異形流道出口折射式噴頭水力性能試驗與評價

楊 雯，朱德蘭

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

低壓折射式噴頭在我國移動式噴灌系統應用廣泛[1-3]。較遠的射程、較低的噴灌強度和較高的噴灑均勻性系數，是噴頭噴灌的主要技術要求。低壓折射式噴頭工作時，水流由噴嘴打擊噴盤，經噴盤流道對水流的減速和消能，在流道尾部分散成多股射流拋出，直至噴灑至地表[4]。因此，噴盤流道對折射式噴頭完成噴灌有重要意義。

李桂芬[5]等分析了窄縫挑坎出口斷面為矩形、梯形、Y形、埡口形和不對稱形式時的消能效果。柴春嶺[6]等改進了可調式微噴頭的3種出水口流道形式，試驗并分析了不同壓力下的微噴頭的微噴灌質量指標。Kohl[7]等探究了低壓農用噴頭的噴嘴直徑、工作壓力以及噴盤表面幾何參數對噴頭水滴直徑的影響。韓文霆[8]等研究了工作壓力、噴頭組合方式和插值方法對噴灌均勻系數CU和分布均勻系數DU的影響規律。而目前對低壓折射式噴頭的研究中，基于折射式噴頭流道水流消能與窄縫消能的相似之處，通過設計和測試異形流道出口折射式噴頭的水力性能，并對其進行綜合評價的研究較少。

本文設計了3種流道出口折射式噴頭，測試并分析其單噴頭移動水量分布，計算出射程和不同噴頭間距下的組合均勻性系數，采用綜合評分法分析了流道出口形狀、工作壓力、噴嘴直徑和組合間距對射程、噴灌強度峰值和組合均勻性系數的影響，并提出噴頭水力性能最優的因素組合。

1 材料與方法

1.1 異形流道出口結構設計

在Pro/E三維造型軟件中，設計出矩形、Y形、埡口形3種異形流道出口的折射式噴頭噴盤，三維實體圖如圖1所示。按照相同壓力下流道出口面積相同原則，確定異形流道出口的尺寸，如圖2所示。為了僅對比不同流道出口形狀下噴頭的水力性能，噴盤其他流道結構參數均相同。

圖1 異形流道出口噴盤三維圖Fig.1 Three dimensional drawings of the fixed spray plate sprinkler of difform out let flow channel

圖2 異形流道出口結構示意圖(單位：mm)Fig.2 The fixed spray plate sprinkler of difform out let flow channel maps

1.2 試驗方案

將噴嘴直徑、工作壓力及流道出口形狀設為試驗因素，每個因素分別設置3個水平，選取正交試驗表L9(34)進行排布，最后1列為空列，共9個處理，如表1所示。

1.3 試驗裝置與步驟

單噴頭移動水量分布試驗在國家節水灌溉楊凌工程技術研究中心的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，管路壓力通過0.4級精密壓力表(西安儀表廠)控制。

表1 試驗因素與水平Tab.1 Experimental parameters and levels

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3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測點處的噴水量，每組處理重復3次，取平均值作為結果。

圖3 單噴頭水量分布測試布置Fig.3 Experimental layout of water distribution of the individual sprinkler

2 結果與分析

2.1 單噴頭移動水量分布

圖4為不同處理下的單噴頭移動水量分布曲線。從圖4可以看出，不同處理下的單噴頭移動水量分布形式有差異，主要表現在各處理的水量集中于噴灑范圍的區域不同，噴灌強度峰值不同。處理1和處理2的水量隨噴灑射程的增加呈波浪形浮動，噴灌強度峰值較大。處理3的中部水量較少，水量主要集中在近噴頭處和噴灑射程尾部，噴灌強度峰值最高，可達40.68 mm/h，水量分布不均勻。處理4、5和處理6的水量主要集中于射程的中部和尾部。 處理7、8和處理9的大部分水量分布于近噴頭處和射程中部，且處理8和處理9的噴灌強度變化比較平穩，噴灌強度峰值較小，水量分布較均勻。

圖4 不同處理下單噴頭移動水量分布曲線Fig.4 Moving water distribution curves for the individual sprinkler with different treatments

根據單噴頭移動水量分布，采用線性插值，將從噴灑半徑末端噴灌強度為0.15 mm/h的點至噴頭距離，作為噴頭射程，則處理1～9的射程分別為5.47、5.98、6.45、5.46、5.93、5.97、5.41、5.43、5.97 m。單因素方差分析結果顯示，噴嘴直徑、工作壓力和流道出口形狀對射程均呈顯著影響。

