顏海蘭，王新坤*，姚吉成，黃建翔，趙文赫，孟天舒，王璽

(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. 徐州市水利工程建設(shè)管理中心，江蘇 徐州 221000)

農(nóng)業(yè)是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)十分重要[1].節(jié)水灌溉技術(shù)有利于水資源的高效利用.其中噴灌具有適應(yīng)性強、節(jié)水效果好、占地面積小、后期維護(hù)成本小等諸多優(yōu)點[2]，在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等諸多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[3].噴頭是噴灌系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其性能的好壞直接決定噴灌工程的整體噴灑效果和工程造價[4].

目前中國已開發(fā)出適合于各種用途的系列化噴頭.其中搖臂式噴頭在農(nóng)業(yè)噴灌中應(yīng)用最為廣泛，它通過高速射流沖擊驅(qū)動機構(gòu)，驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)動帶動彈簧壓縮蓄力、彈簧復(fù)位釋放能量推動驅(qū)動機構(gòu)反轉(zhuǎn)撞擊噴管，實現(xiàn)噴頭的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，但該種噴頭存在驅(qū)動機構(gòu)復(fù)雜，彈簧易腐蝕老化等缺陷.噴頭驅(qū)動力的大小不僅會影響其自身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和壽命，而且還會影響噴頭運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性.國內(nèi)外學(xué)者對噴頭驅(qū)動力的研究主要集中在力對搖臂和噴頭水力部件對作物的影響等方面.湯攀等[5]對垂直搖臂式噴頭通過試驗數(shù)據(jù)回歸得到水平和垂直驅(qū)動力理論計算公式的修正系數(shù).李紅等[6]針對垂直搖臂式噴頭的幾何結(jié)構(gòu)及運動特性，研究了搖臂在運動過程中的受力及約束情況.

對于不同形狀主副噴嘴的噴頭特性，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究.ZHU等[7]新設(shè)計的動態(tài)流體噴頭在不同的工作壓力下用不同類型的噴嘴進(jìn)行了測試.王子君等[8]針對8034D搖臂式噴頭主、副噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn), 并研究了噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)后對噴頭流量、徑向水量分布和組合噴灌均勻度的影響.李旭陽[9]以 PY22220 搖臂式噴頭為研究對象設(shè)計出彎道式異形噴嘴，對彎道式異形噴嘴噴頭進(jìn)行了水力性能試驗、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及內(nèi)部流場數(shù)值模擬等方面的研究.FORDJOUR等[10]在確定初始噴頭模型參數(shù)后，開展了控制管和噴嘴結(jié)構(gòu)對噴頭旋轉(zhuǎn)速度影響的數(shù)值模擬研究.LI等[11]對流體噴頭的內(nèi)部流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬與試驗研究.周小引等[12]依據(jù)面積相同原則, 設(shè)計出圓形、三角形、正方形3種以及不同錐角形式的噴嘴, 研究低壓下異形噴嘴噴頭對噴灌水量分布的影響.

徐勝榮[13]設(shè)計發(fā)明了負(fù)壓反饋射流噴頭，該噴頭在運動機制和噴灑方法上進(jìn)行了創(chuàng)新，省去了搖臂撞擊使噴頭旋轉(zhuǎn)的過程，通過脈沖射流間歇性擊打驅(qū)動板來實現(xiàn)噴頭步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)噴灑，水力性能較優(yōu).張晨曦[14]針對負(fù)壓反饋射流噴頭采用控制變量法依次對驅(qū)動板傾角、驅(qū)動板齒槽曲率半徑、驅(qū)動板齒槽深度3個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，確定了驅(qū)動板的最優(yōu)結(jié)構(gòu).

