安装高度和工作压力对育苗喷头水力性能影响的试验研究

高 飞，朱德兰,2*，闫婧歆，李佩泽，赵灵犀，邢 欣，杨明飞，郑长娟，刘一川,2，张晓敏,2，张 锐,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）

0 引 言

【研究意义】育苗喷头属于雾喷型喷头的一种，其降温效果良好、结构简单、拆卸安装方便。育苗喷头能够调节农田小气候[1]，改善作物生长逆境，保护作物和幼苗，被广泛应用于温室育苗和作物栽培。【研究进展】朱兴业等[2]选用10型喷头为研究对象，利用MATLAB软件对组合均匀系数进行仿真计算，探究了射流喷头结构参数与喷洒均匀度的关系，提出旋转式射流喷头在正方形布置时的最佳组合间距为10～12 m。喻黎明等[3]利用正交分析法，确定了30 PSH喷头组合间距、工作压力和布置形式对喷灌均匀系数的影响规律，影响强弱顺序为组合间距>工作压力>布置形式。戚春燕等[4]研究了旋转式、折射式和缝隙式微喷头在上喷和下喷2种不同安装形式下的水力性能，结果表明，3种形式喷头在不同组合间距下，下喷的组合均匀系数均小于上喷，且旋转式的变化幅度大于折射式。吴涤非[5]对计算移动喷洒机组均匀系数的基本公式进行了理论推导和试验验证,得出了喷头移动喷洒组合均匀度的计算方法。葛茂生等[6]提出了移动喷洒均匀度计算模型，为卷盘式喷灌机组运行参数的优化配置提供参考。【切入点】前人研究揭示了不同结构、工作压力和安装高度对喷头水力性能的影响特征，确定了喷头的运行工况，但对于育苗喷头的研究相对较少，故本文对育苗喷头的工作参数（压力和安装高度）对喷头水量分布的影响进行探究。本文所采用的育苗喷头与传统喷头相比，具有结构简单、安装方便和雾化程度更高的优点。喷灌均匀度是衡量喷头水力性能的重要指标，在喷灌系统规划设计中起着重要作用[7-8]，【拟解决的关键问题】本文以育苗喷头为研究对象，在不同安装高度和压力下，根据喷灌强度和组合均匀系数分析喷雾育苗喷头的水力性能，探究适宜的工作条件。

1 材料与方法

1.1 喷头结构、技术参数及工作原理

本试验选取的雾化育苗喷头由直径0.8 mm的扇形喷嘴，低压防滴漏装置，环形卡扣，滤芯，垫片和PVC外壳组成，其结构如图1所示。

图1 雾化喷头结构示意Fig.1 Schematic diagram of atomizing nozzle structure

喷头的主要技术参数为：工作压力范围200～400 kPa，流量范围27～37.8 L/h[9]，安装高度范围0.35～0.8 m[10]。

喷头的工作原理为：工作时水流通过环形卡扣与管道连接处的卡槽进入喷头，流经防滴漏装置，最终从喷头末端的狭长缝隙喷出，喷出的水流由于受到喷嘴切槽面的挤压，扩展形成平面液膜（膜状射流）。由于喷头内外存在压力差，液膜在其作用下扩散变薄，在压力差的作用下被撕裂成丝状，之后平面液膜与相对静止的空气发生碰撞，最终细碎成微小的雾滴。

1.2 试验装置与测试方法

喷头水量测试试验装置如图2所示，主要包括水泵（扬程45 m，功率0.75 kW）、PVC管（直径32 mm）、水箱（169 L）、精密压力表（0～600 kPa）、高度调节支架（可调节范围0.4～1.2 m）、雨量筒（直径11.2 cm，高度15.5 cm）、调压旋钮和喷头固定支架。根据喷头的技术参数分别选取合适的安装高度及工作压力进行试验，本试验选取的安装高度为0.5、0.6 m和0.7 m，工作压力为200、250、300 kPa和350 kPa。试验时首先连接水箱、水泵、压力表、调压旋钮，检查管道连通密闭性；其次调节支架并固定喷头安装高度，旋转调压旋钮使工作压力分别为200、250、300 kPa和350 kPa，并以育苗喷头为中心，按网格状（5×14）布置雨量筒，雨量筒紧挨布置，间距为0，用高度调节支架使喷头安装高度分别为0.5、0.6 m和0.7 m，测试不同安装高度和工作压力下单喷头的水量分布。试验参照国家标准GB/T 27612.3—2011[11]进行，经预试验确定测试时间为3 min，每组试验重复3次。

