20PY2摇臂喷头掺气情况下的低压喷灌效果

2022-01-27许正典李红向清江王金辉蒋跃刘俊

排灌机械工程学报 2022年1期

许正典，李红，向清江，王金辉，蒋跃，刘俊

(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏镇江 212013)

气液两相射流形式具有一定的雾化性能，可改善喷嘴液滴颗粒及其分布效果，在内燃机燃油喷射[1-3]、工业除尘[4]、农药喷雾[5]和农业灌溉[6-7]等领域或场合得到广泛的应用.在农业喷灌中，为了改善摇臂喷头喷灌的均匀性，部分学者提出喷头流道增加副喷嘴和改进稳流等[8]的优化方法，但低压灌溉效果不佳.为此，向清江等[9-10]提出把气液两相射流理论应用于低压农业喷灌，在原有摇臂喷头结构基础上加入掺气结构，即把掺气管与原摇臂喷头收缩段同轴度重合，掺气管端口连通空气；为喷头供水时，喷嘴处的水射流环绕掺气管并吸取其内的空气形成负压，射流的掺气管端口产生锥形气柱，该气柱可以分散水射流，改善水量分布.

目前，为了更加深入了解低压下气液两相射流的灌溉性能，采用喷头组合喷灌的方式进行田间试验.李久生等[11]通过选择适宜的灌溉时间，得出风速对其影响最大，空气湿度次之，空气温度影响最小.贺玮[12]提出工作压力、喷头间距和风速是影响灌溉质量的主要因素.李久生等[13]、蒋建园等[14]对比了分布均匀系数DU与喷灌均匀性系数CU，给出了4个DU与CU之间的关系.向清江等[9-10]研究已经证明摇臂喷头掺气后提高了低压下的水力性能，雨滴更加细小、分散.

低压下，为了分析喷头掺气后其组合喷灌的改善状况，文中参考以上专家研究思路，通过改变工作压力和组合间距参数，以平均喷灌强度、蒸发漂移量、CU和DU等评价掺气喷头喷灌性能.

1 材料与方法

1.1 掺气喷头结构及工作原理

图1为20PY2摇臂喷头加入掺气结构的示意图.摇臂喷头出水口为“O”型，掺气喷头出水口为环形，为使两喷头流量相同，进行等值换算，并进行同流量试验验证.两喷头参数：参照国家标准，摇臂喷头喷嘴尺寸取为7.0 mm×4.0 mm，则掺气喷头喷嘴尺寸为8.3 mm×4.0 mm，掺气管的内径为4 mm.

图2为掺气摇臂喷嘴与掺气管示意图，O点x方向为正方向，掺气管伸缩量L′定为2 mm[10]，锥角θ为45°.

图2 掺气喷头出水口原理Fig.2 Schematic diagram of water outlet of aeration sprinkler

如图2所示，掺气喷头的掺气管两端口连通空气.喷头工作时，水柱呈环状射出，掺气管一端口被水柱包裹；水流定速流过喷嘴收缩段时，在掺气管端口形成一定的吸附能力，吸取掺气管端口空气并形成真空.此时端口低于大气压值，空气以一定的流速从掺气管另一端口进入填补真空，在掺气管的喷嘴端形成气柱.由于水射流具有一定的波动，卷吸走气柱中的部分气体形成气液两相射流.

1.2 试验方案与布置

掺气喷头的主要试验仪器、设备为压力表、电磁流量计和量筒等.试验环境：平均风速约为1.2 m/s，空气相对温度为20 ℃，空气相对湿度为24.93%.试验条件：喷头的安装高度为1.0 m，电磁流量计测4个喷头的总流量，塑料筒接收降雨量，塑料桶内径为20 cm、高为17 cm,设计各塑料筒的间距为1.5 m，每组喷灌试验的时间为1 h，且进行3次测量.喷头组合喷灌试验采用正方形布置方式，工作压力取200，250和300 kPa；组合间距取1.0R，1.1R和1.2R(R为喷头射程).

图3为组合喷灌试验场；图4为正方形布置方式，图中L为组合间距.

图3 组合喷灌试验场

图4 正方形布置方式

2 计算方法

2.1 喷灌强度

喷灌强度计算公式为

(1)

式中：hi为第i个测点位置的喷灌强度，mm/h；i为塑料桶测点位置；Vi为第i个测点位置的单位体积，cm3/h；Db为塑料筒接收降雨量的直径，值为20 cm.

