劉佳玲，萬吉祥，李浩，蔣躍

?灌溉技術(shù)與裝備?

異形噴嘴噴頭水滴分布特性試驗(yàn)研究

劉佳玲1,2，萬吉祥3，李浩1*，蔣躍2

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.宿遷市水利局，江蘇 宿遷 223999）

研究異形噴嘴水滴直徑、速度及動(dòng)能的分布規(guī)律。采用視頻雨滴譜儀對PY15搖臂式噴頭在100、150、200、250、300 kPa共5個(gè)工作壓力下進(jìn)行室內(nèi)無風(fēng)水滴分布試驗(yàn)。等流量噴嘴的射程：圓形＞菱形＞橢圓；異形噴嘴的形狀系數(shù)隨出口直徑增加而減小，隨長徑比增加而增大；菱形噴嘴水滴直徑沿徑向增大的趨勢最大。形狀系數(shù)越大，相同工作壓力下的末端水滴直徑越小。出口直徑越大，射程越遠(yuǎn)，水滴速度隨直徑增加的幅度越大。長徑比越大，射程越近，水滴平均直徑和速度越大。隨水滴直徑增大，橢圓形噴嘴的水滴速度增幅最小。相同位置處的單位體積水滴打擊動(dòng)能及增長幅度隨壓力增大而減小。水滴直徑和水滴動(dòng)能沿徑向分別呈指數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)關(guān)系，水滴速度與直徑呈對數(shù)分布，3個(gè)水滴分布預(yù)測模型擬合系數(shù)都在0.9以上，可以用來模擬異形噴嘴噴頭的形狀系數(shù)、出口直徑、長徑比與水滴分布特性的關(guān)系。

搖臂式噴頭；異形噴嘴；視頻雨滴譜儀；水滴直徑分布；水滴動(dòng)能分布

0 引言

【研究意義】噴灌是農(nóng)業(yè)節(jié)水中一種有效的灌溉方式，噴灌系統(tǒng)一般由水源工程、水泵及動(dòng)力設(shè)備、輸水管道系統(tǒng)和噴頭等部分組成，其中噴頭是實(shí)施噴灌的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣不僅直接影響噴灑質(zhì)量，而且關(guān)系到整個(gè)噴灌系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[1-3]。

【研究進(jìn)展】噴頭水力性能主要包括射程、流量、工作壓力、噴灌強(qiáng)度、噴灌均勻度、水滴打擊強(qiáng)度等。其中，噴灌強(qiáng)度、噴灌均勻度和水滴打擊強(qiáng)度都與噴頭噴灑水滴分布特性相關(guān)。因此，噴頭噴灑水滴直徑、水滴速度及水滴打擊動(dòng)能是評價(jià)噴灌系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)，對噴灌的水力性能有著重要的影響[4-6]。