目前，基于射流脈沖噴頭噴灑特點的驅(qū)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究還比較缺乏.探索合適的驅(qū)動板設(shè)計對改善噴頭的水量分布、減小噴灌強度、提高整體水力性能、加快其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程等具有重要意義.鑒于此，文中在前期的研究基礎(chǔ)上，針對影響射流脈沖噴頭轉(zhuǎn)動和水量分布較大的驅(qū)動板結(jié)構(gòu)，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計與試驗研究，通過改變副噴嘴的水量分布，來提高組合噴灌均勻性，以期為該型國產(chǎn)噴頭后續(xù)研發(fā)和工程應(yīng)用提供理論參考與數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 “槽型”驅(qū)動板結(jié)構(gòu)

對于射流脈沖噴頭，噴嘴是噴頭的重要部件，分為主噴嘴和副噴嘴.主噴嘴主要與噴頭射程相關(guān)，副噴嘴的主要作用是增加噴頭近處的噴水量，承擔(dān)噴頭驅(qū)動和調(diào)節(jié)水量分布的作用.副噴嘴出口處安裝固定驅(qū)動板，副噴嘴與驅(qū)動板為一體設(shè)計.驅(qū)動板是射流脈沖噴頭的重要外部結(jié)構(gòu)，它為噴頭提供旋轉(zhuǎn)動力，從而影響著噴頭的驅(qū)動力大小和旋轉(zhuǎn)步進(jìn)的均勻性，同時也決定著噴頭整體的水量分布特性，進(jìn)而影響噴頭的整體性能發(fā)揮.為改善射流脈沖噴頭的徑向水量分布，在綜合考慮前期預(yù)試驗、前期驅(qū)動板傾角研究結(jié)果和搖臂式噴頭驅(qū)動板設(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上，基于射流脈沖噴頭的“雙駝峰”式水量分布特點，創(chuàng)新了“槽型”驅(qū)動板結(jié)構(gòu).如圖1所示，圖中θ為傾角，b1,b2為橫寬和擋板寬度，l2為擋板長度.

圖1 “槽型”驅(qū)動板結(jié)構(gòu)二維圖

1.2 試驗材料

文中在前人研究基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬方法，進(jìn)一步優(yōu)化了射流元件結(jié)構(gòu)，得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體各部件尺寸如下：射流進(jìn)口寬度為4 mm，射流進(jìn)口直角的長度為8 mm，控制道寬度為4 mm，位差為2.1 mm，傾斜壁面的傾斜角度為12°，劈距為30 mm，彎頭曲率半徑，主噴管長度和副噴管長度均為48 mm，噴管仰角為30°，主噴嘴直徑為4.5 mm，副噴嘴直徑為3.5 mm.文中研究對象為原射流脈沖噴頭、優(yōu)化后且安裝最優(yōu)“槽型”驅(qū)動板的射流脈沖噴頭(以下簡稱“槽形”新噴頭)和PY搖臂式噴頭.

1.3 噴灑試驗設(shè)計

試驗設(shè)計參照GB/T 19795.2—2005《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備 旋轉(zhuǎn)式噴頭 第2部分：水量分布均勻性和試驗方法》.試驗于2020年10月—2021年1月在江蘇大學(xué)圓形噴灌大廳中進(jìn)行.試驗中通過皮卷尺標(biāo)定距離，將雨量筒沿噴頭兩側(cè)按照1 m 間距徑向擺放.為提高試驗精度，在0～1.0 m 處，雨量筒按照0.5 m間距擺放，且雨量筒徑向擺放距離超過噴頭最大射程.噴頭安裝高度為1.2 m，壓力表與噴頭位于同一高度，渦輪流量計安裝在離心泵出口處，試驗場地平整，最大坡度小于1%，室內(nèi)無風(fēng)，試驗布置示意圖如圖 2 所示.試驗過程中，用渦輪電子流量計記錄噴頭流量，雨量筒測量水深，手機秒表記錄噴頭轉(zhuǎn)動一周和每個象限的時間，噴頭每次噴灑時間為 20 min，為保證試驗精度，每組試驗均重復(fù)進(jìn)行3次，并對比試驗數(shù)據(jù)，檢查所測徑向水量數(shù)據(jù)變化趨勢，最后對3次試驗數(shù)據(jù)取算數(shù)均值.具體噴灑試驗現(xiàn)場如圖3所示，由于噴頭射程較遠(yuǎn)，為保證拍攝效果，噴灑現(xiàn)場僅拍攝一側(cè)雨量筒與噴頭.