2.2 組合噴灌均勻性

選取折射式噴頭常用組合間距2.5、3.5和4.5 m，采用直接疊加法，將單噴頭移動水量分布數據根據不同間距進行疊加，得到組合噴頭水量分布，以處理1為例說明單噴頭移動水量分布的組合疊加方式，如圖5所示。再利用Christiansen計算法[9]求出組合均勻性系數，結果如表2所示。從表2可以看出，相同噴頭間距下，處理9的組合均勻性系數最高，均大于85%以上，符合我國噴灌工程技術規范[10]規定噴灌均勻度不應低于75%，行噴式噴灌均勻度不應低于85%的要求；而處理6、7和處理8僅在噴頭間距較小時，組合均勻性系數才能滿足大于85%的要求；其他處理不同噴頭間距下其組合均勻性系數均低于85%，但在噴頭間距較小時，組合均勻性系數基本在75%以上。

圖5 噴頭不同組合間距下組合水量分布疊加方法Fig.5 Scheme mathematical procedure for overlapping of spray sprinklers with different spaces

Tab. 2 Combined uniformity coefficient for spray sprinklers with different spaces

2.3 基于綜合加權評分法的噴頭水力性能評價

噴頭射程決定著某個位置上的噴灌面積、噴灌效率等[11]，適宜的噴灌強度峰值對避免產生地表徑流有利，而噴灌均勻性系數是保證作物均勻生長和合理用水的必要條件，所以射程、噴灌強度分支與噴灑均勻性指標同等重要。本文采用綜合評分法[12-14]在不同組合間距下對各流道出射角噴頭的水力性能進行分析。由于噴頭間距影響了組合噴灑均勻性和配置于噴灌機的噴頭個數，進而影響噴頭的噴灑效果和經濟運行成本，因此將噴頭組合間距也作為評價因素之一，表3為評價因素水平，表4為評價方案。

表3 評價因素與水平Tab.3 Evaluation parameters and levels

表4 評價方案Tab.4 Evaluation scheme

根據評價指標的重要程度及經驗，射程、噴灌強度峰值、組合均勻性系數的權值分別為w1=w2=w3=1。由于3個評價指標值數量級不同，同時射程與組合均勻性系數越大，噴灌強度峰值越低，噴灑效果越好，所以取轉化系數分別為c1=1，c2=-200，c3=10，使射程、噴灌強度峰值和組合均勻性系數的數量相當。由直接加權法，ak=ckwk，則綜合評分為：

y*i=yi1-200yi2+10yi3

(1)

式中：yi1為射程，m；yi2為噴灌強度峰值，mm/h；yi3為組合均勻性系數，%。

表5為直觀分析評價結果。由表5可以看出，根據綜合加權評分值越大越好的原則，使射程最遠、噴灌強度峰值最低且組合均勻性系數最高的最優組合為第9號評價方案，即噴頭噴嘴直徑為2.98 mm，噴盤流道出口形狀為Y形，噴頭組合間距為2.5 m，工作壓力為100 kPa時，噴灑效果最佳。

表5 直觀分析評價結果Tab.5 Evaluation results of intuitive analysis

將y*i作為直觀分析評價進行指標極差計算分析如表6所示。由表6可以看出，影響非旋轉折射式噴頭射程、噴灌強度峰值與組合均勻性系數因素的主次順序分別為A>C>D>B，即噴嘴直徑>流道出口形狀>噴頭組合間距>工作壓力。

表6 多指標評價結果分析Tab.6 Analysis of multi-index evaluation results

3 結 語

(1)不同噴嘴直徑、工作壓力和流道出口形狀的單噴頭移動水量分布形式有差異，主要表現在水量集中于噴灑范圍的區域不同，噴灌強度峰值不同。噴嘴直徑、工作壓力和流道出口形狀對噴頭射程均呈顯著影響。相同噴頭間距下，噴嘴直徑為2.98 mm，工作壓力為100 kPa，流道出口形狀為Y形折射式噴頭的組合均勻性系數均高于85%。

(2)基于綜合評分法，得到各因素對射程、噴灌強度峰值和組合均勻性系數的綜合評價指標影響的主次順序為：噴嘴直徑、流道出口形狀、噴頭組合間距、工作壓力；使射程最遠、噴灌強度峰值最低且組合均勻性系數最高的最優組合為：噴嘴直徑為2.98 mm，噴盤流道出口形狀為Y形，噴頭組合間距為2.5 m，工作壓力為100 kPa。

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