旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水量分布與噴灌均勻性試驗(yàn)

朱興業(yè) 萬景紅 ALEXANDER Fordjour,2 張林國(guó) 袁壽其

(1.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心， 鎮(zhèn)江 212013； 2.知識(shí)技能大學(xué)土木工程學(xué)院, 東部 999064)

0 引言

噴灌是一種先進(jìn)的灌溉技術(shù)，有利于水分利用效率的提高[1-3]。噴灑性能是噴灌技術(shù)的重要參數(shù)，噴灌均勻性是衡量噴灑區(qū)域內(nèi)水量分布均勻程度的指標(biāo)，是評(píng)價(jià)噴灌系統(tǒng)性能的重要參數(shù)[4-7]，早在1942年,CHRISTIANSEN[8]就提出了均勻性系數(shù)的計(jì)算公式。影響均勻度的主要因素分為外部不可控因素和內(nèi)部可調(diào)整因素，其中風(fēng)速、風(fēng)向、地形和地貌等對(duì)噴灌均勻度的影響,屬于外部不可控因素[9-12]。影響噴灌均勻度的內(nèi)部可調(diào)整因素包括噴頭結(jié)構(gòu)、噴頭工作壓力、噴頭組合間距、噴頭的數(shù)量以及組合方式等[13-16]。為了實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化和提高噴灌技術(shù)的水分利用效率，對(duì)噴灌用噴頭開展結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)組合等內(nèi)部可調(diào)整因素對(duì)噴灑性能影響的研究無論在理論上還是實(shí)際應(yīng)用中都具有十分重要的意義。

噴頭工作壓力、噴嘴直徑和安裝間距是影響噴灑性能的重要因素，許多國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在相關(guān)方面進(jìn)行了一系列的研究， DUKES[17]研究了風(fēng)速和工作壓力對(duì)平移式噴灌機(jī)上LDN型噴頭或IWOB型旋轉(zhuǎn)式噴頭噴灑性能的影響，提出IWOB型旋轉(zhuǎn)式噴頭具有更好的水力性能。EI-WAHED等[18]通過改變中心支軸噴灌機(jī)上的噴頭間距、噴頭高度和工作壓力，研究它們對(duì)均勻性系數(shù)、低值分布均勻度和變異系數(shù)等參數(shù)的影響，給出最佳操作條件方案,以減少運(yùn)行成本。ZHU等[19-20]研究了射流噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴灑性能的影響，并對(duì)不同壓力條件下全射流噴頭和搖臂式噴頭的水力特性進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明全射流噴頭優(yōu)于搖臂式噴頭，更具先進(jìn)性。ZHANG等[21]開展了Nelson R33, Nelson R33LP，Nelson R33流道防護(hù), Nelson R33LP流道防護(hù)和Rainbird Mini Paw/LG-3 共5種噴頭分別在23個(gè)不同工作壓力下的田間噴灌均勻度評(píng)價(jià)，得出在測(cè)試范圍內(nèi)噴頭間距和平均工作壓力對(duì)噴灑性能的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓力變化對(duì)噴灑性能的影響。韓文霆等[22]利用噴頭在不同壓力下的單條輻射線上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用了連續(xù)插值函數(shù)逼近方法，提出了一種壓力-水量分布的計(jì)算模型。鮑亞等[23]研究了噴頭壓力對(duì)水量分布模型的影響，指出低壓噴頭的噴灌強(qiáng)度隨著壓力的增大先逐漸增大，達(dá)到一定值后基本保持不變，提出了低壓范圍內(nèi)噴灌組合均勻系數(shù)和組合分布均勻系數(shù)二者的函數(shù)關(guān)系式。嚴(yán)海軍等[24]對(duì)圓形噴灌機(jī)低壓阻尼噴頭不同噴嘴和工作壓力下的水滴直徑分布規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了噴頭不同位置處的水滴平均直徑和噴頭距離呈指數(shù)關(guān)系。朱興業(yè)等[25]在不同工作壓力下對(duì)全射流噴頭的水量分布等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，研究了噴灑性能與組合間距之間的關(guān)系，為噴灌系統(tǒng)優(yōu)化配置提供了一定的理論基礎(chǔ)。葛茂生等[26]選取了Neleson D3000型和R3000型旋轉(zhuǎn)式噴頭，對(duì)其單獨(dú)噴灑和以2.5 m組合間距進(jìn)行噴灑時(shí)的水量分布進(jìn)行了測(cè)試和比較，得出噴頭之間相互影響的強(qiáng)弱受噴頭幾何結(jié)構(gòu)的影響。張以升等[27-28]以Nelson D3000型噴頭為研究對(duì)象，研究了不同壓力下的水量，能量分布及其擴(kuò)散規(guī)律，建立了不同工況下噴灑性能與工作壓力及噴灌高度的回歸關(guān)系式,并依據(jù)風(fēng)速分布模型，建立有風(fēng)條件下折射式單噴頭水量分布計(jì)算方法。鞏興暉等[29]以Nelson R3000型旋轉(zhuǎn)折射式噴頭為研究對(duì)象，在不同工作壓力下分析了水滴直徑與單個(gè)水滴動(dòng)能之間的關(guān)系，單位體積水滴動(dòng)能和動(dòng)能強(qiáng)度沿射程的變化趨勢(shì)，提出單個(gè)水滴動(dòng)能與水滴直徑的3.65次方呈正比關(guān)系。張林等[30]針對(duì)坡地噴灌水量分布實(shí)測(cè)困難問題，構(gòu)建了噴灌水量分布由平地轉(zhuǎn)換到坡地的計(jì)算模型,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證模型是準(zhǔn)確的。田坤等[31]研制出一種平移式噴灌機(jī)并進(jìn)行了性能測(cè)試，得出在壓力為0.07 MPa，組合間距為3 m，安裝高度1 m的情況下，組合均勻性系數(shù)達(dá)到了86.5%。李茂娜等[32]在內(nèi)蒙古地區(qū)研究了圓形噴灌機(jī)水肥耦合對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響，得出圓形噴灌機(jī)尾槍控制面積內(nèi)的實(shí)際灌水量超過設(shè)計(jì)灌水量的1/3,但產(chǎn)量未相應(yīng)增加的結(jié)論。

