè)灌溉設備 中心支軸式和平移式噴灌機 水量分布均勻度的測定》、GB/T 18687—2012《農(nóng)業(yè)灌溉設備 非旋轉式噴頭技術要求和試驗方法》、JB/T 7867—2012《農(nóng)業(yè)灌溉設備 旋轉式噴頭》、GB/T 22999—2008《旋轉式噴頭》。

在單噴頭試驗時，主要是對噴頭的水量分布曲線的測定，對機組主要是對水量分布均勻度測定。

目前，國內噴頭水量分布曲線通常采用雨量筒按照標準所要求的排列形式來收集各個位置的水量，并進行測量，測量方式包括量杯式、翻斗式雨量筒式和電子稱式雨量筒式。其中，采用翻斗式雨量筒式和電子稱式易實現(xiàn)計算機自動采集測試系統(tǒng)。

2.5 其他方面

圓形噴灌機除了用于噴水灌溉外，還可以同時施肥，實現(xiàn)水肥一體化，具有省肥節(jié)水、省工省力、降低濕度、減輕病害和增產(chǎn)高效等優(yōu)點。另外，圓形噴灌機還可以用于污水灌溉和植保噴藥。根據(jù)水質和機組用途不同，對噴頭的水力性能也有所不同。受圓形噴灌機工作原理限制，其配套噴頭流量由中心支軸處向末端按一定規(guī)律遞增，才能滿足灌溉或植保作業(yè)要求。

對于用于水肥一體化噴頭，流量范圍為0.1～20.0 m3/h。根據(jù)作物各個生長期對灌水量不同，基于系統(tǒng)流量，通過調整機組的行走速度來提高灌溉效率和肥料的利用率。對于噴灑糞液進行施肥的噴頭，需要加大噴頭流道，以增強噴頭的污物通過能力。植保噴藥時，要求噴頭具有較好的霧化指標?，F(xiàn)有植保機械噴頭多為一條支管上均布若干參數(shù)相同的噴頭，通過行走機械背負載藥箱沿直線行進作業(yè)。與灌溉作業(yè)噴頭相比，噴頭流量較小，流道較窄，噴頭規(guī)格數(shù)量較少，且沒有形成系列化，因此還不能與現(xiàn)有圓形噴灌機作業(yè)模式相配套，有待進一步深入研究。

3 噴頭配置方式現(xiàn)狀

3.1 圓形噴灌機噴頭配置特殊性

由于圓形噴灌機噴頭沿中心支軸向末端，所控制面積呈線性關系增加，要求噴頭流量依次增加，并且水量分布合理。因此，需要對噴頭配置進行優(yōu)化計算，使機組具有合適的噴灌強度、較高的噴灑均勻度、合理的地面打擊強度。同時，特別注意避免機組末端產(chǎn)生地面徑流[53-55]。

在相同噴嘴直徑和噴頭間距條件下，通常折射旋轉式噴頭的組合均勻性要優(yōu)于散水式噴頭。試驗證明，旋轉折射式噴頭R3000較折射式噴頭D3000噴灑均勻系數(shù)能高出5%左右。另外，選擇一些新型噴頭也可提高噴灌均勻性，如R2000WF，在相同工作壓力、組合形式及間距條件下，與傳統(tǒng)搖臂式噴頭相比，噴頭具有更高的噴灌均勻性，更適合于低壓條件下工作[56]。

機組末端噴灌強度大于土壤入滲率時易產(chǎn)生地面徑流。因此，需要結合各種具體土壤和植被條件確定相應噴頭允許噴灌強度。

所謂允許噴灌強度是指小于等于在一定噴水量所需噴灑歷時末土壤入滲速度的噴灌強度。當用允許噴灌強度噴灌時，土壤結構基本上不遭到破壞，噴灑的水量能近乎全部滲入土中，土壤表面不產(chǎn)生水洼或徑流。一般理論認為，噴灌設計時，其噴灌強度應小于土壤的最大入滲速率，以避免造成土壤結構破壞和地表積水或徑流。不同土壤的入滲速率不同，所以在選用噴頭之前先要根據(jù)圓形噴灌機的使用環(huán)境做土壤類型的鑒定。根據(jù)土壤的入滲速率曲線來選擇噴頭類型[15]。為了比較噴灌強度和土壤入滲速率的差距，將入滲速率曲線和噴灌強度曲線(陰影等腰三角形的兩條邊)放在同一個坐標內，如圖8所示。

圖8 砂土入滲率與噴頭噴灌強度對比

圖8中陰影三角形所包圍的面積表示單次灌水量。噴灌強度曲線(陰影三角形等腰邊)高于土壤入滲速率曲線表示可能產(chǎn)生徑流。要保證機組的噴灌強度曲線，基本在所要灌溉土壤的入滲曲線以下或附近，才能保證灌溉過程不發(fā)生徑流，引起土壤的板結。需要根據(jù)各種土壤和作物的需求來開發(fā)多種噴灌強度的噴頭以滿足需要。

