全圓旋轉射流噴頭設計與水力性能試驗

王新坤 徐勝榮 樊二東 姚吉成 靳彬彬

(江蘇大學流體機械工程技術研究中心， 鎮江 212013)

0 引言

中國淡水資源短缺，有效利用率較低，為進一步緩解水資源供求壓力，提高農田灌溉水利用系數，研制新型節水灌溉裝備和推廣高效節水灌溉技術是現代農業發展的新趨勢[1-3]。噴灌技術是應用最為廣泛的節水灌溉技術之一，噴頭是噴灌系統中的核心設備，其水力性能很大程度上決定了整體的噴灌效果[4-5]。旋轉式噴頭邊噴灑邊旋轉，水從噴嘴噴出時形成射流狀，因此射程較遠，是中遠射程噴頭的基本形式。由驅動機構的特點，旋轉式噴頭可分為搖臂式噴頭、反作用式噴頭和葉輪式噴頭。目前，國內外應用最普遍的中低壓噴頭幾乎都是搖臂式噴頭，就搖臂運動方向來說主要有水平搖臂式噴頭和垂直搖臂式噴頭兩種基本形式[6]。水平搖臂式噴頭基本結構由噴管、旋轉密封裝置、驅動裝置、換向裝置等組成，驅動機構由搖臂、旋轉軸、彈簧等組成，由于敲擊和撞擊的作用，對噴管、搖臂材料的剛性和彈簧穩定性要求較高。李星恕等[7]在水平搖臂式噴頭原有結構基礎上，設計了一種由撐桿、限位桿等組成的仰角可調節機構，研究了4種仰角的噴頭水力性能，其中噴頭在各象限的轉動誤差均小于10%，噴頭的轉動比較均勻。垂直搖臂式噴頭靠改變水流運動方向產生的反作用力推動其間歇轉動，其驅動機構由搖臂、導流器、平衡配重、搖臂軸等組成。湯躍等[8]基于ADAMS虛擬樣機技術對垂直搖臂式噴頭的旋轉和碰撞過程進行了動力學仿真研究，并分析了噴頭的結構強度和疲勞壽命。湯攀等[9]通過改變垂直搖臂式噴頭配重與旋轉中心的距離、工作壓力和噴嘴直徑，通過多目標優化得到了噴頭的最優水力性能參數。反作用式噴頭是依靠水射流偏離轉軸平面對噴管產生反作用力矩驅動噴頭旋轉，反作用力矩可以連續施加，例如利用擋片、斜孔出流、單穩射流元件等方式，也可以間歇施加，例如利用互控射流元件、流控射流元件等方式。全射流噴頭是一種反作用式噴頭，利用射流附壁效應完成噴頭的直射、步進和反向功能，具有結構簡單、水力性能好等優點[10]，由于導管的插拔深度對全射流噴頭的正常工作有較大影響，并且射流附壁力較小，該噴頭也存在工作不穩定的情況。朱興業等[11]對PY130型搖臂式噴頭和30PXH型全射流噴頭進行水力性能試驗對比，發現全射流噴頭可以通過改變導管長度來改變步進角度，可調節性較好。劉俊萍[12]對全射流噴頭進行內部流場計算，重點研究了動靜片下游及上游壓差和速度在不同噴頭轉動角度時的變化規律。

正交試驗設計是利用正交表科學合理安排試驗，通過部分試驗得到影響試驗指標的最優因素水平組合[14]，正交試驗法在結構優化設計中有廣泛應用[15]，能夠得到很好的效果，具有科學性、合理性。本文設計一種反作用式噴頭——全圓旋轉射流噴頭[13]，該噴頭通過射流的附壁切換特性實現噴頭的步進和直射過程，在副噴嘴出口安裝驅動板為噴頭旋轉提供驅動力，并采用正交試驗對噴頭內流道進行結構優化，以實現噴頭旋轉穩定、水力性能較好的目的。

1 全圓旋轉射流噴頭結構與原理

1.1 噴頭結構

圖1 全圓旋轉射流噴頭剖面圖Fig.1 Structure diagram of round rotatory jet sprinkler1.旋轉密封機構 2.噴頭進口 3.空心軸 4.軸套 5.彈簧罩6.彈簧 7.橡膠墊片 8.導流段 9.射流元件進口 10.反饋口Ⅰ11.反饋口Ⅱ 12.射流空間 13.左側壁面 14.右側壁面 15.右側流道 16.左側流道 17.分流劈 18.射流元件 19.主噴體 20.副噴體 21.副噴管 22.主噴管 23.主噴嘴 24.副噴嘴 25.驅動板

