噴嘴直徑對旋轉折射式噴頭水量分布特性的影響

高江永，張桐林，侯永勝，李軍葉

噴嘴直徑對旋轉折射式噴頭水量分布特性的影響

高江永，張桐林，侯永勝，李軍葉

（1. 中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083；2. 土壤植物機器系統技術國家重點實驗室，北京 100083）

為了深入理解噴嘴直徑對旋轉折射式噴頭水量分布特性的影響規律，以R3000型旋轉折射式噴頭為研究對象，配備6槽噴盤，選用36種不同直徑（1.79～9.92 mm）的噴嘴，在室內無風環境下，采用雨量筒放射線布置法，開展了98、196和294 kPa 三種工作壓力下的旋轉折射式噴頭水量分布特性試驗。試驗結果表明：在98 kPa工作壓力下，噴嘴直徑1.79～7.54 mm噴頭的徑向水量分布形式為雙駝峰型曲線，噴嘴直徑7.94～9.92 mm噴頭的徑向水量分布形式為單駝峰型曲線；在196和294 kPa工作壓力下，噴嘴直徑1.79～9.92 mm噴嘴的徑向水量分布曲線均呈現單駝峰型曲線。旋轉折射式噴頭的水量分布均勻性隨工作壓力增加而下降；在98 kPa工作壓力條件下，除個別噴嘴直徑（1.79、1.98 mm）以外，噴頭的水量分布均勻性均在60%以上。噴頭的噴灑半徑范圍為4～9 m。噴頭的噴灑半徑隨噴嘴直徑增加并非呈單調遞增趨勢；當噴嘴直徑超過7.54 mm（對應38#噴嘴），隨噴嘴直徑增加噴灑半徑呈下降趨勢。根據試驗數據分析結果，確定了噴灑半徑隨噴嘴直徑變化的拋物線模型。噴頭的噴灌強度最大值和平均值隨噴嘴直徑增大而增大，曲線擬合結果表明，噴灌強度最大值和平均值均與噴嘴直徑呈明顯指數關系，決定系數2均在0.95以上。研究結果可為低壓旋轉折射式噴頭優化設計、工程應用及促進產品國產化等提供技術依據和參考。

噴頭；噴嘴；噴灌；旋轉折射式噴頭；噴灑半徑；噴灌強度；水量分布

0 引 言

以圓形噴灌機為代表的大型噴灌裝備與技術，在農業節水灌溉中發揮著重要作用[1]。低壓噴頭是大型噴灌裝備的關鍵灌水組件之一。為了滿足節水灌溉、變量灌溉和規模化農場發展需求，對低壓噴頭需求日益增加[2-3]。除了搖臂式噴頭實現了國產化以外，圓形噴灌機所使用的低壓噴頭大多依賴進口，少部分為國內仿制產品[4-5]。目前，國內科研機構已開展多種低壓噴頭[6-8]研發工作。旋轉折射式噴頭是一種典型的低壓噴頭，其工作壓力低、噴灑均勻性良好，應用十分廣泛。旋轉折射式噴頭類型與型號多樣，目前尚缺乏全面而準確的水量分布技術數據[5]。在噴頭配置和計算過程中常采用球體彈道模型[9-10]、曲線擬合[11]等方法對噴頭水量分布特性進行模擬和預測。預測精度影響了大型噴灌機組噴頭配置和整機噴灑效果。因此，開展旋轉折射式噴頭水量分布特征試驗研究對完善水量分布技術數據、提高噴灌機組水利用率及推動噴頭產品國產化進程等均具有重要意義。

