Teejet雾化喷头的水力性能试验及工作参数优选

高 飞，张 锐，朱德兰，郑长娟，刘一川，张晓敏，赵 航

·研究速报·

Teejet雾化喷头的水力性能试验及工作参数优选

高 飞，张 锐，朱德兰※，郑长娟，刘一川，张晓敏，赵 航

（1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100；2. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，杨凌 712100）

为探究Teejet雾化喷头工作参数对单喷头及组合喷洒水力性能的影响，进而得到雾化喷头的较优配置工况，该研究通过试验分析、理论计算和综合评价相结合的方法，探究等效直径、安装高度、工作压力对雾化喷头水力性能的影响规律；定量分析得到安装高度、工作压力、等效直径、组合间距与组合均匀性系数之间的关系；构建综合评价指标体系，采用主成分分析法确定雾化喷头最优配置方案。结果表明：1）随着工作压力的升高，喷头喷灌强度峰值逐渐增长；随着安装高度的升高，喷头的喷洒范围增大，水量分布更加均匀；相同安装高度和工作压力条件下，喷嘴的喷灌强度峰值与等效直径呈正比。2）3种等效直径喷头组合均匀性系数随工作压力和组合间距的变化趋势基本一致，组合间距对组合均匀系数的影响最为明显，随着喷头组合间距的增加，喷头的组合均匀系数大多呈先减小后增加再减小趋势。3）雾化喷头最优配置工况为喷嘴等效直径1.81 mm、安装高度0.6 m、组合间距0.2 m、工作压力400 kPa。该研究可为适用于温室的移动式微喷灌机组的参数配置提供依据，并为该机组在全国范围内的推广应用提供理论支撑。

灌溉；温室；雾化喷头；水力性能；安装高度；工作压力；组合间距；组合均匀系数

0 引 言

雾化喷头是温室移动微喷灌系统的重要组成部分，可将有压的集中水流喷射到空中并呈雾状均匀散布在其所控制的灌溉面积上，其功能强大、用途广泛，推广应用前景好[1]。许多学者开展了雾化喷头在不同工况下的水力性能试验。戚春燕等[2]研究了旋转式、折射式和缝隙式微喷头在上喷和下喷两种不同安装形式下的水力性能，得到了在不同间距下，下喷的组合均匀系数小于上喷、旋转式的变化幅度大于折射式的结论。Gary等[3]通过试验证明了喷嘴结构、操作参数、喷雾配剂会影响雾化喷头的初始喷雾特性。葛茂生等[4]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。杨雯等[5]以折射式微喷头为研究对象，探究了安装高度对微喷头水力性能及组合均匀系数的影响。Griesang等[6]选择Hypro公司的系列化扇形喷嘴，分析了喷嘴射流的对称性、开度和流量，验证了工作压力和喷嘴间距对喷雾分布质量的影响。已有研究主要聚焦于不同结构、工作压力和安装高度对常见雾化喷头水力性能的影响特征[7-8]。近年来温室行业发展迅速，研究温室灌溉喷头可为降低机组运行成本，并为提高机组工作效率提供理论依据。

节水灌溉课题组开发的适用于温室的移动式微喷灌机组[9]应用于杨凌智慧农业示范园内，该机组灌溉效果良好、结构简单、拆卸安装方便，具备良好推广应用价值。Teejet雾化喷头是该机组的重要组成部分，该喷头属于雾喷喷头的一种，能够调节农田小气候[10]，改善作物生长逆境。其具有3个口径不同的扇形喷嘴结构，能够满足不同场景下的灌溉需求。该喷头与传统喷头相比具有应用范围更广、安全性更好、使用寿命更长的优点，适用于温室灌溉并具备良好的应用前景[11]。

本文以Teejet雾化喷头为研究对象，开展单喷头固定喷洒水量分布测试试验，解决该喷头在不同工况下的水力性能参数及组合移动喷洒时水量特征的分布规律等尚未明晰的问题；采用主成分分析方法进行多目标综合评价，解决该喷头在工作时最优运行工况不清晰的问题，从而确定Teejet雾化喷头最优工作参数。研究可为适用于温室的移动式微喷灌机组的参数配置提供理论依据，提高该机组在全国范围内的推广应用价值。

