Teejet霧化噴頭的水力性能試驗(yàn)及工作參數(shù)優(yōu)選

高 飛，張 銳，朱德蘭，鄭長娟，劉一川，張曉敏，趙 航

·研究速報(bào)·

Teejet霧化噴頭的水力性能試驗(yàn)及工作參數(shù)優(yōu)選

高 飛，張 銳，朱德蘭※，鄭長娟，劉一川，張曉敏，趙 航

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，楊凌 712100）

為探究Teejet霧化噴頭工作參數(shù)對(duì)單噴頭及組合噴灑水力性能的影響，進(jìn)而得到霧化噴頭的較優(yōu)配置工況，該研究通過試驗(yàn)分析、理論計(jì)算和綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法，探究等效直徑、安裝高度、工作壓力對(duì)霧化噴頭水力性能的影響規(guī)律；定量分析得到安裝高度、工作壓力、等效直徑、組合間距與組合均勻性系數(shù)之間的關(guān)系；構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用主成分分析法確定霧化噴頭最優(yōu)配置方案。結(jié)果表明：1）隨著工作壓力的升高，噴頭噴灌強(qiáng)度峰值逐漸增長；隨著安裝高度的升高，噴頭的噴灑范圍增大，水量分布更加均勻；相同安裝高度和工作壓力條件下，噴嘴的噴灌強(qiáng)度峰值與等效直徑呈正比。2）3種等效直徑噴頭組合均勻性系數(shù)隨工作壓力和組合間距的變化趨勢基本一致，組合間距對(duì)組合均勻系數(shù)的影響最為明顯，隨著噴頭組合間距的增加，噴頭的組合均勻系數(shù)大多呈先減小后增加再減小趨勢。3）霧化噴頭最優(yōu)配置工況為噴嘴等效直徑1.81 mm、安裝高度0.6 m、組合間距0.2 m、工作壓力400 kPa。該研究可為適用于溫室的移動(dòng)式微噴灌機(jī)組的參數(shù)配置提供依據(jù)，并為該機(jī)組在全國范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用提供理論支撐。

灌溉；溫室；霧化噴頭；水力性能；安裝高度；工作壓力；組合間距；組合均勻系數(shù)

0 引 言

霧化噴頭是溫室移動(dòng)微噴灌系統(tǒng)的重要組成部分，可將有壓的集中水流噴射到空中并呈霧狀均勻散布在其所控制的灌溉面積上，其功能強(qiáng)大、用途廣泛，推廣應(yīng)用前景好[1]。許多學(xué)者開展了霧化噴頭在不同工況下的水力性能試驗(yàn)。戚春燕等[2]研究了旋轉(zhuǎn)式、折射式和縫隙式微噴頭在上噴和下噴兩種不同安裝形式下的水力性能，得到了在不同間距下，下噴的組合均勻系數(shù)小于上噴、旋轉(zhuǎn)式的變化幅度大于折射式的結(jié)論。Gary等[3]通過試驗(yàn)證明了噴嘴結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)、噴霧配劑會(huì)影響霧化噴頭的初始噴霧特性。葛茂生等[4]提出了移動(dòng)噴灑均勻度計(jì)算模型，為卷盤式噴灌機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化配置提供參考。楊雯等[5]以折射式微噴頭為研究對(duì)象，探究了安裝高度對(duì)微噴頭水力性能及組合均勻系數(shù)的影響。Griesang等[6]選擇Hypro公司的系列化扇形噴嘴，分析了噴嘴射流的對(duì)稱性、開度和流量，驗(yàn)證了工作壓力和噴嘴間距對(duì)噴霧分布質(zhì)量的影響。已有研究主要聚焦于不同結(jié)構(gòu)、工作壓力和安裝高度對(duì)常見霧化噴頭水力性能的影響特征[7-8]。近年來溫室行業(yè)發(fā)展迅速，研究溫室灌溉噴頭可為降低機(jī)組運(yùn)行成本，并為提高機(jī)組工作效率提供理論依據(jù)。