常規(guī)噴嘴噴頭的形狀為圓形，異形噴嘴作為一種非圓形新型噴嘴，具有改善噴頭水量分布、噴灑均勻 性、低壓下水力性能比圓形噴嘴更好等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)噴灌領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對于各種形狀噴嘴的噴頭噴灑水滴分布特性，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。徐紅等[7]、SáNCHEZ等[8]研究了水滴直徑分布，得到了噴灑區(qū)域的水滴直徑正態(tài)分布模型、平方根正態(tài)分布模型、對數(shù)正態(tài)分布模型、上限對數(shù)正態(tài)分布模型（簡稱ULLN）等。鞏興暉等[9]采用視頻雨滴譜儀對NelsonD3000噴頭在不同壓力下水滴直徑沿射程分布進(jìn)行研究，分析了水滴直徑沿射程的變化趨勢及水滴速度、角度與水滴直徑間的關(guān)系，結(jié)果表明，水滴直徑與射程符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，水滴速度與水滴直徑呈對數(shù)關(guān)系。Lorenzini[10]研究了噴灌噴灑過程中不同工作壓力下水滴速度及蒸發(fā)的規(guī)律，結(jié)果表明，空氣溫度對液滴蒸發(fā)有顯著影響，在計(jì)算液滴蒸發(fā)時(shí)，空氣摩擦可能被錯(cuò)誤地忽略。Ouazaa等[11]利用彈道模型研究分析了水滴速度及水滴動(dòng)能，結(jié)果表明，在138 kPa和69 kPa的工作壓力下，動(dòng)能損失隨噴嘴直徑的增加而減小。朱興業(yè)等[12]通過試驗(yàn)研究了全射流噴頭的單個(gè)水滴動(dòng)能、單位體積水滴動(dòng)能、動(dòng)能強(qiáng)度分布規(guī)律及動(dòng)能強(qiáng)度均勻性系數(shù)與組合間距之間的關(guān)系，結(jié)果表明，全射流噴頭的單個(gè)水滴動(dòng)能分布與水滴直徑之間呈冪函數(shù)關(guān)系，單位體積水滴動(dòng)能沿徑向呈一次函數(shù)關(guān)系增大。上述研究均針對圓形噴嘴噴頭。陳超等[13]研究了菱形、半圓+三角形、半圓+矩形、星形4種形狀的異形噴嘴的形狀系數(shù)對水滴直徑的影響，得到了末端水滴直徑隨形狀系數(shù)的增大而減小的結(jié)論。李棟等[14]討論了異形噴嘴形狀及壓力改變對低壓射流形態(tài)變化的影響，通過試驗(yàn)分析了噴嘴出口形狀、壓力及入口角改變對射流形態(tài)變化的影響。周小引等[15]采用面積相同原則設(shè)計(jì)了多種異形噴嘴，通過試驗(yàn)討論了異形噴嘴的噴灌均勻性，發(fā)現(xiàn)異形噴嘴的組合均勻性系數(shù)顯著高于圓形噴嘴的。Jiang等[16]采用高速攝影（HSP）技術(shù)研究了異形噴嘴的破碎過程和流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)三角形射流具有最短的破裂長度和相同壓力下射流的擴(kuò)散角。由于異形噴嘴產(chǎn)生不同的射流形態(tài)，異形噴嘴噴頭在低壓下水力性能得到改善。與圓形噴嘴相比，異形噴嘴的射程降低了，但在低壓下的噴灌均勻性更高、水滴分布更均勻。

【切入點(diǎn)】綜上可知，異形噴嘴由于其特殊幾何結(jié)構(gòu)，具有多變的射流形狀，能夠降低噴頭工作壓力，改善噴頭的水力性能。對不同噴頭工作壓力下異形噴嘴水滴分布特性的量化研究將有利于促進(jìn)異形噴嘴的合理應(yīng)用?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以異形噴嘴為研究對象，設(shè)計(jì)3種不同形狀的噴嘴，采用視頻雨滴譜儀測試不同工況下不同形狀噴嘴的水滴直徑分布、水滴速度分布及水滴動(dòng)能分布規(guī)律，探究噴頭水力性能對水滴分布特性的影響規(guī)律，為進(jìn)一步提升噴灑性能，選取適宜的異形噴嘴工作壓力參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 異形噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

異形噴嘴出口截面的尺寸設(shè)計(jì)可以根據(jù)以下2種方法確定：①面積相同原則，即噴嘴出口截面面積相同。以圓形噴嘴的出口截面面積為標(biāo)準(zhǔn)，確保異形噴嘴的出口截面積和圓形噴嘴的出口截面積相等。②流量相同原則，即流過噴嘴的流量相同。以圓形噴嘴的出口面積為標(biāo)準(zhǔn)，通過公式P3 600(g)1/2換算確定對應(yīng)的異形噴嘴的面積，保證在同一工作壓力下異形噴嘴的流量和圓形噴嘴一致。

以常見的圓形噴嘴為對照，采用流量相同原則，設(shè)計(jì)了橢圓和菱形2種形狀的等流量異形噴嘴。圓形噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，0為圓形噴嘴的出口直徑，分別取4、5 mm和6 mm；為噴嘴進(jìn)口錐角，選取45°；其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。本文試驗(yàn)研究的9個(gè)噴嘴的出口形狀和尺寸如表1所示。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

