新型五嘴雾化喷头喷灌强度及水量空间变化规律研究

黄洋漫，朱德兰

（西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100）

0 引言

新型五嘴雾化喷头结构简单，安装拆卸方便，适用于农业芽菜类扦插育苗灌溉技术等领域，是雾化效果较好的一种喷头。相较常见的四出口雾化喷头，新型五嘴雾化喷头的单喷头为新型伞形喷射微喷头，喷雾范围更大，雾化更强，避免了雾化喷头下方出现喷不到的死角现象，雾化范围更均衡，可通过旋转喷嘴调节喷幅大小及关闭喷头。但是当喷头里的水束射出以后，要是扩散地不充分，就会造成喷灌水量集中，产生峰值非常大的水量[1-2]，易产生地表径流，降低水分利用率。

国内外学者对不同类型喷头水量分布做了大量研究。Kincaid[3]采用安装Nelson 型喷头的喷灌机进行室外试验，分析不同类型的喷头灌水强度及水量峰值，并提出有关峰值水量的计算方法，为到地表径流的预测提供参考。Kohl 等[4]在现有的研究中发现喷灌水的落地动能和喷灌压力有着密切的关系，当压力达到最大时落地的动能也随之增大。张以升等[5]对Nelson D3000 型蓝色喷盘、喷嘴直径4.76 mm 的喷头进行试验，建立了不同工况下水量峰值、能量峰值与工作压力及喷灌高度的回归关系式。杨雯等[6]对非折射式喷头进行研究，提出单一流道结构非旋转折射式喷头水量分布及均匀性与流道出射角之间的关系。

此前研究的喷头大多是已被广泛应用的常见喷头，并且大多数都是在同一个高度下安装的，通过改变喷嘴的直径和喷头工作时的压力来实现喷灌时的水量变化，然而对于不同的峰值水量高度下空间扩散研究较少。本文欲在不同工况下，根据单喷头的喷洒水量以及喷灌的强度等作为指标来进行分析水量的分布和扩散的规律，减小喷洒时的峰值区域对于土壤以及作物的伤害，提出关于喷头合理的高度以及雾化指标。

1 材料与方法

1.1 试验设计

参照国家标准的GB/T 19795.2-2005[7]来进行试验，采用方格形来布置雨量盒（规格：10 cm×10 cm×10 cm），喷头之间的构造是相对应的，布置的间距为0.1 m×0.1 m，以微喷头为中心进行计算，测量区范围为90°以内，测试的时间为1 h，进行3 次以上的重复测试。测试喷头的高度设置值分别是0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m 和2.5 m 5 个水平，分别在100 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa 5 个工作压力下测定五嘴雾化喷头喷洒水量、喷灌强度等指标。见图1。

图1 单喷头水量分布试验装置

1.2 测试指标与测试方法

1.2.1 测试喷灌强度

按照喷洒质量强度的要求，五嘴喷头在喷洒的区域内某一处水喷灌强度，按照式（1）和式（2）来进行计算：

式中：h 表示为喷灌的强度，mm/h；W 表示得是雨量盒内水体积的3 次平均测量值，cm3/s；A 是筒开口雨量的面积，cm2；t 是喷头的喷洒时间；h 为雨量筒内的水体积；Wi，cm3。

1.2.2 喷灌均匀度

喷灌均匀度用来判别喷灌面积上水量分布情况，是喷头灌溉质量评价的关键性能指标[8]。按式（3）计算单喷头流量偏差系数[9]：

式中：CVq为单喷头流量偏差系数，CVq值越大，喷灌均匀度越高，0＜CVq＜1；N 为喷洒区域内雨量盒的个数；qi为同一时间内各雨量盒收集水的体积，cm3；为喷洒区域内同一时间内各雨量盒收集水体积的算术平均值，cm3。

2 结果与分析

2.1 安装高度和工作压力对单喷头喷灌均匀度的影响

图2 流量偏差系数变化柱状图

图2 为不同安装高度和工作压力下流量偏差系数变化柱状图。从图中可以看出，喷头安装高度和工作压力对单喷头喷灌均匀度有一定影响。同一安装高度下，流量偏差系数随着工作压力的增大，呈现出先增大后减小的变化趋势；同一工作压力下，流量偏差系数随着安装高度的增大呈波浪形上下浮动。五嘴雾化喷头在0.5 m 安装高度、200 kPa 工作压力下，流量偏差系数最大，喷灌均匀度最大。

2.2 喷灌强度变化规律

2.2.1 水量分布变化

为了计算出五嘴雾化喷头在90°喷洒范围内的有效喷射面积，以最外侧的自计雨量盒来检测降雨量为零的边界［1］，确定喷头喷洒区域的有效宽度，分析其喷射的距离以及喷洒时的幅宽度，根据在0.5 m～2.5 m 的安装高度，且工作压力分别为100 kPa～300 kPa 的情况下水量分布曲线，来分析试验结果。