節(jié)水灌溉課題組開發(fā)的適用于溫室的移動(dòng)式微噴灌機(jī)組[9]應(yīng)用于楊凌智慧農(nóng)業(yè)示范園內(nèi)，該機(jī)組灌溉效果良好、結(jié)構(gòu)簡單、拆卸安裝方便，具備良好推廣應(yīng)用價(jià)值。Teejet霧化噴頭是該機(jī)組的重要組成部分，該噴頭屬于霧噴噴頭的一種，能夠調(diào)節(jié)農(nóng)田小氣候[10]，改善作物生長逆境。其具有3個(gè)口徑不同的扇形噴嘴結(jié)構(gòu)，能夠滿足不同場景下的灌溉需求。該噴頭與傳統(tǒng)噴頭相比具有應(yīng)用范圍更廣、安全性更好、使用壽命更長的優(yōu)點(diǎn)，適用于溫室灌溉并具備良好的應(yīng)用前景[11]。

本文以Teejet霧化噴頭為研究對(duì)象，開展單噴頭固定噴灑水量分布測試試驗(yàn)，解決該噴頭在不同工況下的水力性能參數(shù)及組合移動(dòng)噴灑時(shí)水量特征的分布規(guī)律等尚未明晰的問題；采用主成分分析方法進(jìn)行多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，解決該噴頭在工作時(shí)最優(yōu)運(yùn)行工況不清晰的問題，從而確定Teejet霧化噴頭最優(yōu)工作參數(shù)。研究可為適用于溫室的移動(dòng)式微噴灌機(jī)組的參數(shù)配置提供理論依據(jù)，提高該機(jī)組在全國范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 噴頭結(jié)構(gòu)及工作原理

Teejet霧化噴頭由美國噴霧系統(tǒng)公司生產(chǎn)，該噴頭由3個(gè)不同等效直徑（分別為1.36、1.62和1.81 mm）的扇形噴嘴、PVC噴嘴外殼、墊片、卡槽、濾芯、環(huán)形卡扣和低壓防滴漏裝置組成，該噴頭工作時(shí)水流通過卡槽進(jìn)入噴頭，以較大速度從噴頭末端扇形噴嘴的狹長縫隙中噴出。水流受到內(nèi)部切槽面的擠壓獲得較大動(dòng)能，形成液膜，液膜與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，在液體表面張力、黏性及空氣阻力相互作用下破碎成細(xì)小霧滴。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水研究院進(jìn)行，單噴頭固定噴灑水量分布試驗(yàn)裝置見圖1，主要由Teejet霧化噴頭、雨量筒（直徑11.2 cm，高度15.5 cm）、PVC管（直徑32 mm）、壓力表（0～600 kPa）、水箱、水泵（揚(yáng)程45 m，功率0.75 kW）、高度調(diào)節(jié)支架（可調(diào)節(jié)范圍0.4～1.2 m）和調(diào)壓閥門組成。

1.水泵 2.水管 3.水箱 4.調(diào)壓閥門 5.壓力表 6.噴頭 7.高度調(diào)節(jié)架 8.雨量筒

1.2.2 試驗(yàn)方案

工作壓力、噴頭等效直徑、安裝高度和組合間距影響霧化噴頭的水力性能及其在所控制灌溉面積上的噴灑效果[4-6]，本文將工作壓力、噴頭等效直徑、安裝高度和組合間距設(shè)為試驗(yàn)因素，分析Teejet霧化噴頭的水量分布特征。依據(jù)該噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，選取合適的安裝高度及工作壓力水平，本研究選取的工作壓力為100、150、200、250、300、350和400 kPa，安裝高度為0.6、0.7、0.8、0.9和1.0 m，噴頭等效直徑為1.36、1.62和1.81 mm，組合間距為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9 m。

1.3 測試指標(biāo)

1.3.1 流量

流量指噴頭單位時(shí)間內(nèi)的出水量。本研究設(shè)置不同工況下噴頭噴灑時(shí)間為3 min，噴灑時(shí)雨量筒緊挨噴嘴口，收集噴嘴出流水，完成噴灑后記錄各工況下雨量筒收集水的容量。噴頭流量即為所收集水的容量與噴灑時(shí)間之商。

1.3.2 噴灌強(qiáng)度

噴灌強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)單位面積上所噴灑的水量，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27612.3-2011[12]進(jìn)行噴灌強(qiáng)度測試，利用雨量筒收集噴灑水量，雨量筒以霧化噴頭所在位置為中心，呈網(wǎng)格狀（5×14）緊挨布置，測試時(shí)間為15 min，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，完成噴灑后采用稱重法記錄各雨量筒內(nèi)的液體質(zhì)量。噴頭噴灑域某受水處的噴灌強(qiáng)度計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[13]。