噴頭的水量分布特性主要包括徑向水量分布曲線、噴灑半徑、噴灌強度、單噴頭均勻性以及組合均勻性等指標。通常，當研究噴頭水量分布特性時，需要考慮和考察影響水量分布特性的一些因素。這些因素有：噴頭結構形式、噴嘴直徑、工作壓力、安裝高度、風速與風向、液滴分布等。當噴頭結構和外部安裝條件確定后，噴嘴直徑則是影響噴頭水量分布特性的關鍵因素。Kincaid等[12-13]研究了不同結構形式低壓折射式噴頭的水量分布、液滴直徑分布及液滴能量相關特征，每種噴頭所采用的噴嘴直徑規格為2～6種，比如型號為Nelson Rotator D6的噴頭，使用了4種噴嘴直徑，分別為4.63、6.16、6.22、9.24 mm。DeBoer等[14]以旋轉折射式噴頭對象，采用R3000-R4（4槽）、R3000-R6（6槽）、S3000-S6（6槽），配置4種噴嘴直徑，分別為4.8, 6.4, 7.9 and 9.9 mm，在50、100、150、200 kPa工作壓力下，研究了噴頭的水量分布、液滴能量等方面的特性。Faci等[15]研究對比了旋轉折射式噴頭和固定折射式噴頭在安裝高度、水量分布均勻性、不同風速等方面的特性，這兩種噴頭均配置了直徑3.8、6.7、7.9 mm 3種噴嘴；研究結果表明，相同條件下，旋轉折射噴頭的均勻性要高于固定折射噴頭；旋轉折射噴頭使用6.7、7.9 mm噴嘴產生的噴灑區域比固定折射噴頭的要寬。國內的學者也開展了相關研究工作。嚴海軍等[16]采用直徑2.98、4.96、和6.95 mm的噴嘴，對R3000噴頭和A3000噴頭的液滴直徑特性進行了試驗研究。張以升等[10]以D3000噴頭為研究對象，采用15#、20#、24#、36#、44#噴嘴，模擬計算了單噴頭的噴灑水力特性以及多噴頭組合疊加后的噴灌均勻性。朱興業等[8,17]以自制的R3000噴頭為研究對象，配備直徑2.98、3.37、3.77 mm的噴嘴，在100、200、300 kPa工作壓力下，研究了噴頭流量系數、噴灑半徑、徑向水量分布以及不同安裝間距的組合均勻性系數。從上述研究來看，對低壓折射式噴頭所開展的水量分布特性研究，通常采用5種左右或者更少數量的噴嘴來完成試驗和研究任務。目前，關于低壓折射式噴頭的研究大多如此。又例如Ahmed[18-19]等的研究采用了2種直徑的噴嘴，Espinosa[20-22]等的研究采用3種，Sayyadi[23]采用4種，Robles[24]所作的研究涉及6種噴嘴直徑。但是，在實際工程應用中，噴嘴是系列產品，噴嘴直徑范圍較大，與之對應的流量和壓力范圍也較大。例如，根據Nelson公開的產品信息，3TN系列噴嘴的噴嘴編號從9#至50#，共計42種規格，噴嘴的壓力范圍為40～340 kPa，全系列噴嘴對應流量范圍0.072～7.063 m3/h，但是供應商未公開全部系列噴嘴對應的水量分布曲線。因此，在進行機組噴頭配置時，缺乏全系列的水量分布特征，導致無法準確開展機組噴頭配置計算和工程應用。另一方面，現有研究采用噴嘴直徑規格較少，所得相關成果不足以全面反映噴嘴對水量分布特征的影響規律。

綜上所述，為了獲得系列噴嘴的噴頭水量分布特性，并深入理解噴嘴直徑對噴頭水量分布特征的影響，為低壓旋轉噴頭設計、應用與國產化等提供技術依據，亟待開展全系列噴嘴的旋轉折射式噴頭的水量分布試驗研究。基于此，本文采用以圓形噴灌機機組常用的低壓旋轉折射式噴頭Nelson R3000噴頭為研究對象，選用6槽-12°噴水盤，在98、196、294 kPa 這3種工作壓力下，開展配置36種噴嘴直徑的噴頭徑向水量分布特征、噴灑半徑以及單噴頭均勻性等室內試驗，分析研究了噴嘴直徑對低壓旋轉折射式噴頭水量分布特征的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料選擇Nelson公司的R3000型低壓旋轉折射式噴頭，主要結構為：接頭、噴嘴、支架、噴水盤、噴水盤支座、阻尼器。選用的噴水盤為紅色噴盤，6槽均布，噴射角為12°，旋轉轉速1～10 r/min。考慮到國內圓形噴灌機應用的實際情況[5,16]，本文采用噴嘴號為9#～38#，40#、42#、44#、46#、48#、50#，共計36種噴嘴，噴嘴直徑范圍1.79～9.92 mm（噴嘴直徑為編號數與0.198 4 mm的乘積）。所使用旋轉折射式噴頭結構、噴水盤以及噴嘴實物如圖1所示，噴嘴直徑詳見表1。

1.2 試驗裝置

本文所有試驗在土壤植物機器系統技術國家重點實驗室進行。試驗裝置由水池、潛水電泵、電動閥門、電磁流量計，壓力傳感器、過濾器、雨量筒等組成。試驗設備和測量儀器的規格參數和精度詳見文獻[25]。雨量筒的布置采用放射線布置法[26]，將雨量筒布置在一條由噴頭所在位置引出的放射線上；首個雨量筒中心距噴頭0.5 m，后續雨量筒中心間距0.5 m，共計26個。試驗裝置簡圖如圖2所示。試驗過程中，流量、壓力、時間、雨量筒水量等相關數據進行自動采集，并通過計算獲得噴灌強度以及噴灑半徑等水量分布數據。所使用的采集和處理軟件為中國農機院開發的噴頭測試軟件SWCAT系統。試驗結束后，SWCAT系統將原始數據、水量分布計算數據等生成excel格式文件。