1 材料与方法

1.1 喷头结构及工作原理

Teejet雾化喷头由美国喷雾系统公司生产，该喷头由3个不同等效直径（分别为1.36、1.62和1.81 mm）的扇形喷嘴、PVC喷嘴外壳、垫片、卡槽、滤芯、环形卡扣和低压防滴漏装置组成，该喷头工作时水流通过卡槽进入喷头，以较大速度从喷头末端扇形喷嘴的狭长缝隙中喷出。水流受到内部切槽面的挤压获得较大动能，形成液膜，液膜与空气相对运动产生强烈振动，在液体表面张力、黏性及空气阻力相互作用下破碎成细小雾滴。

1.2 试验设计及方法

1.2.1 试验装置

试验在西北农林科技大学中国旱区农业节水研究院进行，单喷头固定喷洒水量分布试验装置见图1，主要由Teejet雾化喷头、雨量筒（直径11.2 cm，高度15.5 cm）、PVC管（直径32 mm）、压力表（0～600 kPa）、水箱、水泵（扬程45 m，功率0.75 kW）、高度调节支架（可调节范围0.4～1.2 m）和调压阀门组成。

1.水泵 2.水管 3.水箱 4.调压阀门 5.压力表 6.喷头 7.高度调节架 8.雨量筒

1.2.2 试验方案

工作压力、喷头等效直径、安装高度和组合间距影响雾化喷头的水力性能及其在所控制灌溉面积上的喷洒效果[4-6]，本文将工作压力、喷头等效直径、安装高度和组合间距设为试验因素，分析Teejet雾化喷头的水量分布特征。依据该喷头的结构参数进行预试验，选取合适的安装高度及工作压力水平，本研究选取的工作压力为100、150、200、250、300、350和400 kPa，安装高度为0.6、0.7、0.8、0.9和1.0 m，喷头等效直径为1.36、1.62和1.81 mm，组合间距为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9 m。

1.3 测试指标

1.3.1 流量

流量指喷头单位时间内的出水量。本研究设置不同工况下喷头喷洒时间为3 min，喷洒时雨量筒紧挨喷嘴口，收集喷嘴出流水，完成喷洒后记录各工况下雨量筒收集水的容量。喷头流量即为所收集水的容量与喷洒时间之商。

1.3.2 喷灌强度

喷灌强度是指单位时间内单位面积上所喷洒的水量，依据国家标准GB/T 27612.3-2011[12]进行喷灌强度测试，利用雨量筒收集喷洒水量，雨量筒以雾化喷头所在位置为中心，呈网格状（5×14）紧挨布置，测试时间为15 min，每组试验重复3次，完成喷洒后采用称重法记录各雨量筒内的液体质量。喷头喷洒域某受水处的喷灌强度计算公式参考文献[13]。

1.4 计算及评价指标

1.4.1 组合均匀系数

组合均匀系数是喷灌面积上水量分布的均匀程度。已知雾化喷头单喷头水量分布，可叠加求出不同喷头间距下的组合水量分布，最后采用克里斯琴森计算法得到组合均匀性系数[13-14]。

本文喷头喷洒域内组合均匀性系数的计算式为

（1）

1.4.2 初始投资

初始投资为投资时实际支付全部价款（式（2）），在本研究中主要由喷灌机、雾化喷头、水泵、管道管件、主轨道及附属设备等组成[15]。各部件报价来自河北望丰温室设备有限公司，具有较好的市场代表性。

C=C+C+C+C+C+C（2）

式中C为装置所需管件费用，包括输水管道、连接管等；C为水泵费用，650元/台；C为雾化喷头费用，150元/个；C为温室轨道总费用；C为喷灌机费用，6 480元/台；C为其他附属费用，取其他组件费用的1%。

其中，C=C+C+C+C（3）

C=C+C+C+C（4）

式中C为胶管连接管费用，5元/根；C为轨道连接管费用，3元/根；C为高压胶管费用，取11元/m；C为输水管道费用，4.0元/m；C为电缆费用，2元/m；C为主轨吊杆费用，12元/根；C为主轨道费用，140元/根；C为配套标准件费用，150元/批。

1.4.3 年运行费

年运行费指项目在运行期间每年需支出的各种经常性费用，主要包括水费、劳动力费用和机组日常维护费用，其计算式为

C=C+C+C（5）

式中C为灌溉水费用，C=1；C为劳动力费用，C=Tp2；C为机组日常维护费用，取为机组初始投资的1%；为灌水定额，m3；1为灌区单位供水价格，1.2元/m3；T为劳动力工时数；2为劳动力单价，50元/工时。

