雙噴嘴負壓反饋射流噴頭水力性能研究

2019-12-06 03:04:32王新坤薛子龍徐勝榮樊二東張晨曦

農業機械學報 2019年11期

王新坤薛子龍徐勝榮樊二東王軒張晨曦

(江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心，鎮江 212013)

0 引言

我國農業生產耗水量較大，需要大力發展節水灌溉農業裝備，以提高水資源的利用率。噴灌是指利用壓力裝置和噴灌噴頭對農田作物進行噴灑的灌溉方式，是一項先進的節水灌溉技術[1-3]。噴頭是噴灌系統的核心設備，其性能直接影響噴灌系統整體的噴灌效果。搖臂式噴頭廣泛應用于大田噴灌、露天苗圃、果菜園和園藝場等場所，是使用最廣泛、性能最穩定的噴頭之一[4-5]。噴灌均勻度是噴頭設計的一項重要技術指標，涉及到灌水質量與項目資金投入[6]，通過改變噴頭結構與組合方式能夠有效提高噴灌均勻度[7-9]。針對搖臂式噴頭工作不穩定的問題，研究人員對噴頭的驅動機制與工作參數進行了相關研究[10-12]。目前，對搖臂式噴頭結構設計、布置方式和噴灌的研究已較為成熟，但其仍存在結構復雜、使用壽命短的問題，且尚未見負壓反饋式射流噴頭的研究報道。

為了簡化噴頭結構，本文通過射流反饋技術[13-14]設計一款負壓反饋射流噴灌噴頭(簡稱射流噴頭)。該噴頭利用射流附壁效應[15]在主副噴管間形成脈沖振蕩水流，通過脈沖射流間歇性擊打驅動板來實現噴頭步進式旋轉噴灑。射流噴頭的主噴嘴提供射程較遠的射流，副噴嘴射流擊打與之相連的驅動板，將完整連續射流破碎成小水滴，提供射程較近的射流，同時為噴頭提供了旋轉驅動力，從而實現全圓旋轉。通過研究不同主副噴嘴直徑組合下射流噴頭的水力性能，優選出綜合性能較好的射流噴頭。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置包括負壓反饋射流噴頭、PY210搖臂式噴頭(簡稱搖臂噴頭)、離心泵、高速攝影儀、輸水管、閥門、0.25級精度壓力表、秒表、噴頭、雨量筒和皮卷尺等。負壓反饋射流噴頭由射流元件、噴管、噴嘴、旋轉密封機構組成，如圖1所示。射流元件為噴頭的核心部分，其進口部分與旋轉機構連接，左右流道分別與主副噴管連接，其中副噴管上設有矩形驅動板。射流元件整體由上蓋板和下蓋板組成，上蓋板設有2個反饋口，并通過硅膠控制管相連。射流噴頭工作時，由卷吸作用[16]產生的負壓通過硅膠管在左右控制道之間傳遞，從而實現射流在左右流道內的規律切換。為了能更好觀察射流在噴頭內的工作方式，噴頭加工材料選擇為有機透明玻璃。

圖1 負壓反饋射流噴頭Fig.1 Negative pressure feedback jet sprinkler1.旋轉密封機構 2.射流元件進口 3.反饋口 4.分流劈 5.副噴管 6.主噴管 7.主噴嘴 8.副噴嘴 9.驅動板

本文對主噴嘴直徑分別為3、4、5 mm的射流噴頭進行水力性能試驗，并與搖臂噴頭進行對比。對雙噴嘴噴頭而言，由于副噴嘴主要是對中近射程的噴灑水量進行補償，因此主噴嘴直徑一般大于或等于副噴嘴直徑，本文研究對象為主副噴嘴直徑組合3 mm×3 mm、4 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×3 mm、5 mm×4 mm和5 mm×5 mm的噴頭。除噴嘴外，試驗所用射流噴頭結構尺寸均相同，主要結構參數：主噴管長度5.6 mm，副噴管長度4.8 mm，噴射仰角30°。

