双喷嘴负压反馈射流喷头水力性能研究

2019-12-06王新坤薛子龙徐胜荣樊二东张晨曦

农业机械学报 2019年11期

王新坤薛子龙徐胜荣樊二东王轩张晨曦

(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，镇江 212013)

0 引言

我国农业生产耗水量较大，需要大力发展节水灌溉农业装备，以提高水资源的利用率。喷灌是指利用压力装置和喷灌喷头对农田作物进行喷洒的灌溉方式，是一项先进的节水灌溉技术[1-3]。喷头是喷灌系统的核心设备，其性能直接影响喷灌系统整体的喷灌效果。摇臂式喷头广泛应用于大田喷灌、露天苗圃、果菜园和园艺场等场所，是使用最广泛、性能最稳定的喷头之一[4-5]。喷灌均匀度是喷头设计的一项重要技术指标，涉及到灌水质量与项目资金投入[6]，通过改变喷头结构与组合方式能够有效提高喷灌均匀度[7-9]。针对摇臂式喷头工作不稳定的问题，研究人员对喷头的驱动机制与工作参数进行了相关研究[10-12]。目前，对摇臂式喷头结构设计、布置方式和喷灌的研究已较为成熟，但其仍存在结构复杂、使用寿命短的问题，且尚未见负压反馈式射流喷头的研究报道。

为了简化喷头结构，本文通过射流反馈技术[13-14]设计一款负压反馈射流喷灌喷头(简称射流喷头)。该喷头利用射流附壁效应[15]在主副喷管间形成脉冲振荡水流，通过脉冲射流间歇性击打驱动板来实现喷头步进式旋转喷洒。射流喷头的主喷嘴提供射程较远的射流，副喷嘴射流击打与之相连的驱动板，将完整连续射流破碎成小水滴，提供射程较近的射流，同时为喷头提供了旋转驱动力，从而实现全圆旋转。通过研究不同主副喷嘴直径组合下射流喷头的水力性能，优选出综合性能较好的射流喷头。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置包括负压反馈射流喷头、PY210摇臂式喷头(简称摇臂喷头)、离心泵、高速摄影仪、输水管、阀门、0.25级精度压力表、秒表、喷头、雨量筒和皮卷尺等。负压反馈射流喷头由射流元件、喷管、喷嘴、旋转密封机构组成，如图1所示。射流元件为喷头的核心部分，其进口部分与旋转机构连接，左右流道分别与主副喷管连接，其中副喷管上设有矩形驱动板。射流元件整体由上盖板和下盖板组成，上盖板设有2个反馈口，并通过硅胶控制管相连。射流喷头工作时，由卷吸作用[16]产生的负压通过硅胶管在左右控制道之间传递，从而实现射流在左右流道内的规律切换。为了能更好观察射流在喷头内的工作方式，喷头加工材料选择为有机透明玻璃。

图1 负压反馈射流喷头Fig.1 Negative pressure feedback jet sprinkler1.旋转密封机构 2.射流元件进口 3.反馈口 4.分流劈 5.副喷管 6.主喷管 7.主喷嘴 8.副喷嘴 9.驱动板

本文对主喷嘴直径分别为3、4、5 mm的射流喷头进行水力性能试验，并与摇臂喷头进行对比。对双喷嘴喷头而言，由于副喷嘴主要是对中近射程的喷洒水量进行补偿，因此主喷嘴直径一般大于或等于副喷嘴直径，本文研究对象为主副喷嘴直径组合3 mm×3 mm、4 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×3 mm、5 mm×4 mm和5 mm×5 mm的喷头。除喷嘴外，试验所用射流喷头结构尺寸均相同，主要结构参数：主喷管长度5.6 mm，副喷管长度4.8 mm，喷射仰角30°。