采用線切割加工法加工出的各噴嘴材質(zhì)為鋁。考慮到誤差，在加工完成后進(jìn)行流量誤差試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相同進(jìn)口錐角和出口直徑的異形噴嘴在等壓下的流量誤差均小于4%（表2），故認(rèn)為符合流量相同原則。

表1 異形噴嘴幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 噴嘴實(shí)物

表2 不同壓力下等流量噴嘴流量誤差

1.2 試驗(yàn)方法

PY15搖臂式噴頭水量分布及水滴動(dòng)能分布試驗(yàn)在直徑為44 m的室內(nèi)無風(fēng)噴灌實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行。噴頭安裝高度為1.4 m，工作壓力分別設(shè)置為100、150、200、250 kPa和300 kPa。由于噴灌大廳內(nèi)無風(fēng)，因此可以用一條射線上的數(shù)據(jù)代替圓周內(nèi)的各條射線。將視頻雨滴譜儀（由歐洲太空局與歐洲空間技術(shù)中心（European Space Agency/European Space and Technology Centre）等機(jī)構(gòu)研制，購買廠家為易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司）在噴頭穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)10 min后以2 m間距移動(dòng)，依次測得各點(diǎn)上的水滴直徑和水滴速度，雨滴譜儀在每點(diǎn)處的測試時(shí)長為噴頭旋轉(zhuǎn)經(jīng)過雨滴譜儀3次。試驗(yàn)系統(tǒng)布置和現(xiàn)場照片見圖3、圖4。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)布置示意

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 形狀系數(shù)

水滴直徑隨著距噴頭距離的增大而增大，在射程末端達(dá)到最大值[7]。因此，末端水滴直徑可作為衡量噴頭霧化狀況的重要依據(jù)。

噴嘴形狀對水滴直徑的影響一般采用形狀系數(shù)來表示，噴嘴形狀越偏離圓形，形狀系數(shù)越大，噴嘴形狀對水滴直徑影響越大。的關(guān)系式為：

式中：為噴嘴過水?dāng)嗝嬷荛L（mm）；為噴嘴過水?dāng)嗝婷娣e（mm2）。

1.3.2 水重加權(quán)水滴平均直徑

國內(nèi)外常用的計(jì)算水滴直徑的方法有個(gè)數(shù)加權(quán)法、水重加權(quán)平均法和中數(shù)直徑法[18]。本文計(jì)算每個(gè)測點(diǎn)處的水滴平均直徑采用水重加權(quán)平均法。采用Origin進(jìn)行Exp2PMod1指數(shù)擬合，方程式為：

d=ae， （2）

式中：、為擬合系數(shù)；為水滴直徑；為距噴頭初始位置距離。

1.3.3 水滴直徑與速度分布規(guī)律

噴灑水滴速度是決定水滴打擊動(dòng)能重要因素，通過視頻雨滴譜儀測出不同噴嘴不同直徑水滴的速度。

水滴直徑與速度間存在對數(shù)函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為：

ln()[18]， （3）

其中：、、為擬合系數(shù)；為水滴速度；為水滴直徑。

1.3.4 單位體積水滴打擊動(dòng)能[15]

單位體積水滴動(dòng)能是指在不同測點(diǎn)處的單個(gè)水滴動(dòng)能總和與總體積的比值，關(guān)系式為：

式中：ks為單位體積水滴動(dòng)能（J/L）；為水滴直徑級名；為粒子直徑級數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 形狀系數(shù)與末端水滴直徑

表3為PY15型噴頭異形噴嘴不同壓力下的射程。由表3可知，對于等流量噴嘴C2、D2、E1、E2、E3，圓形噴嘴的射程＞菱形噴嘴的射程＞橢圓形噴嘴的射程。出口直徑越大，射程越遠(yuǎn)；長徑比越大，射程越近。