全圓旋轉射流噴頭是指利用射流的附壁切換效應實現噴頭旋轉噴灑過程的射流噴頭。圖1為噴頭結構剖面圖，噴頭中間部分為射流元件，為了能讓水流和射流元件壁面充分接觸，流道壁面設計為方形結構，進口段包括一定長度的導流段，由圓形進口過渡到方形進口，然后通過噴體部分過渡到噴管的圓形結構，圖1中w、s、β、H是射流元件的主要結構尺寸，分別為進口寬度、位差、側壁傾角、分流劈距，不同結構尺寸的射流元件工作效果不同，k為噴頭進口深度，d為噴頭進口直徑，α為噴頭進口收縮角[16]。與射流元件連接的為噴頭的旋轉密封機構，該機構主要包括軸套、空心軸、密封圈等，射流元件進口兩側為控制道，通過控制管連接，射流元件一端出口通過主噴體與主噴管連接，主噴管連接主噴嘴，另一端出口通過副噴體與副噴管連接，副噴管連接副噴嘴，副噴嘴出口安裝固定驅動板。

1.2 噴頭工作原理

壓力水流進入噴頭射流元件時，高速射流在Coanda效應[17]的作用下會附著于一側壁面，此時射流和左側壁面的封閉空間為低壓旋渦空間，當主射流附著于左側壁時，水流主要從主噴嘴中射出，此時，噴頭處于直射狀態，在射流附壁一段時間后，負壓通過反饋控制管傳遞到另一側空間，切換射流附壁方向，水流轉而從副噴嘴中射出，并擊打驅動板，使噴頭獲得旋轉力矩，噴頭開始旋轉，此時噴頭處于步進狀態。主噴嘴和副噴嘴交替噴灑，實現射流噴頭的直射和步進動作，在不增加噴灑強度的情況下，解決了噴頭近處噴灑均勻度問題。全圓旋轉射流噴頭是用射流元件取代了搖臂式驅動的一套復雜機構，射流元件結構簡單，省去了現有搖臂式噴頭的彈簧與搖臂，簡化了驅動與換向結構，通過驅動板分散噴灑水流，與直射流的噴灑水量相互補。

1.3 噴頭的射流附壁切換特性

射流噴頭正常工作時，其流道內的射流需要進行附壁切換，反映其工作性能的參數主要有附壁切換頻率和流量振幅等。附壁切換頻率為單位時間內射流附壁切換的次數，頻率越高說明射流附壁特性越穩定，流量振幅為射流噴頭出口流量的差值，流量振幅越大，單邊的出口流量越大，射流的附壁偏轉效果越好。

2 關鍵結構正交試驗

2.1 CFD數學建模和參數設置

在Pro/E軟件中畫出噴頭的三維水體模型，如圖2a所示，導入CFD軟件ICEM中進行網格劃分，如圖2b所示，由于噴頭過渡段等結構不規則，因此采用四邊形非結構網格對三維模型進行網格劃分，消除結構網格中節點的結構限制，節點和單元的可控性較好，能更好地處理邊界問題[18]，在噴頭過渡段對網格進行局部加密，以提高網格整體質量，網格數量為77 047，網格質量在0.37以上。

圖2 全圓旋轉射流噴頭三維模型和網格劃分Fig.2 Three-dimensional model and mesh generation of round rotatory jet sprinkler

應用CFD軟件Fluent對射流噴頭水體模型進行模擬，射流噴頭內部流型包括湍射流、渦流，采用三維不可壓縮N-S方程來描述射流噴頭內部的流動。RNGk-ε模型可以很好地計算強旋流和帶有彎曲壁面的流動，由于射流噴頭中存在此類流動，因此選用RNGk-ε模型進行計算。采用壓力進口，噴頭進口壓力設置為0.1～0.3 MPa，主噴嘴和副噴嘴出口壓力為一個大氣壓，均采用瞬態模擬，時間步長為0.001 s，流體介質為水，收斂精度為10-4。

2.2 噴頭的正交試驗設計

2.2.1試驗因素

全圓旋轉射流噴頭中，選取深寬比k/w、位差比s/w、劈距比H/w、側壁傾角β作為試驗因素，A、B、C、D分別代表k/w、s/w、H/w、β，噴頭進口直徑為10 mm，工作壓力0.25 MPa，因素水平選擇如表1所示，選用L9(34)正交表，通過9組試驗得到上述結構參數對附壁切換頻率f和流量振幅ΔQ的影響規律，A取2～3，B取0.375～0.525，C取7～9，D取10°～12°。

表1 因素水平Tab.1 Level of factors in orthogonal experiments

2.2.2試驗結果

試驗結果見表2(x1、x2、x3、x4分別為A、B、C、D水平值)，可以看出7組噴頭具有較好的射流附壁切換特性，其中噴頭6、8的射流不能附壁切換，主要是因為劈距太小而位差太大。