图2 试验装置Fig.2 Experimental device diagram

1.3 指标选取与计算

1.3.1 喷灌强度

喷灌强度对喷头的喷洒质量有重要影响。过大的喷灌强度会引发地表积水，产生径流，降低灌溉水利用效率[12-13]。按照国家标准GB/T 27612.3—2011[11]喷洒质量强度要求，本文喷头喷洒域内某受水处的喷灌强度计算式为：

式中：hij为单喷头固定喷洒时第i行第j列雨量筒的喷灌强度（mm/h）；为某处雨量筒内水体积3次测量的平均值（cm3）；A为雨量筒的开口面积（cm2）；t为喷头喷洒时间（h）；d为雨量筒的直径（m）；L为喷头小车的行走距离（m），取行走距离为10 m。

1.3.2 组合均匀系数CU

组合均匀系数是检测喷灌系统性能的一个重要指标，指在喷灌面积上水量分布的均匀程度，可对作物的产量造成影响[14]。本文已知单喷头的水量分布，再叠加求出不同喷头间距下的组合水量分布，最后采用Christiansen计算法[15]获得组合均匀性系数。

配置于平移式喷头小车上的单喷头的水量分布，通常用2部分来评价，分别为行走方向的横向水量分布和垂直于行走方向的纵向水量分布。喷头小车以直线匀速行进时，由于测点在一定喷灌时间内接受喷头的数量及相对位置不变，则横向上所有测点的受水量相同，故单喷头的纵向水量分布可代表单喷头的水量分布[16]。由于移动喷洒时喷头小车匀速行驶，且沿机行方向同测点的水量相同，因此移动喷洒灌水均匀度用纵向水量分布表示，示意见图3。

图3 移动喷洒水量分布示意Fig.3 Schematic diagram of mobile spraying water distribution calculation

基于实际应用中的喷头间距，选取合适的喷头间距水平（本试验中选取的喷头间距分别为0.2～0.9 m，梯度0.1 m），对单喷头纵向水量分布进行叠加，计算出组合喷头纵向水量分布。下面以移动喷洒时第j列任一点降水强度Hj为例对移动喷洒水量分布公式做详细推导[5-6,17-18]。

由于移动喷洒时，喷头小车匀速行驶，可认为同一列不同测点的水量相同，由于喷头小车匀速行驶，故第j列任一点受水时间Tj均为：

已知第j列水量分布如图3，图3中阴影区域的总积水量为：

移动喷洒时第j列任一点的降水强度为：

联立式（3）－式（5）可得：

式中：Lj为阴影部分的数据长度（m）；n为沿机行方向摆放的雨量筒行数；Hj为移动喷洒时j列处的雨量筒水深（mm）；d为雨量筒的直径（m）；v为喷头小车的行走速度（m/h）。

根据组合喷头纵向水量分布，组合均匀性系数计算式为：

式中：Cu为组合均匀性系数（%）；Hs为各点灌水深度（mm）；为平均灌水深度（mm）；m为测点个数。

1.4 模型检验

为验证组合均匀性系数推导过程的计算精度，对单个育苗喷头进行移动水量分布验证试验。试验在西北农林科技大学旱区节水农业研究院进行，试验进行时，沿垂直机组行走方向紧挨布设14排雨量筒，雨量筒间距为0，沿行走方向紧挨布设5排雨量筒，间距为0。选择喷灌小车以60 m/h的速度行走，喷头安装高度为0.6 m，工作压力300 kPa，喷洒长度为1 m。完成喷洒后采用称质量法计算各雨量筒内的灌水深度，以5排雨量筒的平均灌水深度作为该点的灌水深度实测值。选择安装高度为0.6 m，工作压力300 kPa的定喷水量分布，代入式（6）计算出每个点的灌水深度，将实测值和计算值进行比较。在完成上述试验之后我们在相同工作条件及试验装置和测试方法下选取组合间距为0.3～0.8 m，对育苗喷头进行移动叠加水量验证试验，测出不同组合间距下的组合均匀系数，与计算值进行比较。