1.4 計(jì)算及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.4.1 組合均勻系數(shù)

組合均勻系數(shù)是噴灌面積上水量分布的均勻程度。已知霧化噴頭單噴頭水量分布，可疊加求出不同噴頭間距下的組合水量分布，最后采用克里斯琴森計(jì)算法得到組合均勻性系數(shù)[13-14]。

本文噴頭噴灑域內(nèi)組合均勻性系數(shù)的計(jì)算式為

（1）

1.4.2 初始投資

初始投資為投資時(shí)實(shí)際支付全部價(jià)款（式（2）），在本研究中主要由噴灌機(jī)、霧化噴頭、水泵、管道管件、主軌道及附屬設(shè)備等組成[15]。各部件報(bào)價(jià)來自河北望豐溫室設(shè)備有限公司，具有較好的市場代表性。

C=C+C+C+C+C+C（2）

式中C為裝置所需管件費(fèi)用，包括輸水管道、連接管等；C為水泵費(fèi)用，650元/臺(tái)；C為霧化噴頭費(fèi)用，150元/個(gè)；C為溫室軌道總費(fèi)用；C為噴灌機(jī)費(fèi)用，6 480元/臺(tái)；C為其他附屬費(fèi)用，取其他組件費(fèi)用的1%。

其中，C=C+C+C+C（3）

C=C+C+C+C（4）

式中C為膠管連接管費(fèi)用，5元/根；C為軌道連接管費(fèi)用，3元/根；C為高壓膠管費(fèi)用，取11元/m；C為輸水管道費(fèi)用，4.0元/m；C為電纜費(fèi)用，2元/m；C為主軌吊桿費(fèi)用，12元/根；C為主軌道費(fèi)用，140元/根；C為配套標(biāo)準(zhǔn)件費(fèi)用，150元/批。

1.4.3 年運(yùn)行費(fèi)

年運(yùn)行費(fèi)指項(xiàng)目在運(yùn)行期間每年需支出的各種經(jīng)常性費(fèi)用，主要包括水費(fèi)、勞動(dòng)力費(fèi)用和機(jī)組日常維護(hù)費(fèi)用，其計(jì)算式為

C=C+C+C（5）

式中C為灌溉水費(fèi)用，C=1；C為勞動(dòng)力費(fèi)用，C=Tp2；C為機(jī)組日常維護(hù)費(fèi)用，取為機(jī)組初始投資的1%；為灌水定額，m3；1為灌區(qū)單位供水價(jià)格，1.2元/m3；T為勞動(dòng)力工時(shí)數(shù)；2為勞動(dòng)力單價(jià)，50元/工時(shí)。

1.4.4 霧化噴頭參數(shù)優(yōu)選方法

本研究綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)體系[16]，由技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩部分構(gòu)成，技術(shù)指標(biāo)包括噴頭流量、平均噴灌強(qiáng)度、峰值噴灌強(qiáng)度及組合均勻系數(shù)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括項(xiàng)目初始投資及年運(yùn)行費(fèi)?；谏鲜鲋笜?biāo)，運(yùn)用主成分分析法對(duì)霧化噴頭各工作條件下的運(yùn)行效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)綜合得分從備選方案中篩選出最優(yōu)工況，進(jìn)而得到噴頭的最優(yōu)參數(shù)，主成分分析[17-18]采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 單噴頭不同工況下水力性能試驗(yàn)

水量分布可作為噴頭噴灑特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)[19]，由于三維空間在二維平面展示的局限性，避免由于過多圖片疊加而導(dǎo)致相互遮擋，本文以首行首列雨量筒位置為原點(diǎn)，雨量筒行列布置方向?yàn)?、軸正方向，選取變化趨勢最明顯的0.6～0.9 m安裝高度為軸繪制三維平面等值線圖，噴頭在平面內(nèi)的坐標(biāo)為(840，280)。圖2為3種等效直徑噴頭在不同工作條件下的水量分布等值線圖，由圖2可看出，Teejet霧化噴頭的噴灑區(qū)域近似為橢圓形，噴灌強(qiáng)度沿噴頭和方向徑向先增大后減小，噴灌強(qiáng)度峰值集中在噴頭正下方。