1.接頭 2.噴嘴 3.支架 4.噴水盤 5.噴水盤支座 6.阻尼器

表1 試驗條件

1.潛水電泵 2.過濾器 3.電磁流量計 4.電動閥門 5.擋雨罩 6.壓力傳感器 7.噴頭 8.雨量筒

1.3 試驗條件

低壓旋轉折射式噴頭的水量分布試驗，需要確定噴頭安裝高度、工作壓力、流量、噴灑時間等關鍵試驗條件。本文試驗在室內無風條件下完成。噴頭安裝高度為1.0 m。工作壓力采用噴頭常用試驗壓力98 kPa（10 m）、196 kPa（20 m）、294 kPa（30 m）。在試驗過程中，通過調整電動閥門開度，來調整噴嘴的工作壓力，達到工作壓力后，開始試驗，并記錄流量。試驗噴灑持續時間為30 min。噴嘴編號、噴嘴直徑、噴頭工作壓力、試驗流量等試驗條件見表1所示。

1.4 試驗方法

1.4.1 噴灑半徑

使用噴頭進行灌溉作業，噴頭水射流破碎霧化，形成圓形濕潤區域。該濕潤區域的半徑，稱為噴頭的濕潤半徑。噴灑半徑是噴頭在正常工作條件下，噴頭中心線距測出的灌水強度為某一數值的最遠點距離[26]，也稱為噴頭的射程。本文試驗中噴灑半徑所對應的灌水強度值為0.25 mm/h[27]。

噴頭噴灑半徑是灌溉噴頭的主要性能指標，Kincaid[12]、蔡振華[28]、Liu等[17]在試驗結果基礎上獲得了相應的低壓旋轉折射式噴頭噴灑半徑預測模型，張以升等[10]則提出了基于D3000固定折射式噴頭的噴灑半徑預測模型。預測模型如式（1）～（4）。

Kincaid公式[12]：

蔡振華公式[28]：

Liu公式[17]：

張以升公式[10]（固定式折射噴頭）

式中為噴灑半徑，m；為噴嘴直徑，mm；為噴頭安裝高度，m；為噴頭工作壓力，m；為噴頭流量，L/s。

1.4.2 噴灌強度與徑向水量分布

噴灌強度是灌溉區域內某一位置，在單位時間內的平均灌水深度。徑向水量分布是評價噴頭噴灑性能與指導工程應用的重要特征指標。依據距離噴頭的徑向距離遠近，將距離噴頭不同位置的噴灌強度繪制在一起，形成噴頭徑向水量分布圖[26]。

本文中，假設噴頭噴灑試驗的時間為。在時間內，雨量筒收集到的水量質量為，那么在該位置的單位時間的水深即噴灌強度為

式中WAR為噴灌強度，mm/h；為雨量筒收集的水的總量，kg；為水密度，kg/m3；d為雨量筒開口直徑，m，本試驗中雨量筒開口直徑d為0.15 m。

1.4.3 水量分布均勻性

在標準GB/T 27612.3-2011[26]中，給出了4個評價指標，分別為：克里斯琴森均勻系數（UCC）、統計均勻系數（UCS）、水量分布均勻性（DU）、時序系數（SC）。考慮到本試驗特點，本文采用前2個指標評價單噴頭的水量分布特性，計算方法[26]如下。

式中為平均值，mm/h；為標準差，mm/h；為平均絕對偏差，等于各個絕對偏差的平均值，mm/h；、、分別為

式中為用于分析均勻性的網格數；x為用于分析均勻性的網格中的一個數值，mm/h；D為單個絕對偏差，等于x與之差的絕對偏差值，mm/h。

UCC與UCS二者的關系式[26]為

2 結果與分析

2.1 徑向水量分布

在本文中，通過試驗獲取了量雨筒采集的雨量數據，并采用曲線擬合，得到了不同工作壓力下使用36種噴嘴的噴頭徑向水量分布曲線。在此僅列出直徑為1.79、2.38、2.78、3.97、4.76、5.95、7.14、7.94、9.13、9.92 mm噴嘴在不同壓力下的噴頭徑向水量分布曲線，如圖3所示。

a. 1.79 mmb. 2.38 mm

c. 2.78 mmd. 3.97 mme. 4.76 mmf. 5.95 mm

從圖3不同直徑噴嘴的徑向水量分布圖可知，對于同一噴嘴來說，隨著工作壓力的增加，噴頭濕潤半徑隨之增加；由于隨著工作壓力增加，噴灌的流量亦隨之增加，也導致相同徑向位置的噴灌強度隨之增加。對于同一噴嘴來說，隨著噴頭工作壓力的增加，噴灌強度最大值的增幅超過150%，產生最大增幅的噴嘴直徑為2.78 mm（14#噴嘴）。在相同的工作壓力下，噴灌強度最大值隨噴嘴直徑增加呈遞增趨勢。在98 kPa工作壓力下，直徑1.79 mm噴嘴的噴灌強度最大值為5.0 mm/h，噴灌強度平均值為1.79 mm/h；直徑9.92 mm噴嘴的噴灌強度最大值為69.6 mm/h，噴灌強度平均值為33.91 mm/h。在196、294 kPa工作壓力下，直徑1.79 mm噴嘴的噴灌強度最大值分別為4.80、7.36 mm/h，噴灌強度平均值分別為2.31、3.61 mm/h；直徑9.92 mm噴嘴的噴灌強度最大值分別為70.64、83.16 mm/h，噴灌強度平均值為38.69、44.56 mm/h。