表2 試驗方案和試驗結果Tab.2 Test scheme and results in orthogonal experiments

采用直接分析法對正交結果進行分析，表3中Ki為每個因素i個水平的數值之和，ki為每個因素i個水平的平均值，反映各因素的優水平與優組合，R為極差，反映各因素的主次水平。

表3 正交試驗結果分析Tab.3 Results analysis of orthogonal experiments

由表3可知，影響附壁切換頻率的因素主次順序為B、D、C、A，影響流量振幅的因素主次順序為A、C、B、D，說明位差比對射流附壁切換頻率的影響最大，深寬比對射流附壁切換頻率的影響最小，但是深寬比對流量振幅影響最大，側壁傾角對流量振幅影響最小。

根據各幾何參數對射流附壁特性的影響可知，附壁切換頻率的最佳組合為A2B2C1D1，流量振幅的最佳組合為A1B2C1D1，為了分析各因素對噴頭附壁特性的影響程度，定義了相對影響指數[19]

E=R/(k1+k2+k3)×100%

(1)

E越大，說明因素對噴頭的附壁特性影響越大，因素A對附壁切換頻率和流量振幅的影響指數分別為3.7%和29.4%，說明因素A對流量振幅的影響較大，因此最優結構組合為A1B2C1D1，由正交試驗得到的噴頭射流元件最優結構為：深寬比2，位差比0.45，劈距比7，側壁傾角10°。

噴頭的噴管、噴體、噴嘴等結構參數參考搖臂式噴頭的設計原理[20]，噴頭的主要結構參數見表4。

表4 射流噴頭主要結構參數Tab.4 Main structural parameters of jet sprinkler

注：D1為進水口公稱直徑，D2為控制管直徑，Dcm為噴管直徑，rcp/Dcm為相對彎曲半徑，Lcm/Dcm為噴管相對長度，θ為噴射仰角，Dc為噴嘴直徑，θ1為噴嘴內錐角。

3 噴頭水力性能試驗

對噴頭的射流附壁特性和噴灑特性進行試驗研究，射流噴頭的射流附壁特性試驗方法采用高速攝影法，通過高速攝影儀捕捉射流的附壁切換頻率，通過噴灑試驗對噴頭的噴灑特性進行試驗測試。

3.1 試驗材料與試驗方法

試驗于2018年7月在江蘇大學噴灌大廳進行，參照文獻[21]，搭建噴灌試驗測試系統，試驗測試系統包括高速攝影儀、離心泵、輸水管、閥門、0.25級精度壓力表、0.2級精度流量計、精度為0.01 s的秒表、米尺、噴頭和雨量筒等，雨量筒的開口直徑為22 cm，雨量筒沿徑向布置，間距1 m，一直延伸到射程之外，噴頭安裝高度1.2 m。圖3為高速攝影試驗的示意圖，試驗現場采用黑色幕布作為拍攝背景以保證圖像的清晰度，采用i-Speed3型攝像機，幀率10 000 f/s，選用焦距為50 mm的定焦鏡頭，壓力表安放在低于噴頭0.5 m處，在噴灌系統泵出口安裝流量計測量噴頭的進口流量，射流噴頭為有機玻璃材質。試驗中，將副噴嘴的驅動板方向調為向下，使噴頭保持靜止，由于射流擊打驅動板會分散水流，用套筒將副噴嘴套上，使水流朝著固定方向射出。進行噴灑試驗時，對進水口公稱直徑10 mm、主副噴嘴直徑均為4 mm的噴頭模型進行試驗研究，并且用PY210A型(4.5 mm×2.5 mm)搖臂式噴頭進行水力性能對比試驗，圖4為試驗模型，圖5為試驗場地，調節壓力表壓力為0.15、0.20、0.25 MPa，通過流量計記錄噴頭進口流量，米尺記錄噴頭射程，秒表記錄噴頭轉過一周所用時間，雨量筒測量水深，噴頭每次噴灑時間為20 min。

圖3 高速攝影試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic of high-speed photography test device1.水泵 2.流量計 3.閥門 4.壓力表 5.噴頭 6.高速攝影儀 7.計算機 8.光源 9.黑幕

圖4 搖臂式噴頭和射流噴頭試驗樣機Fig.4 Experimental prototypes of impact sprinkler and jet sprinkler

圖5 試驗場地Fig.5 Test site

3.2 高速攝影試驗結果

3.2.1射流噴頭流量-壓力特性

進口流量和進口壓力的關系是噴頭的主要外特性曲線，通過對比試驗和模擬所得到的關系曲線可以驗證數值模擬的準確性，設置進口壓力為0.1～0.3 MPa，圖6為噴頭的流量壓力特性曲線。由圖可知，在進口壓力較小時，模擬誤差較小，隨著進口壓力增大，模擬誤差也相應增大，且模擬值大于試驗值，主要是因為進口壓力增大，流量損失增大，模擬值與試驗值的相對誤差為2.1%～4.0%，說明本研究建模合理，模擬方法準確，能夠有效地對噴頭的內部流動情況進行數值模擬。

