流道結構對非旋轉折射式噴頭水力性能影響的試驗研究

楊 雯，朱德蘭,2

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100； 2.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院，陜西 楊凌 712100)

非旋轉折射式噴頭是一種廣泛應用于我國移動式噴灌機組的噴灌設備，具有抗風性強、造價低和能耗小[1]等優點。工作時，射流離開噴嘴后，在散水盤流道中散水和消能以完成噴灑[2]，因此流道結構參數關系到整個非旋轉折射式噴頭的灌溉質量。

國內外學者對非旋轉折射式噴頭的研究已有很多重要成果。Faci等[3]對比了非旋轉折射式噴頭和旋轉折射式噴頭的水量分布模式、有風條件下的蒸發漂移損失和不同噴頭間距下的組合均勻性系數。Yan等[4]研究了36流道噴盤Nelson D3000型噴頭壓力～流量關系、射程、有效濕潤寬度和噴灌強度及在圓形噴灌機上進行了不同百分率計時器限制下的縱向和橫向均勻性。Burillo等[5]通過試驗獲得不同噴嘴直徑下近噴盤處的水滴速度和角度，并采用彈道軌跡模擬噴盤內部流速和能量損失。鞏興暉等[6]采用視頻雨滴譜儀，分析了36流道噴盤Nelson D3000型噴頭水滴直徑沿射程的變化趨勢，及水滴速度水滴角度與水滴直徑之間的關系。以上對非旋轉折射式噴頭的研究中，主要集中在噴頭水力性能的對比及評價方面，而通過散水盤流道結構設計，探究流道結構參數對非旋轉折射式噴頭水力性能影響的研究鮮有報到。

本文以非旋轉折射式噴頭為研究對象，通過散水盤流道長度、流道個數和流道出口形狀設計，采用正交試驗法測試并分析了單噴頭水量分布，計算射程和2.5 m噴頭間距下的組合均勻性系數，并運用極差分析法研究了流道結構參數對非旋轉折射式噴頭水力性能的影響規律。

1 材料與方法

1.1 非旋轉折射式噴盤結構及試驗設計

美國Nelson公司生產的D3000等系列非旋轉折射式噴頭采用一種固定散水盤的散水結構，如圖1所示。圖2為散水盤的結構示意圖，流道結構參數包括流道長度、流道個數和流道出口形狀等。

試驗選擇噴盤的流道長度、流道個數和流道出口形狀為試驗因素，每個因素設置3個水平，表1為試驗因素水平表。在Pro/E繪圖軟件完成噴盤的三維造型，在西安交通大學快速制造國家工程研究中心采用SPS450B型激光快速成型機完成試件的加工(加工精0.1 mm)，圖3為不同處理的散水盤三維實體圖。

圖1 D3000型噴頭結構圖

圖2 非旋轉折射式散水盤結構示意圖

水平因 素流道長度/mm流道個數流道出口形狀11018矩形2715Y形3412埡口形

圖3 不同處理下散水盤三維實體圖

1.2 試驗裝置與布置

單噴頭移動水量分布試驗在西北農林科技大學灌溉水力學試驗廳進行。試驗采用自行研制的單噴頭移動噴灌裝置，噴頭安裝高度2 m，工作壓力50 kPa，管路壓力通過0.4級精密壓力表控制。試驗時單噴頭移動噴灌裝置勻速行走，速度為120 m/h。在移動噴灌裝置行走方向上布設3排雨量筒(直徑11.2 cm，高度15.5 cm)，每排間距為0.5 m，相鄰雨量筒間距為1 m，如圖4所示。用秒表記錄單噴頭噴灑水進入雨量筒至離開雨量筒的時間，作為單噴頭移動噴灑時間。采用稱重法測量噴灑水的質量，取噴灌裝置行走方向上3個測點水量的平均值作為該點處的噴水量，每組處理重復三次，取平均值作為結果。

圖4 單噴頭水量分布測試布置

2 結果與分析

2.1 單噴頭水力性能

圖5為噴盤流道長度分別為10、7、4 mm時，不同流道個數和流道出口形狀下的水量分布。從圖5可以看出，不同處理下的單噴頭水量分布呈波浪形上下浮動，但波動的幅度和噴灌強度峰值有差異，處理1～9的噴灌強度峰值分別為24.73、32.05、24.97、22.50、26.40、18.27、16.87、26.54和17.66 mm/h。依據實測的單噴頭水量分布，采用線性插值方法[7]，求出噴灌強度為0.15 mm/h的點至噴頭中心的距離，作為噴頭射程。處理1～9的射程分別為4.15、6.19、5.34、4.29、4.13、4.42、4.36、4.84和4.79 m。