1.2 试验方法

图2 试验示意图Fig.2 Test schematic1.水泵 2.阀门 3.压力表 4.喷头 5.雨量筒 6.皮尺

射流喷头水力性能试验在江苏大学喷灌实验室内进行，该实验室直径为44 m，试验场地平整，最大坡度小于1%，室内为无风环境。试验样机选取主副喷嘴直径为3 mm×3 mm、4 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×3 mm、5 mm×4 mm和5 mm×5 mm的6组射流喷头，喷头安装高度1.2 m，在进口压力分别为0.20、0.25、0.30、0.35 MPa时做全圆喷洒。喷头进口压力由安放在低于喷头0.5 m处的0.25级精度压力表测量，脉冲性能与步进方式由高速摄影仪拍摄记录。射程由皮卷尺测出，喷灌强度与喷灌均匀度由开口直径为22 cm、高度0.6 m的雨量筒以0.5 m间距按径向布置测得。在喷头稳定转动5 min后开始试验，每次试验时间为20 min，具体操作参照GB/T 22999—2008[17]。为降低试验误差，每组试验重复3次取平均值，图2为试验示意图。

1.3 水力性能评价方法

射程、喷灌强度和喷灌均匀度是评价喷头水力性能的几个重要参数指标。

1.3.1射程

射程是喷灌设备的重要性能参数，它决定了喷头的喷洒湿润圆半径，直接影响了喷头组合间距、支管数量、管道间距等，其计算公式[18-19]有以喷嘴出口流速和喷嘴出口流量两种表示形式

(1)

(2)

(3)

式中R——喷头射程，m

α——喷头的喷射仰角

v——喷嘴出口流速，m/s

φ——速度系数

g——重力加速度，m/s2

H——喷头的进口压力，kPa

u——孔口系数

Q——喷嘴出流量，m3/s

d——孔口直径，m

1.3.2喷灌均匀度

喷灌均匀度指喷洒域内水量分布的均匀程度，它与喷头的水量分布、喷头结构和转速有关。我国制定的《喷灌工程技术规范》[20]中通过Christiansen[21-23]计算法，用喷灌均匀性系数来表示喷灌均匀度，计算公式为

(4)

式中Cu——喷灌均匀性系数,%

hi——第i个测点的降水深，mm

n——测点数目

1.3.3平均喷灌强度

假设喷灌区域内每点代表的面积相等，平均喷灌强度反映了控制面积内所有点单位时间内喷灌强度的平均值。本文试验时雨量筒大小相同且分布距离相等，可以看成面积相同的点，平均喷灌强度计算公式[24]为

(5)

pi——第i个雨量筒喷灌强度，mm/h

n′——雨量筒数量

2 结果与分析

当进口压力为0.20、0.25、0.30、0.35 MPa时，由于5 mm×3 mm射流喷头主副喷嘴直径差较大，3 mm×3 mm射流喷头主副喷嘴直径过小，两组射流喷头的副喷嘴流量和旋转驱动力过小，因此均不能正常工作。当进口压力为0.20 MPa时，4 mm×3 mm射流喷头因为副喷嘴流量和旋转驱动力过小，喷头亦不能正常工作。本文主要研究4 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×4 mm、5 mm×5 mm和摇臂喷头在上述4种进口压力下的水力性能。

2.1 脉冲性能

射流喷头的脉冲频率较大，本文利用i-Speed3型摄像机(帧率10 000 f/s，焦距50 mm)观察射流喷头的脉冲性能，试验光源采用120 W LED白光灯，观测结果如图3所示。

图3 不同射流状态Fig.3 Different jet states

图3a和图3b是射流喷头不安装喷嘴时的出流状态，可以看出喷嘴出流主要有连续与断裂两种状态，射流连续时以较均匀水柱射出，射流断裂时以“Z”字形状态射出，射流断裂时为水流在射流喷头主副喷管内切换时刻。图3c与图3d是射流喷头安装喷嘴后的出流状态，发现喷嘴射流为稳定出流和破碎加剧两种状态，此时射流并没有出现明显的断裂状态，主要是因为安装喷嘴使出流更加稳定，并且喷嘴对射流元件的反馈压力会加快射流的脉冲频率，因此观察不到明显断裂过程。射流喷嘴的出流为间歇、振荡式的，通过击打驱动板提供的旋转驱动力亦是间断、不连续的，因此射流的脉冲频率就是喷头的旋转步进频率。

