异形流道出口折射式喷头水力性能试验与评价

杨 雯，朱德兰

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

低压折射式喷头在我国移动式喷灌系统应用广泛[1-3]。较远的射程、较低的喷灌强度和较高的喷洒均匀性系数，是喷头喷灌的主要技术要求。低压折射式喷头工作时，水流由喷嘴打击喷盘，经喷盘流道对水流的减速和消能，在流道尾部分散成多股射流抛出，直至喷洒至地表[4]。因此，喷盘流道对折射式喷头完成喷灌有重要意义。

李桂芬[5]等分析了窄缝挑坎出口断面为矩形、梯形、Y形、垭口形和不对称形式时的消能效果。柴春岭[6]等改进了可调式微喷头的3种出水口流道形式，试验并分析了不同压力下的微喷头的微喷灌质量指标。Kohl[7]等探究了低压农用喷头的喷嘴直径、工作压力以及喷盘表面几何参数对喷头水滴直径的影响。韩文霆[8]等研究了工作压力、喷头组合方式和插值方法对喷灌均匀系数CU和分布均匀系数DU的影响规律。而目前对低压折射式喷头的研究中，基于折射式喷头流道水流消能与窄缝消能的相似之处，通过设计和测试异形流道出口折射式喷头的水力性能，并对其进行综合评价的研究较少。

本文设计了3种流道出口折射式喷头，测试并分析其单喷头移动水量分布，计算出射程和不同喷头间距下的组合均匀性系数，采用综合评分法分析了流道出口形状、工作压力、喷嘴直径和组合间距对射程、喷灌强度峰值和组合均匀性系数的影响，并提出喷头水力性能最优的因素组合。

1 材料与方法

1.1 异形流道出口结构设计

在Pro/E三维造型软件中，设计出矩形、Y形、垭口形3种异形流道出口的折射式喷头喷盘，三维实体图如图1所示。按照相同压力下流道出口面积相同原则，确定异形流道出口的尺寸，如图2所示。为了仅对比不同流道出口形状下喷头的水力性能，喷盘其他流道结构参数均相同。

图1 异形流道出口喷盘三维图Fig.1 Three dimensional drawings of the fixed spray plate sprinkler of difform out let flow channel

图2 异形流道出口结构示意图(单位：mm)Fig.2 The fixed spray plate sprinkler of difform out let flow channel maps

1.2 试验方案

将喷嘴直径、工作压力及流道出口形状设为试验因素，每个因素分别设置3个水平，选取正交试验表L9(34)进行排布，最后1列为空列，共9个处理，如表1所示。

1.3 试验装置与步骤

单喷头移动水量分布试验在国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心的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，管路压力通过0.4级精密压力表(西安仪表厂)控制。

表1 试验因素与水平Tab.1 Experimental parameters and levels

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3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测点处的喷水量，每组处理重复3次，取平均值作为结果。

图3 单喷头水量分布测试布置Fig.3 Experimental layout of water distribution of the individual sprinkler

2 结果与分析

2.1 单喷头移动水量分布

图4为不同处理下的单喷头移动水量分布曲线。从图4可以看出，不同处理下的单喷头移动水量分布形式有差异，主要表现在各处理的水量集中于喷洒范围的区域不同，喷灌强度峰值不同。处理1和处理2的水量随喷洒射程的增加呈波浪形浮动，喷灌强度峰值较大。处理3的中部水量较少，水量主要集中在近喷头处和喷洒射程尾部，喷灌强度峰值最高，可达40.68 mm/h，水量分布不均匀。处理4、5和处理6的水量主要集中于射程的中部和尾部。 处理7、8和处理9的大部分水量分布于近喷头处和射程中部，且处理8和处理9的喷灌强度变化比较平稳，喷灌强度峰值较小，水量分布较均匀。

图4 不同处理下单喷头移动水量分布曲线Fig.4 Moving water distribution curves for the individual sprinkler with different treatments

根据单喷头移动水量分布，采用线性插值，将从喷洒半径末端喷灌强度为0.15 mm/h的点至喷头距离，作为喷头射程，则处理1～9的射程分别为5.47、5.98、6.45、5.46、5.93、5.97、5.41、5.43、5.97 m。单因素方差分析结果显示，喷嘴直径、工作压力和流道出口形状对射程均呈显著影响。