在98 kPa工作壓力下，噴嘴直徑小于7.54 mm（對應38#噴嘴）時，噴頭的徑向水量分布形式呈雙駝峰曲線，徑向分布曲線存在2個峰值點，兩個峰值噴灌強度基本相當，靠近噴頭安裝的峰值點位于距噴頭安裝位置約1/4～1/2的濕潤半徑之間，另一個峰值點位置位于3/4濕潤半徑處，波谷位置則位于約1/2濕潤半徑處。當噴嘴直徑超過7.94 mm（40#噴嘴），第二峰值基本消失，所形成徑向水量分布形式與196、294 kPa壓力條件下的水量分布形式一致。在196、294 kPa工作壓力下，徑向水量分布形狀呈現單駝峰形狀；最大噴灌強度位置位于距噴頭安裝位置約1/4～1/2濕潤半徑之間。在196、294 kPa工作壓力下，配置不同噴嘴直徑噴嘴，所形成徑向水量分布曲線的最大值位置基本一致，該位置與98 kPa工作壓力下的第一波峰位置基本相同，距噴頭的距離在1.3～3.5 m區間內。R3000旋轉折射式噴頭的水量分布呈近似三角形分布（單駝峰曲線）或者三角形組合分布（雙駝峰曲線）。為了提升噴頭噴灑性能，如何通過噴嘴與噴水盤結構設計獲得扁平化或者多峰化的水量分布，可作為旋轉折射式噴頭國產化的關鍵設計目標之一。

噴灌強度最大值和平均值是噴頭水量分布特征的關鍵信息。為了深入分析噴嘴直徑對水量分布的影響規律，進一步對本試驗所獲得的不同壓力和噴嘴的噴灌強度試驗數據進行分析，得到不同工作壓力下的噴嘴直徑與噴灌強度最大值及噴灌強度平均值的關系，如圖4所示。

從圖4可以發現，在不同工作壓力下，隨著噴嘴直徑增加，對應的噴灌強度最大值和平均值均也增加。這也是隨著噴嘴直徑的增加，流量增加后產生的必然結果。通過數據曲線擬合，獲得了不同工作壓力下R3000噴頭水量分布圖的噴灌強度最大值、平均值與噴嘴直徑的指數關系式，即

擬合結果表明：在不同工作壓力下，噴灌強度最大值和平均值的擬合決定系數2均大于0.95，表明指數函數關系的擬合精度較高。此外，噴灌強度最大值的擬合決定系數值整體高于均值的擬合決定系數。

圖4 噴嘴直徑d與噴灌強度最大值yM及平均值yA的關系

為了進一步核實低壓折射噴頭的噴嘴直徑與噴灌強度最大值以及平均值之間的指數關系是否具有一般性，對文獻[29]中公開的Nelson D3000噴頭相關實驗數據進行分析。該研究以D3000為研究對象，采用固定式36齒噴水盤，在20 PSI （137 kPa）壓力下，使用直徑1.79～6.55 mm系列噴嘴，對應噴嘴號為9#～33#，該文獻公開了不同直徑噴嘴對應的噴灌強度最大值和平均值數據。通過對數據處理發現，噴嘴直徑與噴灌強度最大值以及平均值之間的也存在近似指數關系，擬合關系式為

噴灌強度最大值M：

噴灌強度平均值A：

根據本文與文獻[29]的數據處理結果，初步判定，對于低壓折射式噴頭，不論為固定噴水盤還是旋轉噴水盤，噴嘴直徑與噴灌強度最大值和平均值之間均存在一定的指數關系。在實際應用當中，工程技術人員可以根據選用噴嘴號，利用本文給出的指數關系模型及相關噴灑半徑預測模型，估算噴灌強度最大值和噴灑半徑，獲得噴頭的簡化三角形的水量分布特征，繼而進行噴頭配置、機組組合水量分布均勻性的預測和估算。但是該指數關系是否具有普遍性，還需對其他結構形式噴水盤進一步開展試驗驗證。