表3 PY15型噴頭異形噴嘴不同壓力下的射程

表4為低壓100、150 kPa和標(biāo)準(zhǔn)壓力200 kPa下的末端水滴直徑。形狀系數(shù)隨出口直徑的增加而減小，隨長徑比的增加而增大。工作壓力越大，末端水滴直徑越小。形狀系數(shù)越大，相同工作壓力下的末端水滴直徑越小。對于等流量噴嘴C2、D2、E1、E2、E3，在低壓100、150 kPa下不同長徑比橢圓形噴嘴的末端水滴直徑均最小，圓形噴嘴末端水滴直徑最大；隨著壓力增加到200 kPa，菱形噴嘴的末端水滴直徑最大，圓形噴嘴的末端水滴直徑隨壓力增加下降速度最快。由表3、表4可知，低壓下的等流量噴嘴中，橢圓形噴嘴的射程和末端水滴直徑都最??；圓形噴嘴的射程最遠(yuǎn)，末端水滴直徑在低壓100 kPa和150 kPa下最大，200 kPa時(shí)最??；菱形噴嘴射程適中，末端水滴直徑在200 kPa最大。

表4 異形噴嘴的形狀系數(shù)及末端水滴直徑

2.2 水滴直徑分布

2.2.1 不同壓力下水滴直徑徑向分布

對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可以發(fā)現(xiàn)，各工作壓力下各形狀噴嘴的擬合相關(guān)系數(shù)2都大于0.9，表明該指數(shù)函數(shù)的擬合精度都較高。

圖5為不同工作壓力水滴平均直徑與距離關(guān)系曲線。從圖5可以看出，對于同一形狀噴嘴，壓力越大，指數(shù)函數(shù)的曲線斜率越小，在相同測點(diǎn)處的水滴平均直徑越小，這說明壓力增大使得水滴直徑沿距噴頭初始位置距離增大的趨勢減小，射流破碎程度越劇烈。其中圓形噴嘴C2曲線斜率減小的幅度最大。此外，相同壓力下，3種形狀噴嘴中，菱形噴嘴的曲線斜率最大，圓形最小，這說明菱形噴嘴水滴直徑沿距噴頭初始位置距離增大的趨勢最大。

此外，水滴直徑3 mm時(shí)，圓形噴嘴C2在100、150、200 kPa下的距噴頭初始位置距離分別為7.9、11、12.4 m；菱形噴嘴D2在100、150、200、250 kPa下的距噴頭初始位置距離分別為7.6、10、11.7、12.5 m；橢圓形噴嘴E1在100、150、200、250 kPa下的距噴頭初始位置距離分別為8.5、9.5、10.7、12.3 m。300 kPa下菱形和橢圓形噴嘴的水滴直徑均小于3 mm。由于直徑較小的水滴易產(chǎn)生漂移現(xiàn)象和蒸發(fā)損失，直徑較大的水滴對土壤表面結(jié)構(gòu)的破壞性也較大，不利于水土保持及作物生長，因此適宜噴灑水滴直徑范圍在1～3 mm范圍內(nèi)，由此可知除100 kPa下橢圓形噴嘴E1的適宜噴灑范圍最大，其余工作壓力下圓形噴嘴C2的適宜噴灑范圍最大。當(dāng)距離大于8 m后，壓力對水滴直徑有明顯的影響。

2.2.2 不同長徑比水滴直徑徑向分布

對于同一長徑比的噴嘴，水滴直徑指數(shù)函數(shù)的斜率隨著壓力的增加而減小，也就是壓力增大使得水滴直徑沿徑向增大的趨勢減小。在相同壓力下，同一形狀、進(jìn)口錐角和出口直徑的不同長徑比的等流量橢圓形噴嘴，距噴頭初始位置6 m內(nèi)，各測點(diǎn)處的水滴直徑幾乎一致。水滴平均直徑沿徑向的關(guān)系總體滿足 E3＞E2＞E1的規(guī)律，即長徑比越大，水滴平均直徑越大。長徑比最大的噴嘴E3射程最短且水滴直徑總體最大。長徑比最小的噴嘴E1沿徑向的水滴直徑最小，射程也相對較遠(yuǎn)。因此，在噴頭噴灑中可選取長徑比較小的噴嘴。