图4为垂直机行方向各点的叠加灌水深度的实测值和计算值。由图4可知，在h=0.6 m、P=300 kPa的工作条件下，实测值和计算值的吻合度较高，其中，偏差最大值点出现在距喷灌小车1.176 m处，偏差率为12.9%，其余各点偏差率均在12.9%以内，符合精度要求。图5为所构建的不同间距组合均匀度实测值与计算值。从图5可看出在不同组合间距下，组合均匀度的实测值与计算值吻合度较高，偏差最大值点出现在0.4 m处，偏差率为9.94%，其余各点偏差率均在9.94%以内，具有较高的精度。故组合均匀系数的推导过程满足精度要求，在组合均匀系数计算的过程中，已知定喷水量分布，可代入式（7）进一步计算组合均匀性系数。

图4 喷头垂直机行方向各点灌水深度实测值与计算值对比Fig.4 Comparison between measured and calculated irrigation depth at each point in the vertical direction of sprinkler head

图5 不同间距组合均匀度实测值与计算值对比Fig.5 The measured and calculated values of uniformity of different spacing combinations were compared

2 结果与分析

2.1 单喷头水力性能

2.1.1 安装高度对喷头水量分布的影响

由单喷头不同高度下的水量分布等值线图（图6）可知，随着安装高度的升高，喷幅范围增大，喷灌强度的峰值减少，水量分布更均匀。在同一压力水平下，随着喷头安装高度从0.5 m增加到0.7 m，喷灌强度峰值逐渐减小。在300 kPa压力下，3个高度的喷灌强度峰值分别为28.06、15.39 mm/h和10.50 mm/h，当安装高度从0.5 m升至0.6 m时，喷灌强度峰值下降的幅度为45.15%，从0.6 m升至0.7 m时，喷灌强度峰值下降的幅度为31.77%，可见后者下降的幅度要小于前者。从水量分布图上可以观察出随着安装高度的升高，水量分布变得更加均匀。

图6 不同安装高度下单喷头水量分布Fig.6 Contour map of water distribution of single sprinkler at different installation heights

由以上分析可以得知，0.5 m安装高度下的喷灌强度峰值最大，且水量分布最不均匀。这是因为当喷头过低时，喷头所喷洒的水滴碎裂不充分，从而导致单喷头水量分布比较集中；当喷头高度从0.6 m上升到0.7 m时，单喷头水量扩散的程度变小，所以喷灌强度峰值变化幅度减小。

2.1.2 工作压力对喷头水量分布的影响

由不同压力下的水量分布等值线图（图7）可知，压力对喷灌强度的影响很大，工作压力的提高会引起喷灌强度的增大。在安装高度为0.5 m时，当工作压力从200 kPa上升到350 kPa时，喷灌强度的峰值分别为24.99、22.80、28.06、47.85 mm/h，可以看到随着工作压力的增大，喷灌强度的峰值基本呈增大趋势。

图7 不同工作压力下的单喷头水量分布Fig.7 Contour map of water distribution of single nozzle under different working pressures

由0.5 m时不同压力的喷灌强度分析可以得出，随着工作压力升高，一般情况下喷灌强度会不断增大，但也存在特例，这是由于压力增大时相应的射程也会增加，水量也会相应地分散，导致喷灌强度变小。压力的大小对喷灌强度的影响很大，所以选择一个合理的工作压力对降低喷灌打击动能，提高灌水均匀系数非常重要。

2.2 喷头组合移动喷洒水量分布

在实际农业育苗应用中，为了提高喷头的灌溉效率[19]，喷头多采用组合移动喷洒的工作形式，见图8。故探究不同组合间距下喷头水量分布对于提高水的利用率、降低灌溉成本很有必要。

图8 喷头组合移动喷洒工作示意Fig.8 Schematic diagram of sprinkler combined mobile spraying

图9分别为安装高度0.5、0.6 m和0.7 m时2个育苗喷头组合的喷灌均匀系数随工作压力与喷头间距变化情况，可看出在相同压力和安装高度下，喷头的组合均匀性系数随着喷头组合间距l的变化有不同程度的变化。随着组合间距l的增大，相同工作压力下的组合均匀系数多呈现先减小后增大再减小的趋势,少数呈轻微波浪形分布（如安装高度为0.6 m，压力为300 kPa）。将不同安装高度下的不同组合间距、工作压力下的组合均匀性系数在MATLAB中进行Polynomial多项式拟合，分别列出不同安装高度下的拟合方程式：