圖6 流量隨壓力的變化曲線Fig.6 Variation of flow rate with different pressures

3.2.2射流噴頭的射流附壁特性

圖7為射流噴頭的射流附壁切換頻率和進口壓力的關系。可以看出，隨著噴頭進口壓力的增大，模擬誤差也相對增大，且模擬值大于試驗值。模擬值與試驗值的相對誤差為7.7%～22.2%，噴頭內流道結構和外部干擾會一定程度影響射流的附壁切換頻率，試驗結果表明模擬值和試驗值的變化趨勢基本相同且偏差較小，因此模擬值能較好地反映試驗值。

圖7 射流附壁切換頻率隨壓力的變化曲線Fig.7 Variation of jet frequency of wall-attached switching with different pressures

3.3 噴灑試驗結果

3.3.1噴頭流量、射程、噴灌強度和轉動周期

表5為搖臂式噴頭和射流噴頭在3個工作壓力下的流量、射程、平均噴灌強度和轉動周期，隨著工作壓力增加，噴頭進口流量不斷增加，搖臂式噴頭流量為1.36～1.62 m3/h，射流噴頭流量為1.19～1.53 m3/h，在兩種的噴頭進口壓力和噴嘴直徑相同時，噴頭進口流量基本相同。隨著工作壓力增大，噴頭射程逐漸增大，搖臂式噴頭射程為13.2～14.2 m，射流噴頭射程為13.0～15.7 m，射流噴頭的射程較遠，基本可以滿足特定壓力下的噴灌要求，因此具有較好的應用價值。當噴頭進口流量基本相同時，搖臂式噴頭平均噴灌強度為3.00～3.90 mm/h，射流噴頭平均噴灌強度為2.85～3.63 mm/h，搖臂式噴頭的平均噴灌強度較大。進口壓力對搖臂式噴頭的轉動周期影響較小，搖臂式噴頭轉動周期為112～125 s，進口壓力對射流噴頭的轉動周期影響較大，射流噴頭轉動周期相對較短，為81～105 s，由于射流噴頭的旋轉驅動力主要是副噴嘴水流間斷性擊打驅動板的結果，可以通過改變驅動板的傾角和噴管長度來改變噴頭所受力矩，從而調整噴頭的轉動效果。

表5 搖臂式噴頭與射流噴頭在3種壓力下的流量、射程、平均噴灌強度和轉動周期Tab.5 Mass flow, range, irrigation intensity and rotation period of impact sprinkler and jet sprinkler at three working pressures

3.3.2噴頭水量分布特性

圖8為搖臂式噴頭和射流噴頭在0.15、0.20、0.25 MPa工作壓力下的噴頭噴灑水量分布圖，由圖可知，搖臂式噴頭和射流噴頭的噴灑水量分布有較大不同，相比之下，搖臂式噴頭噴灑水量分布呈“馬鞍形”，降水深為0.5～2.2 mm，其中噴頭近處和遠處的噴灑水量較多，中間噴灑水量較少，整體來說，噴頭噴灑水量具有一定的波動性。對于射流噴頭而言，降水深為0.4～2.0 mm，與搖臂式噴頭不同，噴頭水量分布呈“三角形”，射流噴頭近處的噴灑水量較多，噴灑水量隨噴頭射程增加而減少，主要是因為副噴嘴處的射流擊打驅動板導致水流破碎并滴落在射程較近處，水量分布比較均勻。但是在滿足射程足夠大和流量較小的條件下，可以通過進一步改進射流噴頭的結構來改善噴頭的水量分布效果，比如在主噴嘴處增加散水裝置、將副噴嘴驅動板設計成齒形結構等，從而整體提高噴頭的噴灑均勻性。

圖8 不同壓力下搖臂式噴頭與射流噴頭的噴灑水量分布Fig.8 Water distributions of impact sprinkler and jet sprinkler at different pressures

4 結論

(1)通過四因素三水平正交試驗模擬得到了射流噴頭的射流附壁特性最優結構，結合搖臂式噴頭的設計要求初步設計了射流噴頭的結構。

(2)通過高速攝影試驗驗證了射流噴頭的流量壓力特性和射流附壁切換特性，流量偏差不大于4.0%，頻率偏差不大于22.2%。

(3)對搖臂式噴頭和射流噴頭進行噴灑試驗，得到了噴頭的射程、噴灌強度、轉動周期和水量分布等特性，試驗結果表明，射流噴頭水力性能較優，具有較好的發展前景。