圖5 不同處理下單噴頭移動水量分布曲線

采用極差分析法分析試驗各因素水平的改變對射程和噴灌強度峰值的影響，如表2所示。從表2可以看出，流道長度L、流道個數N和流道出口形狀S對射程影響的極差分別為：0.95、0.79和0.62，主次順序依次為流道長度、流道個數、流道出口形狀，由于較遠的射程是噴頭噴灌的主要技術要求之一，所以3個因素各水平的均值k最大的值是因素的最優水平，得到三因素的最優組合是L1N2S2。

表2 流道結構參數對射程R和噴灌強度峰值Hm影響的極差分析

注：L、N、S分別表示流道長度、流道個數和流道出口形狀；K1、K2、K3表示各因素各不相同水平的流態指數或流量和；k1、k2、k3表示K1、K2、K3的均值；R表示各因素的極差，為各因素水平的最大平均值減去最小平均值的差值。表3同。

流道長度L、流道個數N和流道出口形狀S對噴灌強度峰值影響的極差分別為：6.90、8.03和1.32，主次順序依次為流道個數、流道長度、流道出口形狀，由于噴灌強度峰值過大，會增加產生地表徑流可能性，因此3個因素各水平的均值k最小的值是因素的最優水平，得到三因素的最優組合是L3N3S3。且從流道長度各水平的均值k可以看出，隨著流道長度的減小，噴灌強度峰值逐漸降低。

2.2 組合噴灑均勻性系數

非旋轉折射式噴頭組合間距經濟合理的范圍不大于3 m[2]，選取非旋轉折射式噴頭常用組合間距2.5 m，采用直接疊加法，得到組合噴頭水量分布，組合疊加方法[3]如圖6所示(以處理1為例)。再采用Christiansen計算法[8]求得處理1～9的噴灑組合均勻性系數，依次為94.62%、79.13%、80.10%、91.93%、76.85%、93.30%、90.53%、76.28%和85.23%。其中，處理1、處理4、處理6、處理7、處理9的組合均勻性系數均大于85%以上，符合我國噴灌工程技術規范[9]規定的行噴式噴灌均勻度不應低于85%的要求，而其他處理的噴灌均勻度相對較低，但均大于75%，這由于在相同的噴頭組合間距下，單噴頭水量分布不同所致。

圖6 噴頭間距為2.5 m時組合水量分布疊加方法示意圖

采用極差分析法分析試驗各因素水平的改變對組合噴灑均勻性系數的影響，如表3所示。從表3可以看出，流道長度L、流道個數N和流道出口形狀S對組合噴灑均勻性系數影響的極差分別為：3.55、14.94和0.14，主次順

表3 流道結構參數對噴灑組合均勻性系數Cu影響的極差分析

序依次為流道個數、流道長度、流道出口形狀，由于組合噴灑均勻性系數越高，噴灌效果越好，所以3個因素各水平的均值k最大的值是因素的最優水平，得到三因素的最優組合是L2N1S1。

3 結 語

不同流道長度、流道個數和流道出口形狀非旋轉折射式噴頭的單噴頭水量分布呈波浪形上下浮動，但波動的幅度有差異。流道結構參數對射程影響的主次順序為流道長度、流道個數、流道出口形狀，對噴灌強度峰值影響的主次順序為流道個數、流道長度、流道出口形狀。隨著流道長度的減小，噴灌強度峰值逐漸降低。流道結構參數對組合噴灑均勻性系數影響的主次順序為流道個數、流道長度、流道出口形狀。

[1] Yan H J, Bai G, He J Q, et al. Influence of droplet kinetic energy flux density from fixed spray-plate sprinklers on soil infiltration, runoff and sediment yield[J]. Biosystems Engineering, 2011,110(2):213-221.

[2] 蔡振華. 中心支軸式噴灌機關鍵灌水組件開發及試驗研究[D]. 北京：中國農業機械化科學研究院, 2009.

[3] Faci J M, Salvador R, Playán E, et al. Comparison of fixed and rotating spray plate sprinklers[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2001,127(4):224-233.

[4] Yan H J, Jin H Z, Qian Y C. Characterizing center pivot irrigation with fixed spray plate sprinklers[J]. Science China Technological Sciences, 2010, 53(5):1 398-1 405.

[5] Sánchez Burillo G, Delirhasannia R, Playán E, et al. Initial drop velocity in a fixed spray plate sprinkler[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2013,139(7):521-531.

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[7] 柴春嶺,楊路華, 脫云飛,等. 可調式微噴頭出水口流道形式對噴灑水性能影響的試驗研究[J].農業工程學報,2005,21(3):17-20.

[8] Christiansen J E. Irrigation by sprinkling[California Agricultural Experiment Station Bull.No.670][R]. Davis: California University, 1942.

[9] GB/T50085-2007，噴灌工程技術規范[S]．