2.2 噴灑半徑

根據式（1）～（4）可獲得對應噴嘴直徑的噴灑半徑預測值。本文試驗噴灑半徑及預測值與噴嘴直徑關系如圖5所示。

a. 98 kPab. 196 kPac. 294 kPa

試驗結果表明，采用6槽、12°噴射角度噴水盤的R3000噴頭，在98、196、294 kPa工作壓力條件下，噴灑半徑分別為4～7 m、5.5～9 m、5～9 m。相同工作壓力下，噴嘴直徑在1.79～7.54 mm范圍內，隨著噴嘴直徑增大，噴灑半徑逐漸增大；在噴嘴直徑7.94～9.92 mm范圍內，隨著噴嘴的直徑增大，噴灑半徑呈下降趨勢或略有下降后平穩趨勢。本文試驗結果顯示，下降幅度在0.5～1 m之間。上述噴灑半徑的變化趨勢，與文獻[14]中試驗結果一致。在噴嘴直徑增大到一定程度后，噴頭的噴灑半徑出現下降趨勢的原因為：對于折射式噴頭，需要在合適的工作壓力下，才能獲得良好的液滴分布和最大噴灑半徑[30]。當壓力過大，則造成噴濺、折射后，液滴反而變小，不能實現最大的噴灑半徑；壓力過小，則對于液滴破碎不利，造成液滴過大，射流范圍小。所以旋轉折射式噴頭在實現國產化過程中，如何控制射流液滴破碎是設計和科研人員需要深入研究方向之一。

根據圖5可知，與試驗數值對比，式（4）預測噴灑半徑值整體較低；說明在同等安裝條件下，旋轉折射式噴頭比固定折射式噴頭的噴灑半徑要大，此結果與文獻[15]等研究成果吻合；因此，固定折射式噴頭的預測公式不適用于旋轉折射式噴頭的噴灑半徑預測，后續不予討論。從整體趨勢上，式（1）～（3）這3個經驗預測模型獲得的噴灑半徑預測值隨噴嘴直徑增加而增加，噴灑半徑整體趨勢遞增并無中間拐點；而本文試驗中，直徑1.79～7.54 mm噴嘴的噴灑半徑值與經驗公式預測值整體趨勢基本相同，噴灑半徑隨噴嘴直徑增大而增加；以直徑7.54 mm（對應38#噴嘴）為分界點，噴灑半徑呈略微下降趨勢。上述結果表明，3個預測模型不能有效預測旋轉折射式噴頭噴灑半徑隨噴嘴直徑變化趨勢，3個預測模型相對誤差值如表2所示。

表2 噴灑半徑經驗公式預測值與實測值相對誤差

注：為噴頭安裝高度，m；為噴頭工作壓力，m；為噴頭流量，L/s。

Note:is height of sprinkler, m；is working pressure of sprinkler, m;is flow rate of sprinkler, L/s.

從圖5及表2可以發現，整體上，對于直徑1.79～7.54 mm噴嘴，公式（1）的預測精度較高，誤差最大值為30.3%，平均誤差最大值為6.9%。對于直徑超過7.54 mm的噴嘴，3個經驗公式對噴灑半徑的預測精度和整體趨勢均不能正確反映試驗結果及趨勢。

將噴灑半徑試驗結果數據進行數據擬合，可獲得不同壓力條件下，噴嘴直徑與噴灑半徑之間的關系，呈拋物線分布，采用二次多項式擬合，決定系數均為0.8以上，說明擬合精度較高，擬合關系式可很好反映二者關系。

對于低壓旋轉折射式噴頭，研究試驗常采用的安裝高度有1.0、1.2、1.5、2.0、2.5 m。該類型噴頭的噴灑半徑范圍為5～10 m。在相同壓力和噴嘴的條件下，隨著安裝高度的變化（1.0～2.5 m范圍內），噴灑半徑的變化量基本在0.5～1.5 m范圍內[18,21,31]。因此，對于圖5中的噴灑半徑與噴嘴直徑相互關系的擬合公式，雖然在安裝高度1.0 m條件下獲得，但是可以將其作為其他常用安裝高度（1.0～2.5 m）噴頭研究的技術或工程應用依據。

2.3 水量分布均勻性

將不同壓力下系列噴嘴的噴灌試驗數據采用式（6）～（11）對均勻性系數進行計算，獲得噴嘴直徑與UCC之間的變化關系，如圖6所示。

單噴頭均勻性系數的計算結果表明，噴頭的克里斯琴森均勻系數UCC范圍為25%～75%。在98 kPa工作壓力下，除了直徑1.79、1.98 mm的噴嘴外，其余噴嘴的均勻性系數UCC在60%～75%之間。在196 kPa工作壓力下，則是只有直徑2.98、3.57 mm噴嘴的均勻性系數UCC低于40%，其余在40%～75%之間。在294 kPa工作壓力下，直徑小于3.57 mm的噴嘴，UCC范圍為25%～40%，直徑大于3.57 mm的噴嘴，UCC范圍為40%～67%。由于壓力的提高，在距離噴頭安裝位置比較近的區域獲得的小尺度的液滴增多，所以造成噴頭整體均勻性下降，特別是噴嘴直徑較小的條件下，霧化更為嚴重，以上分析待進一步的液滴實測試驗進行驗證。總體而言，對于同一噴嘴，294 kPa工作壓力的均勻性要低于196 kPa工作壓力下的均勻性，98 kPa工作壓力的均勻性系數最高。