1.4.4 雾化喷头参数优选方法

本研究综合指标评价体系[16]，由技术指标和经济指标两部分构成，技术指标包括喷头流量、平均喷灌强度、峰值喷灌强度及组合均匀系数，经济指标包括项目初始投资及年运行费。基于上述指标，运用主成分分析法对雾化喷头各工作条件下的运行效果进行综合评价，根据综合得分从备选方案中筛选出最优工况，进而得到喷头的最优参数，主成分分析[17-18]采用SPSS 25.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 单喷头不同工况下水力性能试验

水量分布可作为喷头喷洒特征的评价指标[19]，由于三维空间在二维平面展示的局限性，避免由于过多图片叠加而导致相互遮挡，本文以首行首列雨量筒位置为原点，雨量筒行列布置方向为、轴正方向，选取变化趋势最明显的0.6～0.9 m安装高度为轴绘制三维平面等值线图，喷头在平面内的坐标为(840，280)。图2为3种等效直径喷头在不同工作条件下的水量分布等值线图，由图2可看出，Teejet雾化喷头的喷洒区域近似为椭圆形，喷灌强度沿喷头和方向径向先增大后减小，喷灌强度峰值集中在喷头正下方。

随着等效直径增大，喷头喷灌强度峰值增大。安装高度0.90 m时，1.36 mm等效直径喷嘴在工作压力100、250和400 kPa时喷灌强度的峰值分别为3.65、6.05和9.71 mm/h，1.62和1.81 mm直径喷嘴在3种工作压力下的喷灌强度峰值分别为5.20、8.58、17.29 mm/h和7.40、12.35、16.64 mm/h；随着工作压力升高，喷头喷灌强度峰值和喷洒范围增大。固定喷头安装高度0.60 m时，1.62 mm等效直径喷嘴喷灌强度峰值变化范围为12.2～37.3 mm/h，工作压力由350 kPa上升至400 kPa时，喷灌强度峰值增长幅度最大，为41.75%。这是由于工作压力升高，管道中水流速度变大，单位时间出流量更多、破碎程度更高，喷灌强度峰值增长，喷洒范围变大；随着安装高度升高，喷头喷灌强度峰值减小，水量分布更加均匀。固定工作压力400 kPa，1.81 mm等效直径喷嘴在安装高度从0.60、0.70、0.80和0.90 m时的喷灌强度峰值分别为35.68、22.69、19.15和16.64 mm/h。这是由于安装高度升高，单喷头水量扩散程度变小，喷灌强度峰值下降幅度减小，水量分布更均匀。

图2 不同工作压力（P）下3种等效直径（d）喷头水量分布等值线图

2.2 喷头组合移动喷洒水量分布

在农业实际育苗应用中，为提高工作效率，雾化喷头工作时大多采用组合移动喷洒工作形式。取喷灌机行走速度为60 m/h，本节根据单喷头固定喷洒水量分布规律，探究雾化喷头组合移动喷洒水量分布。

2.2.1 工作压力和组合间距对组合均匀系数的影响

图3为安装高度为0.6 m时3种等效直径喷嘴组合均匀性系数随组合间距及工作压力变化情况，可看出3种直径喷头组合均匀性系数随工作压力和组合间距的变化趋势基本一致，组合间距对组合均匀系数的影响最明显，0.2～0.6 m的组合均匀系数明显高于0.6～0.9 m；工作压力的高低在一定程度上也会影响组合均匀性系数的大小，但规律性不强。定量分析3种等效直径喷嘴在0.6 m安装高度下组合均匀性系数与组合间距及工作压力的关系，拟合方程式如式（6），多项式拟合系数见表1。

CU=1+2+3+42+562+73+82+92（6）

式中CU为组合均匀性系数，%；为组合间距，m；为工作压力，kPa；1～9为拟合系数。

表1 3种等效直径喷头组合均匀系数的拟合情况（H=0.6 m）

图3 不同喷嘴等效直径组合均匀系数-组合间距-工作压力关系图（H=0.6 m）

2.2.2 安装高度和组合间距对组合均匀系数的影响

图4为3种直径喷嘴在工作压力为250 kPa时的组合均匀性系数随组合间距及安装高度关系图，可得出3种直径喷头组合均匀性系数随安装高度和组合间距的变化趋势基本一致，组合间距对组合均匀系数的影响更为明显；安装高度的高低在一定程度上也会影响组合均匀性系数的大小，但规律性相较于组合间距并不明显。定量分析3种等效直径喷嘴在0.6 m安装高度下组合均匀性系数与组合间距及工作压力的关系，拟合方程式如式（7），多项式拟合系数见表2。