綜上所述，上述文獻(xiàn)中均采用的是目前常用的噴頭開展水力性能的研究，很少有新型結(jié)構(gòu)和新工作原理旋轉(zhuǎn)式噴頭的相關(guān)研究報(bào)道。同時(shí)雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了單因素(噴嘴類型或工作壓力等參數(shù))對(duì)噴灑性能影響的試驗(yàn)，但是對(duì)于壓力、噴嘴直徑和安裝間距對(duì)噴灑性能影響的交互作用，以及它們之間的相互關(guān)系方面尚未見到相關(guān)的研究報(bào)道。因此，本文提出一種旋轉(zhuǎn)式噴盤的折射式噴頭，在不同工作壓力、噴嘴直徑下試驗(yàn)得出其水量分布，仿真計(jì)算出同安裝間距下的均勻系數(shù)并提出它們之間存在的關(guān)系，進(jìn)一步探討綜合影響因素下的噴灑性能，以期對(duì)后續(xù)的研究提供科學(xué)的理論依據(jù)，為旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的工程應(yīng)用提供理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

本試驗(yàn)在江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心的室內(nèi)噴灌實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)期間室內(nèi)無風(fēng)，溫度為2～6℃。

1.1 噴頭結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)中采用了由江蘇大學(xué)研制出的旋轉(zhuǎn)式噴盤(圖1b)，其與現(xiàn)有的噴頭之間的區(qū)別在于旋轉(zhuǎn)式噴盤的出口形狀，現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)式噴盤是圓周內(nèi)非均勻異形出口(圖1a)，本文使用圓周內(nèi)均勻六分型出口(圖1b)是為了解決現(xiàn)有非均勻異形出口(圖1a)噴盤內(nèi)受力不均衡及旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的問題。與非均勻異形出口旋轉(zhuǎn)式噴盤相比較，均勻六分型出口噴盤工作相對(duì)更加穩(wěn)定、便于調(diào)節(jié)。