圖6 不同噴嘴的單噴頭克里斯琴森均勻系數

單噴頭的均勻性系數對于噴頭設計與制造的國產化，提供了參考和依據。UCC和UCS的對應關系及擬合的直線，如圖7所示。

圖7 UCC與統計均勻系數（UCS）的關系

從圖7結果可知，UCC和UCS存在線性關系，但與GB/T 27612.3—2011推薦公式（式（12））有所差異。因此，在旋轉折射式噴頭設計和國產化過程中，可采用圖7中擬合關系式替代GB/T 27612.3—2011推薦關系式來衡量或確定噴頭產品水量分布均勻性。

3 結 論

本文以R3000型旋轉折射式噴頭為研究對象，配備6槽-12°紅色噴盤，噴頭安裝高度1 m，在98 、196和294 kPa 3種工作壓力下，采用36種噴嘴直徑，開展了噴頭水量分布特性試驗，分析和研究了噴嘴直徑對噴頭水量分布特征的影響，得到如下結論：

1）在3種工作壓力和1 m安裝高度條件下，使用全系列噴嘴的噴頭噴灑性能參數為：噴灑半徑為4～9 m，噴灌強度最大值范圍為4.80～83.16 mm/h，噴灌強度平均值范圍為1.79 ～44.56 mm/h，單噴頭的克里斯琴森均勻系數UCC范圍為25%～75%。

2）R3000噴頭的噴灑半徑隨噴嘴直徑增加并非呈單調遞增趨勢，當噴嘴直徑超過7.54 mm（對應38#噴嘴）后，隨噴嘴直徑增加噴灑半徑呈下降趨勢；通過對實測數據的數據進行擬合，擬合結果表明在一定工作壓力下噴灑半徑與噴嘴直徑呈近似拋物線關系。

3）對于R3000旋轉折射噴頭，在3種工作壓力下，噴灌強度最大值和平均值隨噴嘴直徑增大而增大；噴灌強度最大值和平均值均與噴嘴直徑呈明顯指數關系，擬合決定系數2均在0.95以上。初步判斷，低壓折射式噴頭的噴灌強度最大值和平均值與噴嘴直徑的存在指數關系。

[1] 劉俊萍，朱興業，袁壽其，等. 中國農業節水噴微灌裝備研究進展及發展趨勢[J]. 排灌機械工程學報，2022，40(1)：87-96.

Liu Junping, Zhu Xingye, Yuan Shouqi, et al. Research and development trend of agricultural water-saving sprinkler and micro-irrigation equipment in China[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2022, 40(1):87-96. (in Chinese with English abstract)

[2] 李仰斌，劉俊萍. 中國節水灌溉裝備與技術發展展望[J]. 排灌機械工程學報，2020，38(7)：738-742.

Li Yangbin, Liu Junping. Prospects for development of water-saving irrigation equipment and technology in China[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2020, 38(7): 738-742. (in Chinese with English abstract)

[3] 趙偉霞，李久生，栗巖峰. 大型噴灌機變量灌溉技術研究進展[J]. 農業工程學報，2016，32(13)：1-7.

Zhao Weixia, Li Jiusheng, Li Yanfeng. Review on variable rate irrigation with continuously moving sprinkler machines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(13):1-7. (in Chinese with English abstract)

[4] Yan H, Hui X, Li M, et al. Development in sprinkler irrigation technology in China[J]. Irrigation and Drainage, 2020, 69: 75-87.

[5] 侯永勝，董曉麗，嚴海軍，等. 圓形噴灌機噴頭選型及配置[J]. 農業工程，2021，11(10)：9-19.

Hou Yongsheng, Dong Xiaoli, Yan Haijun, et al. Nozzle select and configuration of center pivot sprinkler[J]. Agricultural Engineering, 2021, 11(10): 9-19. (in Chinese with English abstract)

[6] 劉俊萍，李紅，張前，等. 旋轉式噴頭空間流道設計及低壓水力性能試驗[J]. 農業工程學報，2022，38(5)：65-71.

Liu Junping, Li Hong, Zhang Qian, et al. Space flow channel design of rotary sprinkler and hydraulic performance experiments at low pressure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(5): 65-71. (in Chinese with English abstract)

[7] Chen R, Li H, Wang J, et al. Effects of pressure and nozzle size on the spray characteristics of low-pressure rotating sprinklers[J]. Water, 2020, 12(10): 2904.

[8] 朱興業，萬景紅，Alexander Fordjour，等. 旋轉折射式噴頭水量分布與噴灌均勻性試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(8)：145-152.