需要合理布置機組主輸水管路上的噴頭間距，并在滿足噴灌強度、噴灑均勻度前提下，選擇較經(jīng)濟的噴頭。

3.2 圓形噴灌機常用3種噴頭配置方式

機組主輸水管路配置噴頭主要有3種方式，如圖9所示[5]。

圖9 機組主輸水管路噴頭配置方法

(1)等間距、不等流量配置。

主輸水管路噴頭配置間距相等，間距視具體噴頭而定。第N個噴頭所控制灌溉面積與第N+1個噴頭所控制灌溉面積之比為N∶(N+1)。那么從出水量上來講，第N個噴頭是第1個噴頭的N倍。相應的噴嘴直徑需要N種規(guī)格。但考慮到實際加工能力和使用過程堵塞的影響，往往對最小噴嘴直徑有下限。另外，從水力性能講，噴嘴規(guī)格越多，機組的噴嘴均勻系數(shù)越高，從生產(chǎn)使用實踐講，噴嘴規(guī)格越少越有利于組織管理。因此，需要綜合考慮，如美國Nelson公司提出36種噴嘴直徑規(guī)格。

選型配置時，應根據(jù)相關噴頭配置數(shù)學模型計算出噴嘴理論直徑，從現(xiàn)有噴嘴直徑的數(shù)據(jù)庫中選取，是目前使用最普遍的方法[42-43]。

(2)不等間距、等流量配置。

主輸水管路配置完全相同的噴頭。越靠近中心支軸，噴頭間距越大；沿主輸水管路越往外側，噴頭間距逐漸縮小。任意噴頭的間距和該噴頭至中心支軸的距離成反比，即該噴頭間距與該噴頭至中心支軸距離的乘積是常數(shù)。

這種配置方法最大的優(yōu)點是噴頭規(guī)格少，安裝方便，但噴頭間距不等，造成噴頭座加工非常困難，不利于輸水管的通用性和互換性，對機組長度和流量變化的適應性也較差。

(3)分段等間距、不等流量配置。

將主輸水管路分成3～4段，每段內的噴頭等間距配置，噴頭的流量配置不同。每段內的噴頭配置近似于第1種方法?？拷行闹лS處的噴頭間距越大。

目前，機組最常用配置方法是第1種。在此基礎上，可以將折射式噴頭D3000和旋轉式噴頭R3000混合分段使用，如靠近中心支軸部分使用D3000，靠近末端部分使用R3000，通過利用計算機優(yōu)化調整，使機組滿足噴灑均勻性和噴灌強度條件下，盡量使用價格便宜的D3000，以降低機組的成本。

如圖10所示，當按圖10a的形式進行噴頭布置，當機組系統(tǒng)長度>415 m時，很可能在噴頭3和4處出現(xiàn)噴灌強度仍然大于土壤入滲率，因此造成地面徑流。當圖10a噴頭3和4改進為圖10b中布置，在輸水管兩側垂直方向各增加2個流量相對小的噴頭，即噴頭5、6和7、8，可以有效克服地面徑流問題。

圖10 末端噴頭降低噴灌強度的布置方式

3.3 噴頭配置模型及軟件

目前，國內外關于噴頭配置主要采用面積法原理，以保證灌水均勻度為約束條件，進行噴頭配置，通過控制機組運行速度來控制灌水深度。國外各公司開發(fā)了基于自身噴頭產(chǎn)品的噴頭配置軟件，如Nelson的CPNozzle軟件。

儀修堂等[57]提出了圓形噴灌機在噴頭等間距布置時的配置數(shù)學模型及相關軟件，軟件通過設定末端噴頭流量和工作壓力條件下，通過計算各段水力損失優(yōu)化出一組有序噴頭排列組合。但水力損失計算中未考慮噴頭下垂管部分，在一定程度上降低了配置精度。

嚴海軍等[58-59]提出了增加噴頭下垂部分水力損失計算的噴頭配置模型，開發(fā)出基于D3000單噴頭水量分布曲線的噴頭配置軟件，軟件還增加了機組水力性能預測功能。田間試驗結果表明，預測值與實測值具有相同的趨勢。

建立和完善各類噴頭在各種工作條件的單噴頭水量分布曲線數(shù)據(jù)庫，才能精確配置噴頭和預測機組性能。

4 結論

隨著土地流轉進程的加快，大型農(nóng)場所占比例不斷攀升。整機長度超過400 m的圓形噴灌機所占比例逐漸增加，圓形噴灌機噴頭選型及配置方式越來越受到學者和農(nóng)牧民用戶的重視與關注，對此進行了綜述分析，并得到以下結論。

(1)總結了圓形噴灌機噴頭類型演化發(fā)展的主要過程與發(fā)展趨勢。機組噴頭從20世紀60年代的中壓搖臂式噴頭發(fā)展為低壓折射式，并朝著低壓反沖阻尼旋轉式噴頭發(fā)展。噴頭工作壓力整體呈下降趨勢，并且還會進一步下降。另外，開發(fā)適合特定場合、具有特殊性能的噴頭是其發(fā)展的另一趨勢。

(2)旋轉折射式噴頭的需求量逐年增加，但國內外相關的研究報道很少，亟待展開該類噴頭的研究和國產(chǎn)化，以滿足日益增長的規(guī)模化農(nóng)業(yè)對噴灌機的市場需求。研究方向應從噴頭工作參數(shù)(工作壓力、噴嘴直徑)、折射盤結構、錐盤旋轉速度等方面開展噴灑水滴產(chǎn)生的水動力學特征入手，構建完善的水力設計方法，保證噴灑特性。對圓形噴灌機配套植保噴藥噴頭的研究尚屬空白，有待深入研究，具有廣泛的市場前景。

(3)噴頭配置方式對于機組整體水力性能具有重要影響，在進行機組選擇和設計中應加強對各種噴頭的混合使用和擴大末端噴頭間距方面進行更深入細致的研究。完善現(xiàn)有噴頭的單噴頭水量分布曲線數(shù)據(jù)庫建立，為合理配置噴頭提供必要條件。