隨著等效直徑增大，噴頭噴灌強(qiáng)度峰值增大。安裝高度0.90 m時(shí)，1.36 mm等效直徑噴嘴在工作壓力100、250和400 kPa時(shí)噴灌強(qiáng)度的峰值分別為3.65、6.05和9.71 mm/h，1.62和1.81 mm直徑噴嘴在3種工作壓力下的噴灌強(qiáng)度峰值分別為5.20、8.58、17.29 mm/h和7.40、12.35、16.64 mm/h；隨著工作壓力升高，噴頭噴灌強(qiáng)度峰值和噴灑范圍增大。固定噴頭安裝高度0.60 m時(shí)，1.62 mm等效直徑噴嘴噴灌強(qiáng)度峰值變化范圍為12.2～37.3 mm/h，工作壓力由350 kPa上升至400 kPa時(shí)，噴灌強(qiáng)度峰值增長幅度最大，為41.75%。這是由于工作壓力升高，管道中水流速度變大，單位時(shí)間出流量更多、破碎程度更高，噴灌強(qiáng)度峰值增長，噴灑范圍變大；隨著安裝高度升高，噴頭噴灌強(qiáng)度峰值減小，水量分布更加均勻。固定工作壓力400 kPa，1.81 mm等效直徑噴嘴在安裝高度從0.60、0.70、0.80和0.90 m時(shí)的噴灌強(qiáng)度峰值分別為35.68、22.69、19.15和16.64 mm/h。這是由于安裝高度升高，單噴頭水量擴(kuò)散程度變小，噴灌強(qiáng)度峰值下降幅度減小，水量分布更均勻。

圖2 不同工作壓力（P）下3種等效直徑（d）噴頭水量分布等值線圖

2.2 噴頭組合移動(dòng)噴灑水量分布

在農(nóng)業(yè)實(shí)際育苗應(yīng)用中，為提高工作效率，霧化噴頭工作時(shí)大多采用組合移動(dòng)噴灑工作形式。取噴灌機(jī)行走速度為60 m/h，本節(jié)根據(jù)單噴頭固定噴灑水量分布規(guī)律，探究霧化噴頭組合移動(dòng)噴灑水量分布。

2.2.1 工作壓力和組合間距對(duì)組合均勻系數(shù)的影響

圖3為安裝高度為0.6 m時(shí)3種等效直徑噴嘴組合均勻性系數(shù)隨組合間距及工作壓力變化情況，可看出3種直徑噴頭組合均勻性系數(shù)隨工作壓力和組合間距的變化趨勢基本一致，組合間距對(duì)組合均勻系數(shù)的影響最明顯，0.2～0.6 m的組合均勻系數(shù)明顯高于0.6～0.9 m；工作壓力的高低在一定程度上也會(huì)影響組合均勻性系數(shù)的大小，但規(guī)律性不強(qiáng)。定量分析3種等效直徑噴嘴在0.6 m安裝高度下組合均勻性系數(shù)與組合間距及工作壓力的關(guān)系，擬合方程式如式（6），多項(xiàng)式擬合系數(shù)見表1。

CU=1+2+3+42+562+73+82+92（6）

式中CU為組合均勻性系數(shù)，%；為組合間距，m；為工作壓力，kPa；1～9為擬合系數(shù)。

表1 3種等效直徑噴頭組合均勻系數(shù)的擬合情況（H=0.6 m）

圖3 不同噴嘴等效直徑組合均勻系數(shù)-組合間距-工作壓力關(guān)系圖（H=0.6 m）

2.2.2 安裝高度和組合間距對(duì)組合均勻系數(shù)的影響

圖4為3種直徑噴嘴在工作壓力為250 kPa時(shí)的組合均勻性系數(shù)隨組合間距及安裝高度關(guān)系圖，可得出3種直徑噴頭組合均勻性系數(shù)隨安裝高度和組合間距的變化趨勢基本一致，組合間距對(duì)組合均勻系數(shù)的影響更為明顯；安裝高度的高低在一定程度上也會(huì)影響組合均勻性系數(shù)的大小，但規(guī)律性相較于組合間距并不明顯。定量分析3種等效直徑噴嘴在0.6 m安裝高度下組合均勻性系數(shù)與組合間距及工作壓力的關(guān)系，擬合方程式如式（7），多項(xiàng)式擬合系數(shù)見表2。