Zhu Xingye, Wan Jinghong, Alexander Fordjour, et al. Experiment of water distribution and uniformity of rotating plate sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(8): 145-152. (in Chinese with English abstract)

[9] Robles O, Latorre B, Zapata N, et al. Self-calibrated ballistic model for sprinkler irrigation with a field experiments data base[J]. Agricultural Water Management, 2019, 223(12): 105711.

[10] 張以升，朱德蘭，張林，等. 基于彈道軌跡方程的折射式噴頭水量分布計算模型[J]. 農業機械學報，2015，46(12)：55-61.

Zhang Yisheng, Zhu Delan, Zhang Lin, et al. Water distribution model of fixed spray slate sprinkler based on ballistic trajectory equation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(12): 55-61. (in Chinese with English abstract)

[11] Zhang Y, Guo J, Sun B, et al. Modeling and dynamic-simulating the water distribution of a fixed spray-plate sprinkler on a lateral-move sprinkler irrigation system[J]. Water, 2019, 11(11): 2296.

[12] Kincaid D C. Application rates from center pivot irrigation with current sprinkler types[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2005, 21(4): 605-610.

[13] Kincaid D C, Solomon K H, Oliphant J C. Drop size distributions for irrigation sprinklers[J]. Transactions of the ASAE, 1996, 39(3): 839-845.

[14] DeBoer D W. Drop and energy characteristics of a rotating spray-plate sprinkler[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2002, 128(3): 137-146.

[15] Faci J M, Salvador R, Playán E, et al. Comparison of fixed and rotating spray plate sprinklers[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2001, 127(4): 224-233.

[16] 嚴海軍，肖建偉，李文穎，等. 圓形噴灌機低壓阻尼噴頭水滴直徑分布規律的試驗研究[J]. 水利學報，2014，45(4)：467-473.

Yan Haijun, Xiao Jianwei, Li Wenying, et al. Droplet size distributions of low-pressure damping sprinklers used in center-pivot irrigation systems[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(4): 467-473. (in Chinese with English abstract)

[17] Liu J, Zhu X, Yuan S, et al. Hydraulic performance assessment of sprinkler irrigation with rotating spray plate sprinklers in indoor experiments[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2018, 144(8): 06018005.

[18] Ahmed M A M, Awaad M A, El-Ansary M Y, et al. Performance of rotating spray plate sprinklers[J]. Misr Journal of Agricultural Engineering, 2010, 27(2): 565-585.

[19] Al-agele H A, Mahapatra D M, Prestwich C, et al. Dynamic adjustment of center pivot nozzle height: an evaluation of center pivot water application pattern and the coefficient of uniformity[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2020, 36(5): 647-656.

[20] Espinosa E R J, González M D. Caracterización del emisor Rotatortm r3000 en condiciones aisladas[J]. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 2009, 18(2): 53-56.

[21] Sourell H, Faci J M, Playán E. Performance of rotating spray plate sprinklers in indoor experiments[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2003, 129(5): 376-380.

[22] Friso D, Bortolini L. Influence of the trajectory angle and nozzle height from the ground on water distribution radial curve of a sprinkler[J]. Journal of Agricultural Engineering, 2012, 43(1): 16-25.

[23] Sayyadi H, Nazemi A H, Sadraddini A A, et al. Characterising droplets and precipitation profiles of a fixed spray-plate sprinkler[J]. Biosystems Engineering, 2014, 119: 13-24.

[24] Robles Rovelo C O, Zapata Ruiz N, Burguete Tolosa J, et al. Characterization and simulation of a low-pressure rotator spray plate sprinkler used in center pivot irrigation systems[J]. Water, 2019, 11(8): 1684.

[25] 高江永，侯永勝，李衛星，等. 圓形噴灌機低壓阻尼噴頭水力性能試驗[J]. 農業工程，2016，6(4)：54-58.

Gao Jiangyong, Hou Yongsheng, Li Weixing, et al. Hydraulic Performance Test of Low Pressure Damping Nozzle for Circular Sprinkler[J]. Agricultural Engineering, 2016, 6(4): 54-58. (in Chinese with English abstract)

[26] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 農業灌溉設備噴頭第3部分：水量分布特性和試驗方法，GB/T 27612. 3- 2011 [S]. 北京：中國標準出版社，2011.

[27] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 農業灌溉設備旋轉式噴頭第1部分：結構和運行要求，GB/T 19795. 1- 2005 [S]. 北京：中國標準出版社，2005.

[28] 蔡振華. 中心支軸式噴灌機關鍵灌水組件開發及試驗研究[D]. 北京：中國農業機械化科學研究院，2009.

