流道结构对非旋转折射式喷头水力性能影响的试验研究

杨 雯，朱德兰,2

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100； 2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100)

非旋转折射式喷头是一种广泛应用于我国移动式喷灌机组的喷灌设备，具有抗风性强、造价低和能耗小[1]等优点。工作时，射流离开喷嘴后，在散水盘流道中散水和消能以完成喷洒[2]，因此流道结构参数关系到整个非旋转折射式喷头的灌溉质量。

国内外学者对非旋转折射式喷头的研究已有很多重要成果。Faci等[3]对比了非旋转折射式喷头和旋转折射式喷头的水量分布模式、有风条件下的蒸发漂移损失和不同喷头间距下的组合均匀性系数。Yan等[4]研究了36流道喷盘Nelson D3000型喷头压力～流量关系、射程、有效湿润宽度和喷灌强度及在圆形喷灌机上进行了不同百分率计时器限制下的纵向和横向均匀性。Burillo等[5]通过试验获得不同喷嘴直径下近喷盘处的水滴速度和角度，并采用弹道轨迹模拟喷盘内部流速和能量损失。巩兴晖等[6]采用视频雨滴谱仪，分析了36流道喷盘Nelson D3000型喷头水滴直径沿射程的变化趋势，及水滴速度水滴角度与水滴直径之间的关系。以上对非旋转折射式喷头的研究中，主要集中在喷头水力性能的对比及评价方面，而通过散水盘流道结构设计，探究流道结构参数对非旋转折射式喷头水力性能影响的研究鲜有报到。

本文以非旋转折射式喷头为研究对象，通过散水盘流道长度、流道个数和流道出口形状设计，采用正交试验法测试并分析了单喷头水量分布，计算射程和2.5 m喷头间距下的组合均匀性系数，并运用极差分析法研究了流道结构参数对非旋转折射式喷头水力性能的影响规律。

1 材料与方法

1.1 非旋转折射式喷盘结构及试验设计

美国Nelson公司生产的D3000等系列非旋转折射式喷头采用一种固定散水盘的散水结构，如图1所示。图2为散水盘的结构示意图，流道结构参数包括流道长度、流道个数和流道出口形状等。

试验选择喷盘的流道长度、流道个数和流道出口形状为试验因素，每个因素设置3个水平，表1为试验因素水平表。在Pro/E绘图软件完成喷盘的三维造型，在西安交通大学快速制造国家工程研究中心采用SPS450B型激光快速成型机完成试件的加工(加工精0.1 mm)，图3为不同处理的散水盘三维实体图。

图1 D3000型喷头结构图

图2 非旋转折射式散水盘结构示意图

水平因 素流道长度/mm流道个数流道出口形状11018矩形2715Y形3412垭口形

图3 不同处理下散水盘三维实体图

1.2 试验装置与布置

单喷头移动水量分布试验在西北农林科技大学灌溉水力学试验厅进行。试验采用自行研制的单喷头移动喷灌装置，喷头安装高度2 m，工作压力50 kPa，管路压力通过0.4级精密压力表控制。试验时单喷头移动喷灌装置匀速行走，速度为120 m/h。在移动喷灌装置行走方向上布设3排雨量筒(直径11.2 cm，高度15.5 cm)，每排间距为0.5 m，相邻雨量筒间距为1 m，如图4所示。用秒表记录单喷头喷洒水进入雨量筒至离开雨量筒的时间，作为单喷头移动喷洒时间。采用称重法测量喷洒水的质量，取喷灌装置行走方向上3个测点水量的平均值作为该点处的喷水量，每组处理重复三次，取平均值作为结果。

图4 单喷头水量分布测试布置

2 结果与分析

2.1 单喷头水力性能

图5为喷盘流道长度分别为10、7、4 mm时，不同流道个数和流道出口形状下的水量分布。从图5可以看出，不同处理下的单喷头水量分布呈波浪形上下浮动，但波动的幅度和喷灌强度峰值有差异，处理1～9的喷灌强度峰值分别为24.73、32.05、24.97、22.50、26.40、18.27、16.87、26.54和17.66 mm/h。依据实测的单喷头水量分布，采用线性插值方法[7]，求出喷灌强度为0.15 mm/h的点至喷头中心的距离，作为喷头射程。处理1～9的射程分别为4.15、6.19、5.34、4.29、4.13、4.42、4.36、4.84和4.79 m。