2.2.3 不同出口直徑噴嘴水滴直徑徑向分布

菱形噴嘴D1、D2、D3進(jìn)口錐角均為45°，出口直徑分別為4、5、6 mm。水滴平均直徑及曲線斜率總體上滿足D3>D1>D2的關(guān)系，即出口直徑6 mm>4 mm>5 mm。出口直徑最大的噴嘴D3平均水滴直徑最大，出口直徑5 mm的噴嘴D2平均水滴直徑最小，隨著壓力增加，曲線斜率降低，也就是水滴直徑沿縱向增長的幅度下降，且出口直徑5 mm的噴嘴D2下降幅度最大。因此，在噴頭噴灑中可選取出口直徑為5 mm的噴嘴。

2.3 水滴速度分布

2.3.1 不同形狀噴嘴水滴速度分布

圖8為不同形狀噴嘴水滴平均直徑與速度關(guān)系曲線。由圖8可知，相同進(jìn)口錐角和出口直徑的噴嘴，圓形噴嘴速度曲線斜率最大，橢圓形噴嘴斜率最小，也就是隨水滴直徑的增大，橢圓形噴嘴的水滴速度增長幅度最小。水滴速度隨水滴直徑的增大而增大，增大的幅度逐漸變小，說明水滴直徑是影響水滴速度的重要因素?？偟目磥?，擬合出的3條等流量異形噴嘴的水滴速度與水滴直徑的曲線幾乎完全一致，說明在流量、進(jìn)口錐角和出口直徑都相同的前提下，噴嘴出口形狀對水滴平均直徑與速度的關(guān)系影響不大。

圖8 不同形狀噴嘴水滴平均直徑與速度關(guān)系曲線

2.3.2 不同長徑比水滴速度分布

不同長徑比的橢圓形噴嘴的水滴直徑與速度的關(guān)系見圖9所示。由圖9可知，相同進(jìn)口錐角、出口直徑，不同長徑比的橢圓形噴嘴，速度曲線斜率E3>E2>E1，也就是速度曲線的斜率隨著長徑比的增大而增大，長徑比增大使得水滴速度隨水滴直徑增大的幅度也增大了。相同水滴直徑處，噴嘴E2的水滴速度始終最大；在水滴直徑小于2.5 mm的范圍內(nèi)，橢圓形噴嘴水滴速度滿足E1>E3；水滴直徑大于2.5 mm的范圍內(nèi)，水滴速度表現(xiàn)為E3>E1。這說明在最大和最小長徑比之間，存在一個(gè)中間長徑比，在該長徑比下，相同水滴直徑時(shí)的水滴速度最大，水滴打擊動(dòng)能因此也最大。

2.3.3 不同出口直徑水滴速度分布

不同出口直徑的菱形噴嘴的水滴直徑與速度的關(guān)系見圖10。由圖10可知，同一形狀及進(jìn)口錐角的噴嘴，速度曲線斜率表現(xiàn)為D3>D2>D1，也就是曲線斜率隨出口直徑的增加而增大，出口直徑越大，水滴速度隨水滴直徑增大而增大的幅度越大。在水滴直徑小于5 mm的范圍內(nèi)，表現(xiàn)為D1>D2>D3，說明水滴直徑相同時(shí)，出口直徑越大，水滴速度越小。