1.2 試驗方法

圖2 試驗示意圖Fig.2 Test schematic1.水泵 2.閥門 3.壓力表 4.噴頭 5.雨量筒 6.皮尺

射流噴頭水力性能試驗在江蘇大學噴灌實驗室內進行，該實驗室直徑為44 m，試驗場地平整，最大坡度小于1%，室內為無風環境。試驗樣機選取主副噴嘴直徑為3 mm×3 mm、4 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×3 mm、5 mm×4 mm和5 mm×5 mm的6組射流噴頭，噴頭安裝高度1.2 m，在進口壓力分別為0.20、0.25、0.30、0.35 MPa時做全圓噴灑。噴頭進口壓力由安放在低于噴頭0.5 m處的0.25級精度壓力表測量，脈沖性能與步進方式由高速攝影儀拍攝記錄。射程由皮卷尺測出，噴灌強度與噴灌均勻度由開口直徑為22 cm、高度0.6 m的雨量筒以0.5 m間距按徑向布置測得。在噴頭穩定轉動5 min后開始試驗，每次試驗時間為20 min，具體操作參照GB/T 22999—2008[17]。為降低試驗誤差，每組試驗重復3次取平均值，圖2為試驗示意圖。

1.3 水力性能評價方法

射程、噴灌強度和噴灌均勻度是評價噴頭水力性能的幾個重要參數指標。

1.3.1射程

射程是噴灌設備的重要性能參數，它決定了噴頭的噴灑濕潤圓半徑，直接影響了噴頭組合間距、支管數量、管道間距等，其計算公式[18-19]有以噴嘴出口流速和噴嘴出口流量兩種表示形式

(1)

(2)

(3)

式中R——噴頭射程，m

α——噴頭的噴射仰角

v——噴嘴出口流速，m/s

φ——速度系數

g——重力加速度，m/s2

H——噴頭的進口壓力，kPa

u——孔口系數

Q——噴嘴出流量，m3/s

d——孔口直徑，m

1.3.2噴灌均勻度

噴灌均勻度指噴灑域內水量分布的均勻程度，它與噴頭的水量分布、噴頭結構和轉速有關。我國制定的《噴灌工程技術規范》[20]中通過Christiansen[21-23]計算法，用噴灌均勻性系數來表示噴灌均勻度，計算公式為

(4)

式中Cu——噴灌均勻性系數,%

hi——第i個測點的降水深，mm

n——測點數目

1.3.3平均噴灌強度

假設噴灌區域內每點代表的面積相等，平均噴灌強度反映了控制面積內所有點單位時間內噴灌強度的平均值。本文試驗時雨量筒大小相同且分布距離相等，可以看成面積相同的點，平均噴灌強度計算公式[24]為

(5)

pi——第i個雨量筒噴灌強度，mm/h

n′——雨量筒數量

2 結果與分析

當進口壓力為0.20、0.25、0.30、0.35 MPa時，由于5 mm×3 mm射流噴頭主副噴嘴直徑差較大，3 mm×3 mm射流噴頭主副噴嘴直徑過小，兩組射流噴頭的副噴嘴流量和旋轉驅動力過小，因此均不能正常工作。當進口壓力為0.20 MPa時，4 mm×3 mm射流噴頭因為副噴嘴流量和旋轉驅動力過小，噴頭亦不能正常工作。本文主要研究4 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×4 mm、5 mm×5 mm和搖臂噴頭在上述4種進口壓力下的水力性能。

2.1 脈沖性能

射流噴頭的脈沖頻率較大，本文利用i-Speed3型攝像機(幀率10 000 f/s，焦距50 mm)觀察射流噴頭的脈沖性能，試驗光源采用120 W LED白光燈，觀測結果如圖3所示。

圖3 不同射流狀態Fig.3 Different jet states

圖3a和圖3b是射流噴頭不安裝噴嘴時的出流狀態，可以看出噴嘴出流主要有連續與斷裂兩種狀態，射流連續時以較均勻水柱射出，射流斷裂時以“Z”字形狀態射出，射流斷裂時為水流在射流噴頭主副噴管內切換時刻。圖3c與圖3d是射流噴頭安裝噴嘴后的出流狀態，發現噴嘴射流為穩定出流和破碎加劇兩種狀態，此時射流并沒有出現明顯的斷裂狀態，主要是因為安裝噴嘴使出流更加穩定，并且噴嘴對射流元件的反饋壓力會加快射流的脈沖頻率，因此觀察不到明顯斷裂過程。射流噴嘴的出流為間歇、振蕩式的，通過擊打驅動板提供的旋轉驅動力亦是間斷、不連續的，因此射流的脈沖頻率就是噴頭的旋轉步進頻率。