通过增大相同安装高度时的水压进行试验。安装高度为0.5 m，且工作压力分别为100 kPa～300 kPa，最大平均喷灌强度分别为，6.06 mm/h、6.72 mm/h、6.20 mm/h、6.57 mm/h、7.44 mm/h;安装高度升高至1.5 m 时，喷灌强度减弱，其值分别为4.80 mm/h、4.64 mm/h、5.27 mm/h、5.14 mm/h、6.76 mm/h。当喷头离地面2.5 m时在不同的压力下，喷灌的强度在3.0 mm/h 左右之内。

因此可知，在不同工作压力和安装高度下，喷头水量均集中分布在距喷头0.3 m～0.5 m 处。

2.2.2 峰值水量变化

通过喷头在不同的安装高度时峰值喷灌强度变化柱状图（图3）可以看出，在相同压力下，喷头安装高度为0.5 m，喷灌强度的最大峰值为7.44 mm/h。喷头安装高度升至1 m 时，喷灌强度的峰值降低幅度较大。但是当喷头安装高度为1.0 m～2.0 m时，喷灌强度的峰值降低幅度会相对比较小。安装高度继续升高，喷灌强度的峰值升高，相应的喷灌强度峰值分别为3.45 mm/h、3.62 mm/h、3.83 mm/h、4.92 mm/h。此处，可以看出喷头安装在0.5 m 喷灌高度时，峰值水量强度大大增加，对土壤结构造成严重破坏，因此0.5 m 喷灌高度是最不利的。但高度相同，随着压力增大，峰值水量强度呈现出先增大后减小的趋势，变化效果并不明显，所以通过增大喷头流量就可以弥补水分扩散而造成的喷灌强度减小，避免损失。

图3 峰值喷灌强度变化柱状图

2.2.3 喷灌水扩散分析

Kincaid 等［3］采用峰值喷灌的强度以及平均的喷灌强度的比值r 来进行分析，在喷灌水的空间来计算扩散规律，用其来表达的方式为：

式中：r 是作为水量的扩散系数，其值越是接近1 其扩散就越均匀；Rp是用来表示峰值喷灌的强度，mm/h；Ra是用来表示平均喷灌的强度，mm/h。

Ra是作为单位时间内的喷头喷洒水量值以及在所控的面积比值，即：

式中：Q 为流量，L/s。

由公式（4）和（5）以及（6），可得出在不同工况下的水量扩散系数为：

利用公式（7）来计算在不同工况下的r 值，结果见表1。

表1 不同工况下水量扩散系数

射流水舌碎裂的主要原因是水分扩散。在相同的压力下，随着高度的增加，延长了雨滴在空气中的运动时间，碎裂比较充分，小粒径液滴的比例增大，但是当较大的液滴碎裂时会产生较小粒径的雨滴，改变原来的飞行轨迹，这样会使水量充分扩散；当高度相同时，随着压力的增大，射流的流速变大，高速的水流会在空气当中摩擦变形，当水舌的碎裂比较充分时，会产生很多的小粒径液滴而发生扩散。

当安装高度为0.5 m，工作压力为100 kPa 时，r 值最大扩散是最不均匀的；安装高度为2 m 且工作压力为250 kPa 时，r 值为最小。工作压力增大时，可以通过提升安装喷头的高度降低r 值，使喷灌的水滴在空中充分碎裂，扩散均匀，但是这样也会大大增加喷灌成本。故可以选择一种低压力且安装高度较高的喷头。

3 结语

1）不同喷头安装高度和工作压力下，五嘴雾化喷头最大的区别是喷灌的均匀度。流量偏差系数在同一安装高度下会随着压力先增大后减小；同一工作压力下，流量偏差系数随着安装高度的增大呈波浪形上下浮动。因此可知五嘴雾化喷头，0.5 m 安装高度、200 kPa 工作压力下，流量偏差系数最大，即喷灌均匀度最大。

2）喷头安装高度和工作压力对喷头喷灌强度都有一定影响。喷头同一工作压力下，随着喷灌安装高度的升高，喷灌强度减弱；喷头相同安装高度下，随着喷灌工作压力的增大，喷灌强度呈现出波浪形的浮动上下变化，效果并不明显。但是喷头无论在哪一种工作压力和安装高度下，喷头水量均集中分布在距喷头0.3 m～0.5 m 处，由此可知喷头安装高度太低会导致较高的峰值喷灌强度，会对土壤以及作物造成不利影响。只有适当提高喷头安装高度，减小工作压力，才能保证较低的喷灌峰值强度和适宜的水滴打击强度。

3）喷灌水量的扩散与安装喷头的高度和工作时的压力有着密切的关系。安装高度较高、工作压力也较大时，有利于射流水舌的碎裂，水量的扩散也会比较均匀，但是灌溉成本比较大。因此为了增大水分扩散，降低灌溉成本，可以选择一种工作压力较低、且安装高度较高的喷头。