2.2 组合喷灌均匀性

选取折射式喷头常用组合间距2.5、3.5和4.5 m，采用直接叠加法，将单喷头移动水量分布数据根据不同间距进行叠加，得到组合喷头水量分布，以处理1为例说明单喷头移动水量分布的组合叠加方式，如图5所示。再利用Christiansen计算法[9]求出组合均匀性系数，结果如表2所示。从表2可以看出，相同喷头间距下，处理9的组合均匀性系数最高，均大于85%以上，符合我国喷灌工程技术规范[10]规定喷灌均匀度不应低于75%，行喷式喷灌均匀度不应低于85%的要求；而处理6、7和处理8仅在喷头间距较小时，组合均匀性系数才能满足大于85%的要求；其他处理不同喷头间距下其组合均匀性系数均低于85%，但在喷头间距较小时，组合均匀性系数基本在75%以上。

图5 喷头不同组合间距下组合水量分布叠加方法Fig.5 Scheme mathematical procedure for overlapping of spray sprinklers with different spaces

Tab. 2 Combined uniformity coefficient for spray sprinklers with different spaces

2.3 基于综合加权评分法的喷头水力性能评价

喷头射程决定着某个位置上的喷灌面积、喷灌效率等[11]，适宜的喷灌强度峰值对避免产生地表径流有利，而喷灌均匀性系数是保证作物均匀生长和合理用水的必要条件，所以射程、喷灌强度分支与喷洒均匀性指标同等重要。本文采用综合评分法[12-14]在不同组合间距下对各流道出射角喷头的水力性能进行分析。由于喷头间距影响了组合喷洒均匀性和配置于喷灌机的喷头个数，进而影响喷头的喷洒效果和经济运行成本，因此将喷头组合间距也作为评价因素之一，表3为评价因素水平，表4为评价方案。

表3 评价因素与水平Tab.3 Evaluation parameters and levels

表4 评价方案Tab.4 Evaluation scheme

根据评价指标的重要程度及经验，射程、喷灌强度峰值、组合均匀性系数的权值分别为w1=w2=w3=1。由于3个评价指标值数量级不同，同时射程与组合均匀性系数越大，喷灌强度峰值越低，喷洒效果越好，所以取转化系数分别为c1=1，c2=-200，c3=10，使射程、喷灌强度峰值和组合均匀性系数的数量相当。由直接加权法，ak=ckwk，则综合评分为：

y*i=yi1-200yi2+10yi3

(1)

式中：yi1为射程，m；yi2为喷灌强度峰值，mm/h；yi3为组合均匀性系数，%。

表5为直观分析评价结果。由表5可以看出，根据综合加权评分值越大越好的原则，使射程最远、喷灌强度峰值最低且组合均匀性系数最高的最优组合为第9号评价方案，即喷头喷嘴直径为2.98 mm，喷盘流道出口形状为Y形，喷头组合间距为2.5 m，工作压力为100 kPa时，喷洒效果最佳。

表5 直观分析评价结果Tab.5 Evaluation results of intuitive analysis

将y*i作为直观分析评价进行指标极差计算分析如表6所示。由表6可以看出，影响非旋转折射式喷头射程、喷灌强度峰值与组合均匀性系数因素的主次顺序分别为A>C>D>B，即喷嘴直径>流道出口形状>喷头组合间距>工作压力。

表6 多指标评价结果分析Tab.6 Analysis of multi-index evaluation results

3 结 语

(1)不同喷嘴直径、工作压力和流道出口形状的单喷头移动水量分布形式有差异，主要表现在水量集中于喷洒范围的区域不同，喷灌强度峰值不同。喷嘴直径、工作压力和流道出口形状对喷头射程均呈显著影响。相同喷头间距下，喷嘴直径为2.98 mm，工作压力为100 kPa，流道出口形状为Y形折射式喷头的组合均匀性系数均高于85%。

(2)基于综合评分法，得到各因素对射程、喷灌强度峰值和组合均匀性系数的综合评价指标影响的主次顺序为：喷嘴直径、流道出口形状、喷头组合间距、工作压力；使射程最远、喷灌强度峰值最低且组合均匀性系数最高的最优组合为：喷嘴直径为2.98 mm，喷盘流道出口形状为Y形，喷头组合间距为2.5 m，工作压力为100 kPa。

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