Cai Zhenhua. Development of Center Pivot Irrigation System Sprinkler Package and Experimental Study on Low Pressure Spray-head[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, 2009. (in Chinese with English abstract)

[29] Yan H J, Jin H Z, Qian Y C. Characterizing center pivot irrigation with fixed spray plate sprinklers[J]. Science China Technological Sciences, 2010, 53(5): 1398-1405.

[30] Kranz B, Yonts C D, Martin D L. Operating characteristics of center pivot sprinklers[M]. Cooperative Extension, University of Nebraska-Lincoln, 2005.

[31] 張以升，朱德蘭，宋博，等. 基于彈道理論有風條件下折射式噴頭噴灌均勻度研究[J]. 農業機械學報，2017，48(2)：91-97，81.

Zhang Yisheng, Zhu Delan, Song Bo, et al. Uniformity of fixed spray plate Sprinkler under windy condition based on ballistic simulation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(2): 91-97, 81. (in Chinese with English abstract)

Effects of nozzle diameter on water distribution for rotating spray-plate sprinkler

Gao Jiangyong, Zhang Tonglin, Hou Yongsheng, Li Junye

(1..,.,100083,; 2.--,100083,)

This study aims to deeply understand the influence of nozzle diameter on the water distribution characteristics of rotating spray plate sprinklers. The experiment was carried out in a windless indoor environment. An R3000 rotating spray plate sprinkler was selected as the research object with the 6-groove red spray plate and 36 nozzles (diameter 1.79-9.92 mm). The water distribution characteristics of rotating spray plate sprinkler under three working pressures of 98, 196, and 294 kPa were tested using radial collector arrays method. The results show that the radial water distribution patterns of 9#-38# nozzle (diameter 1.79-7.54 mm) presented a double hump curve under 98 kPa working pressure condition, while the patterns of 40#-50# nozzle (diameter 7.94-9.92 mm) was a single hump curve. The radial water distribution patterns of all nozzles showed a single hump curve under the working pressure of 196 and 294 kPa. The maximum was all the same as the radial position in the radial water distribution curves with the different diameter nozzles, which was basically the same as the first peak position under the working pressure of 98 kPa. The position was usually between 1.3 and 3.5 m away from the nozzle. The maximum and average values of water application rate increased with the increase of nozzle diameter. It was found that the maximum water application rate presented an exponential relationship with the nozzle diameter using curve fitting. An exponential relationship was found in the average value of water application rate with the nozzle diameter. The coefficients of determination (2) of the fitting formulas were above 0.95. There was exponentially related to the maximum and average value of water application rate and the nozzle diameter. However, the universal index relationship was further verified by the other structural forms of spray-plate. The spray radius was 4-7 m when the working pressure was 98 kPa. The spray radius was 5.5-9 m when the working pressure was 196 kPa. When the working pressure was 294 kPa, the spray radius was 5-9 m. There was no monotonic increase in the spray radius with the increase of nozzle diameter, while the nozzle diameter exceeded 7.54 mm (38# nozzle). The test showed that a parabolic model was established to determine the variation of the spray radius with the nozzle diameter under pressure. Three prediction models only applied to the rotating spray-plate sprinkler with a nozzle diameter of less than 7.54 mm. The prediction error was large after exceeding the diameter. There was a uniform decrease in the water distribution for the rotating spray plate sprinkler with the increase in working pressure. The water distribution uniformity of the single nozzle was more than 60%, under the pressure condition of 98 kPa, except for the 9# and 10# nozzle (diameter 1.79 and 1.98 mm). The water distribution of the R3000 rotating spray-plate sprinkler was approximately triangular (single hump curve) or a triangular combination distribution (double hump curve). The flow rate of nozzle was determined by the working pressure and nozzle diameter. The uniformity, the characteristics of the water distribution and the spraying radius depended on the structure and speed of the spray plate. Therefore, flat or multi-peak water distribution was the key goal to design the spray-plate structure in the rotating spray plate sprinkler for better spraying performance. The finding can provide the technical basis and reference for the optimization design, engineering application and product localization of low-pressure rotating spray plate sprinklers.

sprinkler; nozzle; sprinkler irrigation; rotating spray-plate sprinkler; wetted radius; water application rate; water distribution

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.010

S275.5

A

1002-6819(2022)-16-0090-08

高江永，張桐林，侯永勝，等. 噴嘴直徑對旋轉折射式噴頭水量分布特性的影響[J]. 農業工程學報，2022，38(16)：90-97.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.010 http://www.tcsae.org

Gao Jiangyong, Zhang Tonglin, Hou Yongsheng, et al. Effects of nozzle diameter on water distribution for rotating spray-plate sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 90-97. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.010 http://www.tcsae.org

2022-06-23

2022-08-06

河北省重點研發計劃（20327205D）；國家重點研發計劃(2017YFD0201502)

高江永，博士，高級工程師，研究方向為水力機械與水動力學、節水灌溉技術等。Email：gao_jiangyong@163.com