圖9 不同長徑比水滴平均直徑與速度關(guān)系曲線

圖10 不同出口直徑水滴速度與距離關(guān)系曲線

2.4 單位體積水滴打擊動(dòng)能分布規(guī)律

圖11為不同壓力下單位水滴動(dòng)能的徑向分布圖。壓力越大，相同位置處的單位體積水滴打擊動(dòng)能越小，打擊動(dòng)能的增長幅度越小，對作物、土壤的破壞性越小。在近距離2 m處，各工作壓力下各噴嘴的單位體積水滴打擊動(dòng)能相差不大。由圖11（a）—圖11（c）可知，在各工作壓力下相同進(jìn)口錐角和出口直徑的等流量噴嘴中，橢圓形噴嘴的最大單位體積水滴打擊動(dòng)能最小。在100 kPa下，圓形噴嘴的最大單位體積水滴打擊動(dòng)能最大。由圖11（c）—圖11（e）可知，長徑比越大，射程越短。在100 kPa下長徑比最小的橢圓形噴嘴E1的最大單位體積水滴打擊動(dòng)能最??；在150～300 kPa下，長徑比最大的噴嘴E3的最大單位體積水滴打擊動(dòng)能最小。由圖11（b）、圖11（f）、圖11（g）可知，在100～200 kPa下，出口直徑越小，單位體積水滴打擊動(dòng)能越小。

為了進(jìn)一步研究異形噴嘴噴頭的單位體積水滴動(dòng)能徑向分布規(guī)律，本文通過對各壓力下各噴嘴的單位體積水滴動(dòng)能進(jìn)行回歸分析，建立水滴動(dòng)能與距噴頭距離分布模型[13]：

ks=， （5）

式中：、為擬合系數(shù)；ks為單位體積水滴動(dòng)能；為距噴頭初始位置距離。

異形噴嘴噴頭的單位體積水滴動(dòng)能擬合系數(shù)均在0.9以上，擬合精度較高。

將3個(gè)不同長徑比的橢圓形噴嘴在不同工作壓力下的單位體積水滴動(dòng)能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一回歸，對單位體積動(dòng)能進(jìn)一步分析，建立異形噴嘴噴頭單位體積水滴動(dòng)能ks、距噴頭距離、長徑比與工作壓力關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，函數(shù)關(guān)系式為：

ks=2.775-0.318+0.0 926+0.932 (2=0.924)，（6）

式中：、為擬合系數(shù)；ks為單位體積水滴動(dòng)能；為距噴頭初始位置距離。

不同長徑比橢圓形噴嘴的單位體積水滴動(dòng)能擬合系數(shù)在0.924，這說明擬合精度較高。

3 討論

現(xiàn)有異形噴嘴噴頭水滴分布特性的研究，多以形狀及壓力改變對射流形態(tài)變化的影響為重點(diǎn)[13-16]，本研究使用視頻雨滴譜儀，補(bǔ)充研究了異形噴嘴的形狀及壓力對水滴直徑、速度、動(dòng)能等水滴分布特性的影響。本研究表明，異形噴嘴的形狀系數(shù)隨出口直徑的增加而減小，射程隨出口直徑的增加而增大。形狀系數(shù)越大，相同工作壓力下的末端水滴直徑越小，與陳超等[13]研究異形噴嘴形狀系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)論一致。水滴直徑沿徑向增大的趨勢隨壓力增大而減小。出口直徑越大，水滴速度隨水滴直徑增大而增大的幅度越大。當(dāng)水滴直徑相同時(shí)，出口直徑越大，水滴速度越小。相同位置處的單位體積水滴打擊動(dòng)能及其增長幅度隨壓力的增大而減小。與朱興業(yè)等[12]研究全射流噴頭噴灑規(guī)律結(jié)論接近。

除此之外，本文補(bǔ)充研究了異形噴嘴的長徑比對噴灑水力性能和水滴分布特性的影響。異形噴嘴的形狀系數(shù)隨長徑比的增加而增大，射程隨長徑比的增加而減小。在5種工作壓力下，菱形噴嘴水滴直徑沿徑向增大的幅度最大。長徑比越大，水滴速度隨水滴直徑增大而增大的幅度越大。隨水滴直徑的增大，橢圓形噴嘴的水滴速度增長幅度最小，圓形噴嘴增幅最大。出口直徑5 mm的噴嘴平均水滴直徑最小，且水滴直徑沿縱向增長的下降幅度最大。