圖2 噴灑試驗布置示意圖

圖3 噴灑試驗現(xiàn)場圖

1.4 噴灌均勻度評價

噴灌均勻度是反映噴灑區(qū)域內(nèi)的水量分布均勻程度的指標(biāo)，是衡量噴灌質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一.噴灌均勻度越高，整體噴灑效果越好，越有利于作物的生長.對于旋轉(zhuǎn)式灌溉噴頭，按照 GB/T 19795.2—2005中的規(guī)定，噴灌均勻系數(shù)采用Christiansen 公式[15]來表示

(1)

2 “槽型”驅(qū)動板正交試驗

2.1 正交試驗設(shè)計

“槽型”驅(qū)動板結(jié)構(gòu)設(shè)計中，內(nèi)槽角度決定著噴頭驅(qū)動力的大小和副噴嘴的最遠(yuǎn)射程.槽寬決定著噴嘴出射水流與主擋板的接觸面積.側(cè)驅(qū)動板角度主要影響近處的水量分布，同時副擋板也為噴頭提供部分驅(qū)動力.驅(qū)動板寬度不能過大或過小，寬度過小導(dǎo)致噴嘴出射水流與擋板接觸面積過小，噴頭無法驅(qū)動；寬度過大會導(dǎo)致噴嘴出射水流沖擊后分散嚴(yán)重，導(dǎo)致射流出射距離縮短.驅(qū)動板長度主要影響擋板與噴嘴出射水流接觸面積大小.文中“槽型”驅(qū)動板結(jié)構(gòu)設(shè)計是在綜合考慮前期預(yù)試驗、前期驅(qū)動板傾角研究結(jié)果和搖臂式噴頭驅(qū)動板設(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上進(jìn)行的.所以選取內(nèi)槽傾角θnc、內(nèi)槽底寬bnc、側(cè)驅(qū)動板角度θc、驅(qū)動板寬度bqd、驅(qū)動板長度lqd作為試驗因素，分別用A，B，C，D，E表示.A取10°～13°，B取2～5 mm，C取14°～17°，D取9～12 mm，E取16～22 mm.通過16組試驗得到上述結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流脈沖噴頭水量分布影響規(guī)律.因素水平選擇表如表1所示.試驗中噴頭工作壓力為0.20 MPa.

表1 因素水平表

2.2 正交試驗分析

“槽型”驅(qū)動板正交試驗結(jié)果采用噴灌均勻度作為評價指標(biāo)，16 種不同結(jié)構(gòu)的“槽型”新噴頭噴灌均勻度的變化為68.61%～90.29 %，其中第10組試驗噴灌均勻度最高，為90.29 %，第4組試驗噴灌均勻度最低，為68.61%，第2,3,4,7,9,11組噴灌均勻度小于噴灌工程技術(shù)規(guī)范GB/T 50085—2007規(guī)定的噴灌均勻度最低值75 %.具體試驗結(jié)果如表2所示.

為了進(jìn)一步得到各因素對噴頭水力性能的影響程度，采用極差分析法對正交結(jié)果進(jìn)行分析，定義y為各列水平號為j(j=1，2，3，4)的各試驗結(jié)果之和，極差計算式為

Ri=max{yj1,yj2,yj3,yj4}-min{yj1,yj2,yj3,yj4}，

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式中：yi=y/5；Ri為極差.

表2 試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)果如表3所示，從表中可以看出：影響噴灌均勻度的主次順序為AEBCD，即：內(nèi)槽傾角，驅(qū)動板長度，槽寬，側(cè)驅(qū)動板傾角，驅(qū)動板寬度；設(shè)計區(qū)間內(nèi)最優(yōu)結(jié)構(gòu)為內(nèi)槽傾角13°，驅(qū)動板長度16 mm，槽寬3 mm，側(cè)驅(qū)動板傾角17°，驅(qū)動板寬度11 mm.