平均喷灌强度试验值公式为

(2)

平均喷灌强度理论值公式为

(3)

式中：h为平均喷灌强度理论值，mm/h；Q为供水管道为喷头提供的总流量，m3/h；R为喷头射程，m；N为组合间距L与射程R的倍数，分别取1.0，1.1和1.2.

2.2 组合喷灌均匀性系数与分布均匀系数关系

喷灌均匀性系数和分布均匀系数均为评价喷灌均匀性的重要指标.为了细致研究喷灌强度状况，对各测点的喷灌强度重新递减排序后，数据划分为1/4低值区域、1/4高值区域、1/2低值区域和1/2高值区域，并分别计算分布均匀系数.

喷灌均匀性系数[15-16]为

(4)

1/4低值分布均匀系数、1/4高值分布均匀系数、1/2低值分布均匀系数和1/2高值分布均匀系数公式[14]分别为

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：CU为克里斯琴森均匀系数，%；DUlq，DUhq分别为1/4低值、1/4高值分布均匀系数，%；DUlh，DUhh分别为1/2低值、1/2高值分布均匀系数，%；nlq，nhq分别为大小排列的n/4个喷灌强度低值、高值的个数，即nlq=n/4，nhq=n/4；nlh，nhh分别为大小排列的n/2个喷灌强度低值、高值的个数，即nlq=n/2，nhq=n/2；hlqi，hhqi分别为第i个大小排列的n/4个喷灌强度低值、高值，mm；hlhi，hhhi分别为第i个大小排列的n/2个喷灌强度低值、高值，mm.

4个分布均匀系数的关系如图5所示，图中Ⅰ代表1/4最高值区域、Ⅱ代表1/4第2高值区域、Ⅲ代表1/4第2低值区域、Ⅳ代表1/4最低值区域、Ⅴ代表1/2高值区域、Ⅵ代表1/2低值区域；I为水量分布测量数值.

图5 测量数据点示意图

由图5可知，DUhq≥DUhh≥1≥DUlh≥DUlq，蒋建园等[14]已进行过公式验证.由于理论上CU≤1，则存在3种关系：CU>DUlh>DUlq，DUlh>CU>DUlq与DUlh>DUlq>CU.DUlh，DUlq与CU的对应关系与喷灌效果如下：

1) 1>CU>DUlh>DUlq时，喷灌强度峰值与谷值的阶梯性较好，且两值区间范围较小；同等数量测点的喷灌强度峰值区间和谷值区间平均值趋向于平均喷灌强度，灌溉状况较优.

2) 1>DUlh>CU>DUlq时，喷灌强度峰值与谷值的阶梯性较普通，且两值区间范围相对适中；同等数量测点的喷灌强度峰值区间和谷值区间平均值相较于平均喷灌强度差距略大，灌溉状况较普通.

3) 1>DUlh>DUlq>CU时，喷灌强度峰值与谷值的阶梯性较差，且两值区间范围相对较大；同等数量测点的喷灌强度峰值区间和谷值区间平均值相较于平均喷灌强度差距较大，灌溉状况较差.

3 平均喷灌强度

喷头技术及性能参数见表1，表中p为工作压力、Q为流量、R为射程、L为组合间距、¯h为平均喷灌强度试验值、h为平均喷灌强度理论值、η为蒸发漂移量.

η计算公式为

(9)

式中:η为蒸发漂移量，%；Qcan为n个雨量筒水量分别收集水量换算成n个1.5 m×1.5 m灌溉面积的总水量，mm.

经计算，20PY2型的喷头蒸发漂移量均在5%左右，见表1.蒸发飘移量主要受风速影响.掺气喷头的蒸发漂移量略高于摇臂喷头，这是由于气液两相射流易破碎成更小水滴，随风飘移概率和飘移距离增加，从而影响喷灌强度.

表1 喷头技术及性能参数

由表1中对比得出，掺气喷头的射程与摇臂喷头相比基本相同；不同工作压力下，2种喷头平均喷灌强度试验值和理论值均相近.虽然掺气结构占据掺气喷头的部分流道，且负压吸气降低喷嘴处水射流的速度影响射程，但通过放大其喷嘴内径的方法，使流量与摇臂喷头相同，因此摇臂喷头掺气后对射程影响较小，平均喷灌强度也近似相等.