4 結(jié)論

1）采用視頻雨滴譜儀測量技術(shù)對異形噴嘴噴頭水滴直徑、速度及動(dòng)能分布進(jìn)行試驗(yàn)，并建立能準(zhǔn)確反映異形噴嘴噴頭水滴直徑、水滴速度、單位體積水滴動(dòng)能分布規(guī)律的預(yù)測模型，5種工作壓力下7個(gè)異形噴嘴的模型擬合相關(guān)系數(shù)都在0.9以上。噴嘴的長徑比越大，最大單位體積水滴打擊動(dòng)能就越小。各工作壓力下的等流量噴嘴中，橢圓形噴嘴的最大單位體積水滴打擊動(dòng)能最小。

2）在100、150、200、250、300 kPa工作壓力下，異形噴嘴噴頭的長徑比越大，水滴平均直徑越大。在相同工作壓力下，不同長徑比的等流量橢圓形噴嘴，在距噴頭初始位置6 m內(nèi)，各測點(diǎn)處的水滴直徑幾乎一致。

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Distribution of Water Droplets of Non-circular Sprinkler Nozzles

LIU Jialing1,2, WAN Jixiang3, LI Hao1*, JIANG Yue2

(1. Chinese Academy of Agricultural Sciences, Farmland Irrigation Research Institute/Henan Province Water-saving Agriculture Key Laboratory, Xinxiang 453002, China; 2. Jiangsu University the Research Center for Fluid Mechanical Engineering Technology, Zhenjiang 212013, China; 3. Suqian Water Resources Bureau, Suqian 223999, China)

【】The distribution of water droplet diameter of the sprinkler nozzle is an important parameter in designing sprinkler irrigation. The purpose of this paper is to study how non-circular nozzles affect this distribution.【】We studied two non-circular nozzles: an rhombic nozzle and an elliptical nozzle. By keeping the spraying rate the same, we compared the distribution of water droplet diameters of each nozzle using the PY15 rocker arm by keeping the working water pressures in the range of 100 to 300 kPa. For each test, we measured the distribution of the droplet diameters using a video raindrop spectrometer, with that measured from round circular nozzle taken as the control.【】The diameter of coverage of all nozzles was ranked in the order of round > rhombic > elliptical. Shape coefficient of the non-circular nozzle decreased as the outlet diameter of the nozzle increased while increased as the length-diameter ratio increased. The diameters of water droplets of the rhombus nozzle increased most quickly in the radial direction, compared to the other two nozzles. When working water pressure was the same, the diameter of the end-water droplet decreased as the shape coefficient of the nozzle increased; the diameter of the coverage increased with the diameter of the nozzle outlet. Increasing the outlet diameter can speed up the droplet velocity, while increasing the diameter-length ratio reduces the maximum distance that the droplets can reach due to the increased droplet diameter and velocity. The increase in droplet velocity of the elliptical nozzle with droplet diameters was the least. The kinetic energy and the increase in amplitude of unit volume of the droplets at the same location both decreased as the working water pressure increased. The diameter and kinetic energy of the droplets increased with the radial distance exponentially and linearly, respectively, while the relationship between velocity and diameter of the droplets was logarithmic.【】Geometrical shape of the sprinkler nozzle has a significant impact on the diameters of the water droplets and their spatial distributions.

Non-circular nozzle; water droplet diameter; kinetic energy; spatial distribution

劉佳玲, 萬吉祥, 李浩, 等. 異形噴嘴噴頭水滴分布特性試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(12): 85-92, 118.

LIU Jialing, WAN Jixiang, LI Hao, et al. Distribution of Water Droplets of Non-circular Sprinkler Nozzles[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(12): 85-92, 118.

S277.9

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021143

1672 - 3317（2021）12 - 0085 - 09

2021-04-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51809119）；河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（FIRI202001-0101）

劉佳玲（1997-），女。碩士研究生，主要從事異形噴嘴噴灌優(yōu)化與節(jié)水灌溉。E-mail: 17805015863@qq.com

李浩（1987-），男。副研究員，博士，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)與設(shè)備方面的研究。E-mail: lihao01@caas.cn

責(zé)任編輯：白芳芳