CU=1+2+3+42+5+62+73+82+92+103（7）

式中CU為組合均勻性系數(shù)，%；為組合間距，m；為工作壓力，m；1～10為擬合系數(shù)。

表2 3種等效直徑噴頭組合均勻系數(shù)的擬合情況（P=250 kPa）

圖4 不同噴嘴等效直徑組合均勻系數(shù)-組合間距-安裝高度關(guān)系圖（P=250 kPa）

2.3 霧化噴頭參數(shù)優(yōu)選

定量分析得到霧化噴頭的組合移動(dòng)噴灑水量分布規(guī)律，從擬合關(guān)系式可看出組合均勻系數(shù)與各工作參數(shù)之間規(guī)律性不強(qiáng)，無法尋求最優(yōu)工作參數(shù)組合，故采用主成分分析方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選。本研究的配置因素分別為等效直徑、安裝高度、組合間距和工作壓力。其中所選等效直徑參數(shù)為1.36、1.62和1.81 mm，工作壓力參數(shù)為100、150、200、250、300、350和400 kPa，組合間距參數(shù)為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9 m，安裝高度參數(shù)為0.6、0.7、0.8、0.9和1.0 m。對(duì)霧化噴頭各工作條件下配置變量的配置參數(shù)進(jìn)行全排列，得到840種備選方案，為便于方案的識(shí)別，采用A-B-C-D的形式對(duì)各備選方案進(jìn)行編號(hào)，其中A、B、C、D分別表示噴頭的等效直徑、安裝高度、組合間距和工作壓力。A的對(duì)應(yīng)值為1～3，B的對(duì)應(yīng)數(shù)值為1～5，C的對(duì)應(yīng)數(shù)值為1～8，D的對(duì)應(yīng)數(shù)值為1～7。

基于噴頭流量、平均噴灌強(qiáng)度、峰值噴灌強(qiáng)度、組合均勻系數(shù)、初始投資和年運(yùn)行費(fèi)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析。保證主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%，確定主成分個(gè)數(shù)，得到如下所示的主成分得分表達(dá)式：

1=0.4931+0.4932+0.5033-0.17840.0465-0.4776（8）

2=0.1641-0.0052+0.0063+0.6734+0.7075-0.1406（9）

式中1、2分別為第一階、第二階主成分；1～6分別為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值。

通過加權(quán)求和計(jì)算2個(gè)主成分的綜合評(píng)分，得到綜合評(píng)價(jià)得分（）計(jì)算表達(dá)式為

=0.5531+0.2322（10）

依次計(jì)算出各備選方案的綜合得分，并按照評(píng)價(jià)值從大到小的順序排序。對(duì)綜合得分排名前3位及后3位的配置方案的各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將所有指標(biāo)轉(zhuǎn)化成[0,1]區(qū)間內(nèi)的數(shù)值，繪制評(píng)價(jià)指標(biāo)雷達(dá)圖如圖5所示。

A.流量 B.平均噴灌強(qiáng)度 C.峰值噴灌強(qiáng)度 D.組合均勻系數(shù) E.初始投資 F.年運(yùn)行費(fèi)

A. Flow rate B. Average sprinkler irrigation intensity C. Peak sprinkler irrigation intensity D. Combined uniformity coefficient E. Initial investment F. Annual operating cost

注：方案編號(hào)的4個(gè)數(shù)字分別代表噴頭的不同工作參數(shù)。其中，第1個(gè)數(shù)字“1”和“3”分別代表等效直徑為1.36和1.81 mm，第2個(gè)數(shù)字“1”和“5”分別代表安裝高度為0.6和1.0 m，第3個(gè)數(shù)字“1”“2”“3”“6”“7”“8”分別代表組合間距為0.2、0.3、0.4、0.7、0.8和0.9 m，第4個(gè)數(shù)字“1”和“7”分別代表工作壓力為100和400 kPa。

Note: The four digits of the scheme number represent different working parameters of the nozzle. Among them, the first number “1” and “3” respectively represent the equivalent diameter of 1.36 and 1.81 mm, the second number “1” and “5” respectively represent the installation height of 0.6 and 1.0 m, the third number “1”, “2”, “3”, “6”, “7” and “8” respectively represent the combined spacing of 0.2, 0.3, 0.4, 0.7, 0.8, and 0.9 m, and the fourth number”1” and “7” respectively represent the working pressure of 100 and 400 kPa.