圖1 旋轉(zhuǎn)式噴盤 Fig.1 Rotated plates

在工作原理上，均勻六分型出口與現(xiàn)有公開非均勻異形出口控制元件的區(qū)別為：現(xiàn)有公開的非均勻異形出口低壓(0.10 MPa以下)工作條件時(shí) ，在不同旋轉(zhuǎn)角度下噴盤所受作用力不夠均衡，無法穩(wěn)定有效地驅(qū)動(dòng)噴盤的運(yùn)轉(zhuǎn)而完成折射式噴頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本文中所提出的均勻六分型出口，在低壓(0.10 MPa以下)工作條件下，水射流從噴盤中心沿著6個(gè)分型面均勻噴射，6個(gè)分型面上形成均勻的射流區(qū)，對(duì)噴盤產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，在任意旋轉(zhuǎn)角度上水射流有效可靠地對(duì)噴盤形成6股驅(qū)動(dòng)合力，自控完成噴盤旋轉(zhuǎn)速度的形成，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)噴盤的驅(qū)動(dòng)并完成折射式噴頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，本文將旋轉(zhuǎn)式噴盤的出口設(shè)計(jì)成常規(guī)的圓周內(nèi)均勻六分型出口，增強(qiáng)了其通用性。

1.2 試驗(yàn)材料

圖2 試驗(yàn)用噴頭 Fig.2 Experiment nozzles

搭配上述噴頭所用的噴嘴為目前廣泛應(yīng)用于灌溉機(jī)組R3000型的15#、17#和19#3種，所對(duì)應(yīng)的噴嘴直徑分別為2.98、3.37、3.77 mm (圖2)。噴頭的安裝高度設(shè)計(jì)為目前常用的噴頭高度1.2 m, 考慮到工作壓力微小變化對(duì)水力性能的影響并不會(huì)太明顯，因此選擇0.1 MPa為變化間距，設(shè)計(jì)了噴頭工作壓力為0.1、0.2、0.3 MPa進(jìn)行試驗(yàn)，以確定噴頭能正常工作的最佳范圍。由于噴灌實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無風(fēng)，可以近似認(rèn)為各個(gè)方向的噴灑水深基本相同，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。圖3為試驗(yàn)系統(tǒng)布置示意圖。試驗(yàn)中噴頭工作壓力由0.4級(jí)的精密壓力表讀出，流量通過0.5級(jí)精度的電磁流量計(jì)測(cè)量得出，水量分布測(cè)量用的雨量筒(直徑為0.2 m、高度為0.6 m)按徑向線進(jìn)行布設(shè)。試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19795.2—2005、GB/T 19795.2—2005和GB/T 22999—2008[33-35]等, 在噴頭穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)10 min后開始數(shù)據(jù)測(cè)量。每次測(cè)量時(shí)間為20 min，每組試驗(yàn)分別在不同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行3次重復(fù)。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)布置示意圖 Fig.3 Schematic diagram of test arrangement

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1噴嘴流量系數(shù)

試驗(yàn)中采用稱重法測(cè)量噴嘴在單位時(shí)間內(nèi)流出的水量用以校核所測(cè)得的流量數(shù)據(jù)。首先調(diào)節(jié)噴嘴至所需的工作壓力，噴頭穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后在噴嘴噴水處插入容器收取水流，一段時(shí)間后取出容器同時(shí)記錄收取水流所消耗的時(shí)間，采用精度為±1 g的電子秤進(jìn)行稱量，按照測(cè)得質(zhì)量除以消耗時(shí)間計(jì)算得出噴嘴的流量，重復(fù)上述過程3次取其平均值。噴頭流量與噴嘴直徑以及工作壓力的關(guān)系為