2.2 水量分布

当进口压力分别为0.20、0.25、0.30、0.35 MPa时，各组喷头水量分布曲线如图4所示。由图可以看出，4 mm×3 mm、4 mm×4 mm和5 mm×4 mm射流喷头在上述4种进口压力下，雨量筒水深在0.1～2.9 mm之间，水量分布曲线整体上呈“三角形”，在雨量筒距喷头约2 m和12 m处有两个水量峰值。副喷嘴射流击打驱动板后破碎成小水滴，射程主要在1～8 m之间，水量分布较广且较均匀；由于喷头喷洒路径为抛物线，0～1 m范围内喷头存在喷洒死角，因此基本无水量；1～2 m范围内，副喷嘴提供的水量逐渐增多，呈较快上升趋势，2～8 m范围内水量逐渐减少，呈较慢下降趋势，在约2 m处有一水量峰值。主喷嘴的射流较为集中，射程主要在9～13 m之间，在雨量筒距喷头约12 m处有另一水量峰值。

5 mm×5 mm射流喷头降水深范围为0.1～2.8 mm，其水量分布呈“梯形”，此喷头主副喷嘴直径较大，主喷嘴前水头与其他喷头相比较小，因此射程较短，喷头中近处降水量较多，远处降水量较少，因此没有明显水量峰值。摇臂喷头降水在0.1～2.7 mm之间，在不同进口压力下，水量分布曲线形状变化不大，基本呈梯形分布。

图4 不同喷嘴直径射流喷头的水量分布Fig.4 Water distribution diagrams of jet sprinkler with different nozzle diameters

2.3 射程、喷灌均匀性系数和喷灌强度

在不同进口压力下，将各组喷头的射程、喷灌均匀性系数和喷灌强度试验结果绘制成曲线，如图5所示。从图5a可以看出，在同组喷头试验中，喷头射程随进口压力增加而递增，其中5 mm×4 mm与4 mm×3 mm射流喷头射程较远，分别为13.2～13.7 m和13.8～15.0 m，摇臂喷头射程最短，在10.7～12.5 m之间。依据式(1)～(3)分析可知，喷头的射程不仅与射流速度有关，而且与喷头流量有关。当喷嘴直径过大时，喷嘴前水头会变小，则射流速度减慢，导致射程变短；当喷嘴直径过小时，虽然喷嘴前水流会变大，但喷嘴流量减小幅度过大，同样也会导致射程变短；5 mm×4 mm、4 mm×3 mm喷头的喷嘴直径大小适中，射流速度和流量较大，因此射程也较远。由于射流喷头的喷嘴内能够产生脉冲水流，水流具有较大动能，因此射程均比摇臂喷头远。

图5 各组喷头的其他水力性能Fig.5 Other hydraulic performance of each group of nozzles

由图5b看出，在4种进口压力下各喷头喷灌均匀性系数在72.0%～87.5%之间，其中4 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×4 mm射流喷头与摇臂喷头的喷灌均匀性系数相差不大，分别为81.7%～83.5%、81.5%～84.1%、82.5%～86.0%和80.2%～87.5%。射流喷头喷灌均匀性系数随进口压力增加无明显变化规律，摇臂式喷头喷灌均匀性系数随进口压力增加而递增。5 mm×5 mm射流喷头在进口压力为0.20 MPa时的喷灌均匀性系数为72.0%，当进口压力为0.25、0.30、0.35 MPa时，其喷灌均匀性系数变化较小，保持在78.3%～80.2%之间。喷头进口压力过低时，喷嘴直径为5 mm×5 mm喷头的射流速度较缓，副喷嘴击打驱动板形成小水滴的直径过大，水量分布较集中，因此喷灌均匀性系数较低。

依据式(5)算出各组喷头的平均喷灌强度如图5c所示，所有喷头的平均喷灌强度变化范围在2.2～4.6 mm/h之间，摇臂喷头、5 mm×5 mm和5 mm×4 mm射流喷头平均喷灌强度较大，分别在4.11～4.68 mm/h、4.35～4.74 mm/h和3.81～4.38 mm/h之间。图5d为各组喷头的最大喷灌强度，其中摇臂喷头、5 mm×4 mm和5 mm×5 mm射流喷头最大喷灌强度较大，分别在6.3～8.3 mm/h、7.5～8.9 mm/h和7.8～9.3 mm/h之间。整体来讲，射流喷头与摇臂喷头的平均喷灌强度随喷嘴直径增加而递增，与进口压力无明显联系；而喷头喷嘴直径与进口压力变大时，各喷头的最大喷灌强度均随之递增。