圖5 霧化噴頭參數(shù)優(yōu)選方案標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)指標(biāo)雷達(dá)圖

Fig.5 Radar chart for standardized evaluation index of atomizing nozzle parameter optimization schemes

由圖5可知，排名前3位配置方案的流量、平均噴灌強(qiáng)度、峰值噴灌強(qiáng)度及組合均勻系數(shù)均處于較高水平，初始投資較高或中等，年運(yùn)行費(fèi)最低；排名在后3位配置方案的組合均勻系數(shù)指標(biāo)位于較高水平，初始投資低，年運(yùn)行費(fèi)高，其余指標(biāo)均表現(xiàn)不理想。結(jié)合上述配置方案所對(duì)應(yīng)的實(shí)際意義，考慮噴頭的水力性能及機(jī)組的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，最優(yōu)配置工況應(yīng)為噴嘴等效直徑1.81 mm、安裝高度0.6 m、組合間距0.2 m、工作壓力400 kPa。該工況下的性能指標(biāo)分別為：流量202.70 L/h，平均噴灌強(qiáng)度6.55 mm/h，峰值噴灌強(qiáng)度35.67 mm/h，組合均勻系數(shù)93.01 %，初始投資18 206.26元，年運(yùn)行費(fèi)756.86元。

3 討 論

本文以Teejet霧化噴頭為研究對(duì)象，探究其不同工作條件下的水力性能及運(yùn)行工況，以技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)估，選取最優(yōu)配置方案。

技術(shù)指標(biāo)方面，以不同工作參數(shù)下噴頭水力性能指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，與朱興業(yè)等[8]對(duì)低壓霧化噴頭水力性能的研究相比，本文僅考慮水力性能，缺乏對(duì)噴頭霧化特性的探究。霧化噴頭具有降溫增濕、調(diào)節(jié)環(huán)境等特點(diǎn)，其霧滴粒徑、液滴速度等微觀指標(biāo)對(duì)于霧化噴頭運(yùn)行狀況同樣有較大影響[20-21]。霧滴粒徑并非越大越好，而是應(yīng)與外界環(huán)境和作物類型相匹配，霧滴粒徑過大，會(huì)導(dǎo)致水量分布不均勻，反之則會(huì)造成液滴蒸發(fā)損失大，降低噴灑水利用率[22]。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，以理想條件下的初始投資和年運(yùn)行費(fèi)為依據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，與葛茂生[15]對(duì)卷盤式噴灌機(jī)組的多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)相比，本研究忽略了外界環(huán)境對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響，對(duì)于經(jīng)濟(jì)指標(biāo)因素的考慮較為片面，結(jié)論普適性受限。機(jī)組在實(shí)地運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的費(fèi)用是多方面的，除了機(jī)組、輸水管道等固定費(fèi)用，還不可避免受環(huán)境條件、地形條件、運(yùn)行條件及人工條件等的制約[23]。因此在后續(xù)研究中，需進(jìn)一步測試Teejet霧化噴頭的霧滴粒徑、霧滴速度等微觀指標(biāo)，同時(shí)考慮環(huán)境、地形等外界因素對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響，進(jìn)行系統(tǒng)性的綜合評(píng)價(jià)，最終得到適用于不同外界條件的配置方案，為移動(dòng)式微噴灌機(jī)組的參數(shù)配置提供理論支撐。

4 結(jié) 論

1）隨著工作壓力升高，管道中水流速度變大，噴灌強(qiáng)度峰值增長，噴灑范圍變大；隨著安裝高度升高，單噴頭水量分布擴(kuò)散變緩，噴頭的噴灑范圍增大，水量分布更加均勻；固定安裝高度和工作壓力條件，噴嘴等效直徑越大，出流量越大，噴嘴的噴灌強(qiáng)度峰值越大。