(1)

式中q——噴頭流量，m3/h

μ——噴嘴流量系數(shù)

A——噴嘴過水?dāng)嗝婷娣e，m2

H——工作壓力，MPa

整理式(1)得出流量系數(shù)為

(2)

式中d——噴嘴直徑，mm

1.3.2組合水量分布計(jì)算模型

采用單噴頭水量分布疊加的方法獲得噴頭組合水量分布數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中噴頭的徑向水量分布數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格型數(shù)據(jù)，是均勻度分析的主要步驟。由于旋轉(zhuǎn)折射式噴頭可以近似地認(rèn)為各個(gè)方向的噴灑水深基本相同，因此，網(wǎng)格點(diǎn)的降水深只取決于各網(wǎng)格點(diǎn)到噴頭的距離，然后用實(shí)測(cè)降水深數(shù)據(jù)對(duì)該距離進(jìn)行插值，即可求出各網(wǎng)格點(diǎn)的水深。

本文采用三次樣條插值法，數(shù)學(xué)模型建立如下[36]：設(shè)f(x)是區(qū)間[a,b]上的一個(gè)二次連續(xù)可微函數(shù)，在區(qū)間[a,b]上給定一組基點(diǎn)：a=x1

二次連續(xù)可微，Si(x)(i=1,2，…，n)是一個(gè)不高于三次的多項(xiàng)式或零多項(xiàng)式，且滿足條件Si(x)=f(xj)(j=1，2，…，n+1)，稱S(x)為函數(shù)f(x)的三次樣條插值函數(shù)。

記mi=S″(x)，f(xi)=fi。根據(jù)三次樣條的定義可得：在每一個(gè)子區(qū)間[xi，xi+1](i=1，2，…，n)上

其中

hi=xi+1-xi

對(duì)S″i(x)連續(xù)兩次積分得

只要知道m(xù)i和mi+1，則Si(x)表達(dá)式完全確定，即可計(jì)算獲取噴頭徑向任意位置的水量分布信息。

利用Matlab語言編制出徑向水量分布數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格型數(shù)據(jù)的計(jì)算程序，對(duì)旋轉(zhuǎn)折射式噴頭射程范圍內(nèi)建立網(wǎng)格點(diǎn)，計(jì)算出網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水量分布數(shù)據(jù)，然后根據(jù)噴頭不同的安裝間距得到組合水量分布數(shù)據(jù)。采用Christiansen計(jì)算法[8]計(jì)算均勻系數(shù)，為

(3)

其中

(4)

圖4 單噴頭徑向水量分布 Fig.4 Radial distributions of single nozzle

式中n——計(jì)算網(wǎng)格個(gè)數(shù)

j——計(jì)算網(wǎng)格標(biāo)識(shí)變量

hj——第j個(gè)計(jì)算點(diǎn)內(nèi)水量的高度，mm

2 結(jié)果與分析

2.1 噴嘴流量系數(shù)

使用噴灌噴頭的流量測(cè)量值及根據(jù)式(2)所得到的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 流量-壓力測(cè)試值 Tab.1 Flow-pressure testing values

從表1可以看出，在相同噴嘴直徑下，隨著噴頭工作壓力的增加，3種噴嘴的流量系數(shù)呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，流量系數(shù)增加的幅度范圍為4.2%～15.8%。這是因?yàn)殡S著工作壓力的增大，旋轉(zhuǎn)折射式噴頭噴嘴流場(chǎng)處的流速增大，更加有效克服噴嘴結(jié)構(gòu)、流體粘性等因素所形成的阻力，水流的流態(tài)會(huì)更加穩(wěn)定，極大地減少了噴嘴結(jié)構(gòu)等因素對(duì)流量所產(chǎn)生的影響，獲得了更高的流量系數(shù)，在0.3 MPa工作壓力下，流量系數(shù)達(dá)到0.95。