图5 不同处理下单喷头移动水量分布曲线

采用极差分析法分析试验各因素水平的改变对射程和喷灌强度峰值的影响，如表2所示。从表2可以看出，流道长度L、流道个数N和流道出口形状S对射程影响的极差分别为：0.95、0.79和0.62，主次顺序依次为流道长度、流道个数、流道出口形状，由于较远的射程是喷头喷灌的主要技术要求之一，所以3个因素各水平的均值k最大的值是因素的最优水平，得到三因素的最优组合是L1N2S2。

表2 流道结构参数对射程R和喷灌强度峰值Hm影响的极差分析

注：L、N、S分别表示流道长度、流道个数和流道出口形状；K1、K2、K3表示各因素各不相同水平的流态指数或流量和；k1、k2、k3表示K1、K2、K3的均值；R表示各因素的极差，为各因素水平的最大平均值减去最小平均值的差值。表3同。

流道长度L、流道个数N和流道出口形状S对喷灌强度峰值影响的极差分别为：6.90、8.03和1.32，主次顺序依次为流道个数、流道长度、流道出口形状，由于喷灌强度峰值过大，会增加产生地表径流可能性，因此3个因素各水平的均值k最小的值是因素的最优水平，得到三因素的最优组合是L3N3S3。且从流道长度各水平的均值k可以看出，随着流道长度的减小，喷灌强度峰值逐渐降低。

2.2 组合喷洒均匀性系数

非旋转折射式喷头组合间距经济合理的范围不大于3 m[2]，选取非旋转折射式喷头常用组合间距2.5 m，采用直接叠加法，得到组合喷头水量分布，组合叠加方法[3]如图6所示(以处理1为例)。再采用Christiansen计算法[8]求得处理1～9的喷洒组合均匀性系数，依次为94.62%、79.13%、80.10%、91.93%、76.85%、93.30%、90.53%、76.28%和85.23%。其中，处理1、处理4、处理6、处理7、处理9的组合均匀性系数均大于85%以上，符合我国喷灌工程技术规范[9]规定的行喷式喷灌均匀度不应低于85%的要求，而其他处理的喷灌均匀度相对较低，但均大于75%，这由于在相同的喷头组合间距下，单喷头水量分布不同所致。

图6 喷头间距为2.5 m时组合水量分布叠加方法示意图

采用极差分析法分析试验各因素水平的改变对组合喷洒均匀性系数的影响，如表3所示。从表3可以看出，流道长度L、流道个数N和流道出口形状S对组合喷洒均匀性系数影响的极差分别为：3.55、14.94和0.14，主次顺

表3 流道结构参数对喷洒组合均匀性系数Cu影响的极差分析

序依次为流道个数、流道长度、流道出口形状，由于组合喷洒均匀性系数越高，喷灌效果越好，所以3个因素各水平的均值k最大的值是因素的最优水平，得到三因素的最优组合是L2N1S1。

3 结 语

不同流道长度、流道个数和流道出口形状非旋转折射式喷头的单喷头水量分布呈波浪形上下浮动，但波动的幅度有差异。流道结构参数对射程影响的主次顺序为流道长度、流道个数、流道出口形状，对喷灌强度峰值影响的主次顺序为流道个数、流道长度、流道出口形状。随着流道长度的减小，喷灌强度峰值逐渐降低。流道结构参数对组合喷洒均匀性系数影响的主次顺序为流道个数、流道长度、流道出口形状。

[1] Yan H J, Bai G, He J Q, et al. Influence of droplet kinetic energy flux density from fixed spray-plate sprinklers on soil infiltration, runoff and sediment yield[J]. Biosystems Engineering, 2011,110(2):213-221.

[2] 蔡振华. 中心支轴式喷灌机关键灌水组件开发及试验研究[D]. 北京：中国农业机械化科学研究院, 2009.

[3] 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.

[4] 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):1 398-1 405.

[5] Sánchez Burillo G, Delirhasannia R, Playán E, et al. Initial drop velocity in a fixed spray plate sprinkler[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2013,139(7):521-531.

[6] 巩兴晖, 朱德兰, 张 林, 等. 基于2DVD的非旋转折射式喷头水滴直径分布规律[J]. 农业机械学报, 2014,45(8):128-133.

[7] 柴春岭,杨路华, 脱云飞,等. 可调式微喷头出水口流道形式对喷洒水性能影响的试验研究[J].农业工程学报,2005,21(3):17-20.

[8] Christiansen J E. Irrigation by sprinkling[California Agricultural Experiment Station Bull.No.670][R]. Davis: California University, 1942.

[9] GB/T50085-2007，喷灌工程技术规范[S]．