2）3種等效直徑噴頭組合均勻性系數(shù)隨工作壓力和組合間距的變化趨勢基本一致，組合間距對(duì)組合均勻系數(shù)的影響最為明顯；隨著噴頭組合間距的增加，噴頭的組合均勻系數(shù)大多呈先減小后增加再減小趨勢，工作壓力的大小和安裝高度的高低在一定程度上也會(huì)影響組合均勻性系數(shù)的大小。

3）運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行分析處理，建立基于主成分分析的綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)模型，得到霧化噴頭的最優(yōu)配置工況為等效直徑1.81 mm、安裝高度0.6 m、組合間距0.2 m、工作壓力400 kPa。

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Hydraulic performance tests and optimized working parameters of Teejet atomizing nozzles

Gao Fei, Zhang Rui, Zhu Delan※, Zheng Changjuan, Liu Yichuan, Zhang Xiaomin, Zhao Hang

(1.,,712100,; 2.-,,712100,)

Teejet atomizing nozzle is one of the most important components in the mobile micro-sprinkler system for the greenhouse. Three kinds of fan-shaped nozzle structures with different diameters can fully meet the irrigation requirements to adjust the farmland microclimate for better crop growth stress in the various scenes. Therefore, this sprinkler can be expected for greenhouse irrigation, due to its wide application range, high safety, and long service life. However, there is no accurate reference to the parameters of sprinklers, such as hydraulic performance and operating conditions. The purpose of this study is to obtain a better configuration condition of atomizing nozzle. The hydraulic performances of the single and combined nozzle were optimized on the installation height, equivalent diameter, working pressure, and combined spacing of the Teejet atomizing nozzle. A water distribution test was carried out to verify the hydraulic performance parameters of atomizing nozzle under different working conditions. The experimental analysis, theoretical calculation, and comprehensive evaluation were then combined to clarify the influence of the equivalent diameter, installation height, and working pressure on the hydraulic performance of atomizing nozzle. The quantitative relationship was obtained between the installation height, working pressure, equivalent diameter, combination spacing and uniformity coefficient. A comprehensive evaluation index system was constructed using technical and economic indicators. Finally, the principal component analysis was implemented to determine the optimal configuration scheme for atomizing nozzles. The results show that: 1) The velocity of water flow increased significantly in the pipeline with the increase of working pressure, while the peak value of sprinkler irrigation intensity gradually increased to widen the spraying range. The slow water diffusion of a single nozzle was observed for the uniform water distribution, as the installation height increased. As such, the wider spraying range of the nozzle was obtained than before. In the same installation height and working pressure, the larger the equivalent diameter of the nozzle was, the larger the outlet flow was, and the greater the peak sprinkler irrigation intensity of the nozzle was. 2) There was the basically same variation trend of the combination uniformity coefficient in the three equivalent diameter sprinklers. The combination spacing presented the most outstanding influence on the combination uniformity coefficient. Furthermore, the combination uniformity coefficient tended to decrease first, then increase and finally decrease, with the increase of the combination spacing in the sprinklers. A relatively significant influence was also observed in the working pressure and installation height on the combination uniformity coefficient. 3) A comprehensive index evaluation model was established using principal component analysis. The optimal configuration conditions of atomizing nozzles were obtained by SPSS analysis, including, the nozzle equivalent diameter of 1.81 mm, the installation height of 0.6 m, combined spacing of 0.2 m, and working pressure of 400 kPa. This finding can provide theoretical support to the parameter configuration of mobile micro-sprinkler for greenhouse irrigation.

irrigation; greenhouse; atomizing nozzle; hydraulic performance; installation height; working pressure; combination spacing; combination uniformity coefficient

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.030

S275.5；S625.1

A

1002-6819(2022)-22-0280-07

高飛，張銳，朱德蘭，等. Teejet霧化噴頭的水力性能試驗(yàn)及工作參數(shù)優(yōu)選[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(22)：280-286.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.030 http://www.tcsae.org

Gao Fei, Zhang Rui, Zhu Delan, et al. Hydraulic performance tests and optimized working parameters of Teejet atomizing nozzles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 280-286. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.030 http://www.tcsae.org

2022-10-13

2022-11-14

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFE0103000）；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020ZDLNY01-01）；寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022BBF02026）

高飛，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉技術(shù)與裝備。Email：17780525381@163.com

朱德蘭，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉新技術(shù)。Email：dlzhu@126.com