表3 正交試驗結(jié)果分析

2.3 不同結(jié)構(gòu)“槽型”驅(qū)動板水量分布

圖4為正交試驗得到的16種不同結(jié)構(gòu)的“槽型”新噴頭徑向水量分布圖，圖中d為降水深,l為噴頭距離.可以看出，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計下的噴頭水量分布差距較大，其中第10組試驗水量分布較好，呈類“三角形”，其最高噴灌均勻度可達(dá)90.29%，說明“槽型”驅(qū)動板設(shè)計可有效“削峰填谷”，改善射流脈沖噴頭“雙駝峰”形水量分布.通過試驗1，2，3，4可以看出，當(dāng)內(nèi)槽擋板角度一定時，隨著槽寬的增加，出射水流從內(nèi)槽中噴往遠(yuǎn)處的水量增加，中遠(yuǎn)程噴灑水量逐漸增多；同時，隨著側(cè)驅(qū)動板角度和驅(qū)動板長度的增加，近處水量逐漸增加，這主要是由于側(cè)驅(qū)動板角度和驅(qū)動板長度增加，引起水流往近處偏轉(zhuǎn)增多.由試驗4，7，10，13可以看出，當(dāng)內(nèi)槽角度與側(cè)擋板角度相差較大時，近處水量增加，這主要是由于當(dāng)內(nèi)槽角度與側(cè)擋板角度相差較大時，形成導(dǎo)流面效應(yīng)(類似于擋板邊緣1 mm立槽設(shè)計)，使得部分水流沿著角度交叉形成的導(dǎo)流面噴灑至近處.總體上，隨著內(nèi)槽角度的增加，“水峰”由遠(yuǎn)程逐漸向近中處移動，最終形成“雙駝峰”分布.這主要是由于內(nèi)槽角度增加導(dǎo)致副噴嘴射程不斷減小，近中處水量分布逐漸增加，“水峰”前移；當(dāng)內(nèi)槽角度為12°，13°時，水量分布較好.

圖4 安裝不同“槽型”結(jié)構(gòu)驅(qū)動板噴頭水量分布圖

3 噴頭水力性能對比試驗

為改善射流脈沖噴頭的徑間水量分布，檢驗“槽型”射流脈沖噴頭性能實際提升效果，對新噴頭、原噴頭與搖臂式噴頭進(jìn)行水力性能對比試驗.按照旋轉(zhuǎn)噴頭國家規(guī)范選取 0.15，0.20，0.25，0.30 MPa 共4個不同進(jìn)口壓力，對比其在不同進(jìn)口壓力下的水力性能的差異.由于射流脈沖噴頭射程僅與主噴嘴結(jié)構(gòu)和進(jìn)口壓力有關(guān)，驅(qū)動板的結(jié)構(gòu)變化對射程無影響.所以文中水力性能僅分析水量分布與噴灌均勻度.

噴頭的轉(zhuǎn)動速度對其射程、水量分布和噴灌強度等均有影響，為保證試驗條件一致，試驗中通過增減轉(zhuǎn)動機構(gòu)處橡膠墊片數(shù)量的方式，控制噴頭轉(zhuǎn)動周期保持在80.00～95.00 s，試驗組射流脈沖噴頭轉(zhuǎn)動周期為83.96～94.33 s，各象限轉(zhuǎn)動時間為20.31～24.49 s，各象限轉(zhuǎn)動偏差為0.03～2.52 s，轉(zhuǎn)動偏差率為0.1%～ 11.5%，轉(zhuǎn)動偏差率小于12%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn).

3.1 壓力流量關(guān)系

圖5為不同壓力進(jìn)口下的“槽形”新噴頭、原噴頭與搖臂式噴頭進(jìn)口流量變化圖，圖中Qin為進(jìn)口流量，pin為進(jìn)口壓力.從圖中可以看出：在0.15～0.30 MPa的進(jìn)口壓力下，隨著壓力增加，新噴頭、原噴頭與搖臂式噴頭進(jìn)口流量均呈遞增趨勢；新噴頭的進(jìn)口流量變化為1.10～1.65 m3/h，原噴頭的進(jìn)口流量變化為1.27～1.77 m3/h，搖臂式噴頭的進(jìn)口流量為1.21～1.72 m3/h；新噴頭進(jìn)口流量相比原噴頭進(jìn)口流量減小0.12～0.17 m3/h，相比搖臂式噴頭進(jìn)口流量小0.07～0.16 m3/h.