2.2 水量分布

當進口壓力分別為0.20、0.25、0.30、0.35 MPa時，各組噴頭水量分布曲線如圖4所示。由圖可以看出，4 mm×3 mm、4 mm×4 mm和5 mm×4 mm射流噴頭在上述4種進口壓力下，雨量筒水深在0.1～2.9 mm之間，水量分布曲線整體上呈“三角形”，在雨量筒距噴頭約2 m和12 m處有兩個水量峰值。副噴嘴射流擊打驅動板后破碎成小水滴，射程主要在1～8 m之間，水量分布較廣且較均勻；由于噴頭噴灑路徑為拋物線，0～1 m范圍內噴頭存在噴灑死角，因此基本無水量；1～2 m范圍內，副噴嘴提供的水量逐漸增多，呈較快上升趨勢，2～8 m范圍內水量逐漸減少，呈較慢下降趨勢，在約2 m處有一水量峰值。主噴嘴的射流較為集中，射程主要在9～13 m之間，在雨量筒距噴頭約12 m處有另一水量峰值。

5 mm×5 mm射流噴頭降水深范圍為0.1～2.8 mm，其水量分布呈“梯形”，此噴頭主副噴嘴直徑較大，主噴嘴前水頭與其他噴頭相比較小，因此射程較短，噴頭中近處降水量較多，遠處降水量較少，因此沒有明顯水量峰值。搖臂噴頭降水在0.1～2.7 mm之間，在不同進口壓力下，水量分布曲線形狀變化不大，基本呈梯形分布。

圖4 不同噴嘴直徑射流噴頭的水量分布Fig.4 Water distribution diagrams of jet sprinkler with different nozzle diameters

2.3 射程、噴灌均勻性系數和噴灌強度

在不同進口壓力下，將各組噴頭的射程、噴灌均勻性系數和噴灌強度試驗結果繪制成曲線，如圖5所示。從圖5a可以看出，在同組噴頭試驗中，噴頭射程隨進口壓力增加而遞增，其中5 mm×4 mm與4 mm×3 mm射流噴頭射程較遠，分別為13.2～13.7 m和13.8～15.0 m，搖臂噴頭射程最短，在10.7～12.5 m之間。依據式(1)～(3)分析可知，噴頭的射程不僅與射流速度有關，而且與噴頭流量有關。當噴嘴直徑過大時，噴嘴前水頭會變小，則射流速度減慢，導致射程變短；當噴嘴直徑過小時，雖然噴嘴前水流會變大，但噴嘴流量減小幅度過大，同樣也會導致射程變短；5 mm×4 mm、4 mm×3 mm噴頭的噴嘴直徑大小適中，射流速度和流量較大，因此射程也較遠。由于射流噴頭的噴嘴內能夠產生脈沖水流，水流具有較大動能，因此射程均比搖臂噴頭遠。

圖5 各組噴頭的其他水力性能Fig.5 Other hydraulic performance of each group of nozzles

由圖5b看出，在4種進口壓力下各噴頭噴灌均勻性系數在72.0%～87.5%之間，其中4 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×4 mm射流噴頭與搖臂噴頭的噴灌均勻性系數相差不大，分別為81.7%～83.5%、81.5%～84.1%、82.5%～86.0%和80.2%～87.5%。射流噴頭噴灌均勻性系數隨進口壓力增加無明顯變化規律，搖臂式噴頭噴灌均勻性系數隨進口壓力增加而遞增。5 mm×5 mm射流噴頭在進口壓力為0.20 MPa時的噴灌均勻性系數為72.0%，當進口壓力為0.25、0.30、0.35 MPa時，其噴灌均勻性系數變化較小，保持在78.3%～80.2%之間。噴頭進口壓力過低時，噴嘴直徑為5 mm×5 mm噴頭的射流速度較緩，副噴嘴擊打驅動板形成小水滴的直徑過大，水量分布較集中，因此噴灌均勻性系數較低。

依據式(5)算出各組噴頭的平均噴灌強度如圖5c所示，所有噴頭的平均噴灌強度變化范圍在2.2～4.6 mm/h之間，搖臂噴頭、5 mm×5 mm和5 mm×4 mm射流噴頭平均噴灌強度較大，分別在4.11～4.68 mm/h、4.35～4.74 mm/h和3.81～4.38 mm/h之間。圖5d為各組噴頭的最大噴灌強度，其中搖臂噴頭、5 mm×4 mm和5 mm×5 mm射流噴頭最大噴灌強度較大，分別在6.3～8.3 mm/h、7.5～8.9 mm/h和7.8～9.3 mm/h之間。整體來講，射流噴頭與搖臂噴頭的平均噴灌強度隨噴嘴直徑增加而遞增，與進口壓力無明顯聯系；而噴頭噴嘴直徑與進口壓力變大時，各噴頭的最大噴灌強度均隨之遞增。