在相同工作壓力下，隨著噴嘴直徑的增加，噴嘴流量呈線性增加，3種噴嘴的流量系數(shù)在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，并沒有呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，波動(dòng)范圍為0～12.1%。這說明噴嘴直徑對(duì)流量系數(shù)并沒有很大的影響。

本試驗(yàn)研究所采用的旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的流量系數(shù)平均值不小于0.9，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的流量系數(shù)范圍一般數(shù)值的選取[33]，可以滿足試驗(yàn)要求。

2.2 單噴頭徑向水量分布

噴頭的徑向水量分布是評(píng)價(jià)噴頭噴灑效果的重要特征參數(shù)，通過試驗(yàn)獲取了雨量筒采集的數(shù)據(jù)，得到了3種噴嘴在不同工作壓力下的徑向水量分布，變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，噴頭的水量分布曲線近似為拋物線型，隨著與噴頭距離的增加，噴灌強(qiáng)度總體呈先上升再下降的趨勢(shì)。在相同噴嘴直徑下，隨著噴頭工作壓力的增加，噴灑射程增大，且每一個(gè)測(cè)點(diǎn)處的噴灌強(qiáng)度均增大，這說明工作壓力是影響噴灑性能的重要因素。在與噴頭距離小于3 m的測(cè)點(diǎn)中，各工作壓力下的數(shù)值差異較大且沒有一定的規(guī)律性，而在與噴頭距離大于3 m后，隨著與噴頭距離的增大，各測(cè)點(diǎn)噴灌強(qiáng)度呈現(xiàn)出隨著工作壓力的升高保持在一定幅度內(nèi)增加的規(guī)律，相比0.1 MPa，0.2 MPa和0.3 MPa時(shí)增加的幅度分別為18.1%～29.4%和31.4%～39.1%。這主要是因?yàn)榫嚯x噴頭較近處，由于噴射水流受到了噴嘴結(jié)構(gòu)、水流破碎、外界環(huán)境等多個(gè)因素的影響，在不同工作壓力下運(yùn)行時(shí)，噴射水流的能量損失存在著很大的不確定性，并沒有呈現(xiàn)出隨著工作壓力的升高噴灌強(qiáng)度保持在一定幅度內(nèi)增加的規(guī)律性。在噴灑末端處噴射水流主要受到外界環(huán)境的影響，能量損失趨于穩(wěn)定，此時(shí)呈現(xiàn)出隨著工作壓力的升高噴灌強(qiáng)度保持在一定幅度內(nèi)增加的良好規(guī)律性。

在相同工作壓力下，隨著噴嘴直徑的增加，噴灑射程在小范圍內(nèi)增大，噴灌強(qiáng)度增大。這主要是因?yàn)樗鲝膰娮焯巼娚浜螅芰繐p失很大，3種噴嘴直徑的差別不足以有效地克服能量損失而很大地提高其射程，造成了射程增加范圍在8%以內(nèi)；同時(shí)，隨著過流斷面的增大，增加了噴嘴處的噴射流量，在噴灑面積相差不大的情況下，必然增加了噴灌強(qiáng)度。相比2.98 mm的噴嘴直徑，3.37 mm和3.77 mm所產(chǎn)生最高噴灌強(qiáng)度增加的幅度分別為5.8%～13.2%和7.9%～25%。

本文得到的水量分布規(guī)律符合了FACI等[37]的研究結(jié)果，說明本文噴頭與目前應(yīng)用廣泛的中心支軸噴灌機(jī)和平移式噴灌機(jī)的旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水量分布規(guī)律具有較好的一致性，可以滿足應(yīng)用的要求。