图9 不同高度组合均匀性系数与组合间距及工作压力关系Fig.9 The relation diagram of combination uniformity coefficient with combination spacing and working pressure at different heights

当安装高度为0.5 m时：

当安装高度为0.6 m时：

当安装高度为0.7 m时：

式中：Cu为组合均匀性系数（%）；l为组合间距（m）；P为工作压力（kPa）。

当组合间距大于0.6 m时组合均匀性系数不断减小，且组合间距在0.2～0.5 m的组合均匀性系数均在80%以上，明显大于0.7～0.9 m的组合均匀性系数。安装高度为0.5 m和0.7 m的组合均匀性系数峰值靠前，在组合间距0.2 m和0.3 m处，安装高度为0.6 m的组合均匀性系数峰值靠后，在组合间距0.6 m处。在安装高度相同时，随着压力的改变，喷头组合均匀性系数也发生不同程度的变化，但变化规律不明显。在喷雾育苗喷头配置于平移式喷灌小车时，应选择适宜的安装高度和喷头组合间距，以保证较大的射程、较低的喷灌强度和较高的组合均匀性系数。

3 讨 论

在0.5～0.7 m的范围内，随着安装高度的升高，单喷头的喷洒辐射面积增大，喷头喷灌强度的峰值降低，水量分布更加均匀，这与杨雯等[20]的研究结果一致。在安装高度相同的情况下，随着工作压力的升高，各测点喷灌强度增大，且单喷头的喷洒范围增大，这与朱兴业等[21]的研究结果一致，但从图9可看出，在高度和间距相同时，随着压力的改变，喷头组合均匀性系数也发生不同程度的变化，但变化规律不明显，原因可能是不同种类喷头对压力的响应程度不同，主要体现在下喷式育苗喷头在工作原理和喷洒特性方面。当喷头组合间距大于0.6 m时组合均匀性系数呈显著减小趋势，水量分布不均，不满足移动式喷灌对喷洒均匀度的要求；当喷头间距为0.2 m和0.3 m时，有较高的组合均匀性系数，满足移动式喷灌对喷洒均匀度的要求，但若机组选择较小的组合间距，会造成管道上喷头数目的增加，增加运行成本，从而降低机组的使用效率，所以在选取喷头组合间距应综合考虑喷洒均匀度和安装运行成本。

育苗喷头主要应用于温室中的育苗和作物栽培，本文主要研究了育苗喷头的安装高度、工作压力和组合间距对其水力性能的影响。相较于其他喷头，该喷头结构简单、雾化效果更好，在喷头实际应用时，合适的工作条件往往能发挥更好的效益，因此寻求单喷头的最优工作条件十分必要。但本研究尚未考虑安装高度、工作压力和组合间距这3个工作参数对单喷头水量分布影响的交互效应，后续研究可利用多目标评价法，在考虑多因素相互作用的条件下筛选出育苗喷头的最优工况。

4 结 论

1）在0.5～0.7 m的范围内，升高喷头安装高度，单喷头喷洒辐射面积增大，喷灌强度峰值降低，水量分布更均匀；在200～350 kPa的范围内，升高工作压力，各测点喷灌强度增大，喷洒范围更广。

2）在喷灌系统中，安装高度、工作压力和组合间距都对喷头的组合均匀性系数有很大的影响。育苗喷头配置于平移式喷灌小车时，应选择适宜的安装高度和适宜的喷头组合间距。育苗喷头的最优工作条件为0.5 m的安装高度、300 kPa的压力及0.5 m的喷头间距，且当喷头间距大于0.7 m时，组合均匀性系数呈显著下降趋势。

3）利用多项式回归法拟合出0.5、0.6 m和0.7 m安装高度下组合间距-工作压力-均匀度的计算式如式（8）—式（10）所示，3个公式的拟合相关系数均大于0.85，为育苗喷头的实际应用提供了参考依据。