掺气喷头和摇臂喷头的平均喷灌强度随工作压力递增，随着组合间距递减.工作压力为定值时，掺气喷头流量相同，组合间距增大扩大了组合灌溉区域面积，平均喷灌强度有所降低，喷灌质量随之呈阶梯性降低；组合间距为定值时，即掺气喷头组合灌溉区域面积相对稳定，工作压力增大使水射流流速加快，灌溉流量增大，平均喷灌强度随之增大，喷灌质量呈阶梯性增强.

蒸发漂移量较低说明低压水射流分散的雨滴较大，具有一定的抗风性，可为深入研究低压喷灌提供参考.

4 组合喷灌效果对比分析

4.1 不同工作压力下组合喷灌效果

20PY2的2种喷头采用正方形布置，组合间距为1.0R，经计算各工作压力下的系数关系见表2.

表2 不同工作压力下的系数关系Tab.2 Coefficient relation under different working pressures

由表2可知，在3个工作压力下，掺气喷头喷灌均匀系数与分布均匀系数的关系为DUhq>DUhh>1>CU>DUlh>DUlq.摇臂喷头在200和250 kPa时，喷灌均匀系数与分布均匀系数的关系为DUhq>DUhh>1>DUlh>CU>DUlq；工作压力为300 kPa时的关系为DUhq>DUhh>1>CU>DUlh>DUlq.说明掺气喷头的喷灌效果相对较好；在低压下，喷灌强度峰值与谷值的阶梯性较好，且两值区间范围较小；同等数量测点的喷灌强度峰值区间和谷值区间平均值趋向于平均喷灌强度，灌溉状况优于同压力下的摇臂喷头.通过对比喷灌效果得知掺气喷头在300 kPa时的CU最高，因此掺气喷头在该压力下的水量分布均匀状况最好，喷灌效果最佳.

从表2还可得出，3个工作压力下，掺气喷头与摇臂喷头相比较，DUlq与DUlh大，DUhq与DUhh小；两喷头的DUlq与DUlh随工作压力呈阶梯性增加，DUhq与DUhh随之呈阶梯性减小.由于同工况下，两喷头组合灌溉区域面积大小基本相同，平均喷灌强度近似相等，灌溉区域的总灌溉强度较相似.以此可得出结论，掺气喷头与摇臂喷头相比较，峰值区间和谷值区间喷灌强度在灌溉总强度中的占比，分别低和高；提高工作压力可使两喷头峰值区间和谷值区间的喷灌强度在灌溉总强度中的占比分别降低和提高.因此，气液两相射流和提高工作压力均可改善水量分布状况.

4.2 不同组合间距下组合喷灌效果

喷头在250 kPa下正方形组合间距分别为1.0R，1.1R和1.2R，经计算各组合间距下的系数关系见表3.

表3 不同组合间距下的系数关系Tab.3 Coefficient relation under different combination distances

由表3可知，在3个组合间距下，掺气喷头喷灌均匀系数与分布均匀系数关系为DUhq>DUhh>1>CU>DUlh>DUlq.组合间距为1.0R和1.2R时，摇臂喷头喷灌均匀系数与分布均匀系数关系为DUhq>DUhh>1>DUlh>CU>DUlq；组合间距为1.1R时，两种数值关系为DUhq>DUhh>1>CU>DUlh>DUlq.这说明掺气喷头在不同组合间距下，喷灌强度峰值与谷值的阶梯性较好，且两值区间范围较小；同等数量测点的喷灌强度峰值区间和谷值区间平均值趋向于平均喷灌强度，灌溉状况优于同组合间距下的摇臂喷头.通过分析喷灌效果看出，组合间距为1.1R时，掺气喷头的CU最高，因此，掺气喷头该组合间距下的水量分布均匀状况最好，喷灌效果最佳.

从表3还可得出，3个组合间距下，掺气喷头与摇臂喷头相比较，DUlq与DUlh大，DUhq与DUhh小；其中组合间距为1.1R时，掺气喷头的DUlq与DUlh最大，DUhq与DUhh最小.以此可得出结论，掺气喷头与摇臂喷头相比较，峰值区间和谷值区间喷灌强度在灌溉总强度中的占比，分别低和高；组合间距为1.1R时，掺气喷头峰值区间和谷值区间的喷灌强度在灌溉总强度中的占比分别最小和最大.因此，掺气喷头组合间距为1.1R时的喷灌效果最佳.