2.3 組合均勻性系數(shù)計(jì)算

根據(jù)單噴頭徑向水量分布使用Matlab軟件在噴頭射程范圍內(nèi)建立網(wǎng)格，選用了三次樣條兩次插值法，計(jì)算出網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水量分布數(shù)據(jù)。噴頭的安裝間距對(duì)于噴灑均勻系數(shù)存在著影響，圖5為噴頭組合安裝方式及疊加計(jì)算的網(wǎng)格示意圖，其中噴頭個(gè)數(shù)為5個(gè)，選取中間3個(gè)噴頭之間的方形區(qū)域，每一個(gè)方格點(diǎn)之間的間距為0.5 m，所選取的網(wǎng)格點(diǎn)均在各噴頭射程有效疊加范圍內(nèi)。有了插值點(diǎn)總降水深，即可計(jì)算出組合均勻性系數(shù)。

圖5 噴頭疊加方法示意圖 Fig.5 Scheme of mathematical procedure used for simulation

在3 m的組合間距下，對(duì)3種噴嘴在不同工作壓力(0.1、0.2、0.3 MPa)下進(jìn)行了組合噴灌試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算出組合均勻性系數(shù)試驗(yàn)值，圖6為噴灑均勻性試驗(yàn)值與模擬計(jì)算值的對(duì)比圖。

圖6 噴灑均勻性系數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值 Fig.6 Comparison of tested and calculated sprinkling uniformity coefficient

從圖6可以看出，隨著工作壓力的增加，試驗(yàn)和模擬計(jì)算出的組合均勻性系數(shù)普遍呈下降趨勢(shì)。在工作壓力為0.3 MPa時(shí)，各種噴嘴直徑所產(chǎn)生的組合均勻性系數(shù)值并沒有一定的規(guī)律性，甚至在噴嘴直徑為3.37 mm時(shí)，出現(xiàn)了組合均勻性系數(shù)的計(jì)算值高于其他工作壓力的情況。在各種噴灌條件下，試驗(yàn)與模擬計(jì)算得出的組合均勻性系數(shù)的變化范圍為65.4%～85.1%，試驗(yàn)值與計(jì)算值的誤差在0.5%～11.0%之間，具有較好的一致性。因此通過試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，說明可以采用模擬計(jì)算方法分析旋轉(zhuǎn)折射式噴頭安裝間距對(duì)組合均勻性的影響規(guī)律。

本文計(jì)算了3種噴嘴在安裝間距分別為2、3、4、5、6 m幾種情況下的組合均勻性系數(shù)。圖7為組合均勻性系數(shù)隨噴頭安裝間距的變化曲線。

從圖7可以看出，隨著噴頭間距的增加，噴頭的組合均勻性系數(shù)總體上呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)，在組合間距為6 m時(shí)，組合均勻性系數(shù)會(huì)發(fā)生上升或急劇下降等不穩(wěn)定的現(xiàn)象。在相同噴嘴直徑和工作壓力下，組合均勻性系數(shù)隨安裝間距的變化范圍為3.9%～11.8%。說明噴頭的安裝間距較大地影響著組合均勻性系數(shù)。

圖7 組合均勻性系數(shù) Fig.7 Uniformity coefficient of combined sprinkling irrigation

在相同噴嘴直徑下，在安裝間距為2～4 m時(shí)，工作壓力為0.1 MPa和0.2 MPa下所產(chǎn)生的組合均勻性系數(shù)計(jì)算值沒有明顯的趨勢(shì)；在安裝間距大于4 m時(shí)，噴頭在不同工作壓力下，組合均勻性系數(shù)存在著不穩(wěn)定的變化規(guī)律；在相同組合間距的3個(gè)工作壓力下所計(jì)算得出的組合均勻性系數(shù)的變化范圍為2.7%～23.1%。說明噴頭工作壓力對(duì)組合均勻性系數(shù)有很大影響，是主要影響因素。

在相同的工作壓力下，同一噴頭安裝間距時(shí)，隨著噴嘴直徑的增加，3種噴嘴直徑所產(chǎn)生的組合均勻性系數(shù)計(jì)算值并沒有明顯的變化規(guī)律，其原因可能是由于試驗(yàn)中測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差所造成。在相同安裝間距下的3個(gè)噴嘴直徑所計(jì)算得出的組合均勻性系數(shù)的變化范圍為2.3%～18.9%。說明噴嘴直徑對(duì)組合均勻系數(shù)有較大影響，且具有很大的隨機(jī)性。