圖5 噴頭進(jìn)口流量與壓力的變化關(guān)系

3.2 水量分布

圖6為不同壓力進(jìn)口下的“槽型”新噴頭、原噴頭與搖臂式噴頭徑向水量分布圖.可以看出：在0.15～0.30 MPa進(jìn)口壓力下，隨著進(jìn)口壓力的增加，“槽型”新噴頭、原噴頭與搖臂式噴頭整體水量均呈現(xiàn)遞增趨勢.“槽型”新噴頭在不同進(jìn)口壓力下徑向水量分布整體呈現(xiàn)“單峰”形，且隨著進(jìn)口壓力增加，水量凸峰逐漸變緩，徑向水量分布在 0.30 MPa 時呈類“三角形”.原噴頭在不同進(jìn)口壓力下呈“雙駝峰”形狀，隨著進(jìn)口壓力增加，近處水量不斷增大，遠(yuǎn)處水量凸峰逐漸變緩；搖臂式噴頭在不同進(jìn)口壓力下的徑向水量分布整體呈近處水量少，中遠(yuǎn)處水量呈現(xiàn)類“三角形”.

圖6 不同壓力下噴頭水量分布對比圖

3.3 噴灌均勻度

圖7為不同壓力進(jìn)口下“槽型”新噴頭、原噴頭與搖臂式噴頭噴灌均勻度變化圖.

圖7 不同壓力下噴頭噴灌均勻度對比圖

從圖中可以看出，在0.15～0.30 MPa的進(jìn)口壓力下，安裝“槽型”驅(qū)動板優(yōu)化后的射流脈沖噴頭與原噴頭、搖臂式噴頭的噴灌均勻度隨著進(jìn)口壓力的增加，除個別外，整體均呈現(xiàn)遞增趨勢.“槽型”新噴頭噴灌均勻度變化為83.62%～93.93%；原噴頭勻度變化為82.59%～89.14%；搖臂式噴頭均勻度變化為73.08%～85.36%.“槽型”新噴頭噴灌均勻度比原噴頭提高1.25%～7.43%，比搖臂式噴頭高7.84%～14.42%.綜合分析表明，“槽型”驅(qū)動板結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理，對噴頭噴灌均勻度改善顯著.

4 結(jié) 論

1) 在0.15～0.30 MPa的進(jìn)口壓力下，隨著壓力增加，新噴頭、原噴頭與搖臂式噴頭進(jìn)口流量均呈遞增趨勢；新噴頭的進(jìn)口流量變化為1.10～1.65 m3/h，原噴頭的進(jìn)口流量變化為1.27～1.77 m3/h，搖臂式噴頭的進(jìn)口流量為1.21～1.72 m3/h；新噴頭進(jìn)口流量相比原噴頭進(jìn)口流量減小0.12～0.17 m3/h，相比搖臂式噴頭進(jìn)口流量小0.07～0.16 m3/h.

2) 針對“槽型”驅(qū)動板，16 組試驗結(jié)果水量分布差距較大，總體隨內(nèi)槽角度和寬度增加，“水峰”前移，符合理論設(shè)計預(yù)期，噴灌均勻度的變化為68.61%～90.29 %，其中第 10 組水量分布最佳，呈類“三角形”，均勻度也最高.各因素水平對噴灌均勻度影響的順序為內(nèi)槽傾角，驅(qū)動板長度，槽寬，側(cè)驅(qū)動板角度，驅(qū)動板寬度；設(shè)計區(qū)間內(nèi)最優(yōu)結(jié)構(gòu)：內(nèi)槽傾角13°，驅(qū)動板長度16 mm，槽寬3 mm，側(cè)驅(qū)動板傾角17°，驅(qū)動板寬度11 mm.

3) 新噴頭比原噴頭噴灌均勻度提升明顯，“槽型”新噴頭噴灌均勻度比原噴頭提高 1.25%～7.43%，比搖臂式噴頭高 7.84%～14.42%.綜上分析表明，“槽型”驅(qū)動板結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理，對噴頭噴灌均勻度改善顯著.為射流脈沖噴頭驅(qū)動板結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供了新思路.