由以上分析可以得出，旋轉(zhuǎn)折射式噴頭影響組合均勻性系數(shù)因素的主次順序?yàn)楣ぷ鲏毫?、噴嘴直徑、噴頭安裝間距。表2中列出了在各工作壓力下旋轉(zhuǎn)折射式噴頭最適宜的安裝間距。通過計(jì)算各個(gè)工作壓力下不同安裝間距下的噴灌均勻性系數(shù)(圖7)，得出不同工況下的最大噴灌均勻系數(shù)(表2)，從而得出自制R3000型旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的最佳組合間距為4 m。

表2 不同直徑和壓力下的最優(yōu)安裝間距 Tab.2 Optimal installation spacing for different diameters and pressures

由表2可知，直徑為2.98、3.37、3.77 mm和工作壓力為0.1 MPa時(shí)在最優(yōu)間距3～4 m下噴灌均勻性系數(shù)分別為75.9%、78.2%和85.1%。所得到的最佳組合間距符合嚴(yán)海軍等[38]提出此類噴頭安裝間距推薦為2～4 m的研究結(jié)果，說明本文噴頭具有很好的應(yīng)用前景，將來可以部分代替目前廣泛使用的旋轉(zhuǎn)折射式噴頭。

本文中忽略噴嘴直徑，研究工作壓力、安裝間距對(duì)噴灑均勻性影響的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)規(guī)律選擇合適的擬合公式，建立噴灑均勻系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，擬合的計(jì)算公式為

(5)

式中x——噴頭安裝間距，m

y——工作壓力，MPa

Z0、B、C、D、E、F——擬合系數(shù)

式(5)可為將來各因素對(duì)組合均勻性系數(shù)影響的研究提供理論依據(jù)。

3 結(jié)論

(1)提出了一種旋轉(zhuǎn)式噴盤的折射式噴頭，分析了噴嘴直徑為2.98、3.37、3.77 mm下的噴頭水力性能。噴嘴的流量系數(shù)隨工作壓力的升高而增加，流量系數(shù)增加的幅度范圍為4.2%～15.8%，流量系數(shù)平均值在0.9以上，說明噴頭性能良好。

(2)噴頭的水量分布曲線近似為拋物線型，隨著噴頭工作壓力或噴嘴直徑的增加，噴灌強(qiáng)度增大，相比0.1 MPa，0.2 MPa和0.3 MPa時(shí)噴灌強(qiáng)度增加的幅度分別為18.1%～29.4%和31.4%～39.1%。相比2.98 mm噴嘴直徑，3.37 mm和3.77 mm所產(chǎn)生最高噴灌強(qiáng)度增加的幅度分別為5.8%～13.2%和7.9%～25%。此噴頭與目前應(yīng)用廣泛的中心支軸噴灌機(jī)和平移式噴灌機(jī)上的旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水量分布規(guī)律具有較好的一致性，可以滿足應(yīng)用要求。

(3)根據(jù)單噴頭徑向水量分布，計(jì)算疊加了安裝間距為2、3、4、5、6 m幾種情況下的組合均勻性系數(shù)，試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬計(jì)算值的誤差在0.5%～11.0%之間。旋轉(zhuǎn)折射式噴頭影響組合均勻性系數(shù)因素的主次順序?yàn)楣ぷ鲏毫?、噴頭安裝間距、噴嘴直徑，直徑為2.98、3.37、3.77 mm和工作壓力為0.1 MPa時(shí)在最優(yōu)間距3～4 m下噴灌均勻性系數(shù)分別為75.9%、78.2%和85.1%，完全可以滿足噴灌要求。提出旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的最佳組合間距為4 m，并提出了根據(jù)工作壓力和安裝間距計(jì)算均勻性系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。