CU=1+2+3+42+5+62+73+82+92+103（7）

式中CU为组合均匀性系数，%；为组合间距，m；为工作压力，m；1～10为拟合系数。

表2 3种等效直径喷头组合均匀系数的拟合情况（P=250 kPa）

图4 不同喷嘴等效直径组合均匀系数-组合间距-安装高度关系图（P=250 kPa）

2.3 雾化喷头参数优选

定量分析得到雾化喷头的组合移动喷洒水量分布规律，从拟合关系式可看出组合均匀系数与各工作参数之间规律性不强，无法寻求最优工作参数组合，故采用主成分分析方法进行参数优选。本研究的配置因素分别为等效直径、安装高度、组合间距和工作压力。其中所选等效直径参数为1.36、1.62和1.81 mm，工作压力参数为100、150、200、250、300、350和400 kPa，组合间距参数为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9 m，安装高度参数为0.6、0.7、0.8、0.9和1.0 m。对雾化喷头各工作条件下配置变量的配置参数进行全排列，得到840种备选方案，为便于方案的识别，采用A-B-C-D的形式对各备选方案进行编号，其中A、B、C、D分别表示喷头的等效直径、安装高度、组合间距和工作压力。A的对应值为1～3，B的对应数值为1～5，C的对应数值为1～8，D的对应数值为1～7。

基于喷头流量、平均喷灌强度、峰值喷灌强度、组合均匀系数、初始投资和年运行费综合评价指标，利用SPSS软件进行主成分分析。保证主成分的累计贡献率大于85%，确定主成分个数，得到如下所示的主成分得分表达式：

1=0.4931+0.4932+0.5033-0.17840.0465-0.4776（8）

2=0.1641-0.0052+0.0063+0.6734+0.7075-0.1406（9）

式中1、2分别为第一阶、第二阶主成分；1～6分别为各指标标准化值。

通过加权求和计算2个主成分的综合评分，得到综合评价得分（）计算表达式为

=0.5531+0.2322（10）

依次计算出各备选方案的综合得分，并按照评价值从大到小的顺序排序。对综合得分排名前3位及后3位的配置方案的各评价指标进行标准化处理，将所有指标转化成[0,1]区间内的数值，绘制评价指标雷达图如图5所示。

A.流量 B.平均喷灌强度 C.峰值喷灌强度 D.组合均匀系数 E.初始投资 F.年运行费

A. Flow rate B. Average sprinkler irrigation intensity C. Peak sprinkler irrigation intensity D. Combined uniformity coefficient E. Initial investment F. Annual operating cost

注：方案编号的4个数字分别代表喷头的不同工作参数。其中，第1个数字“1”和“3”分别代表等效直径为1.36和1.81 mm，第2个数字“1”和“5”分别代表安装高度为0.6和1.0 m，第3个数字“1”“2”“3”“6”“7”“8”分别代表组合间距为0.2、0.3、0.4、0.7、0.8和0.9 m，第4个数字“1”和“7”分别代表工作压力为100和400 kPa。

Note: The four digits of the scheme number represent different working parameters of the nozzle. Among them, the first number “1” and “3” respectively represent the equivalent diameter of 1.36 and 1.81 mm, the second number “1” and “5” respectively represent the installation height of 0.6 and 1.0 m, the third number “1”, “2”, “3”, “6”, “7” and “8” respectively represent the combined spacing of 0.2, 0.3, 0.4, 0.7, 0.8, and 0.9 m, and the fourth number”1” and “7” respectively represent the working pressure of 100 and 400 kPa.

图5 雾化喷头参数优选方案标准化评价指标雷达图

Fig.5 Radar chart for standardized evaluation index of atomizing nozzle parameter optimization schemes

由图5可知，排名前3位配置方案的流量、平均喷灌强度、峰值喷灌强度及组合均匀系数均处于较高水平，初始投资较高或中等，年运行费最低；排名在后3位配置方案的组合均匀系数指标位于较高水平，初始投资低，年运行费高，其余指标均表现不理想。结合上述配置方案所对应的实际意义，考虑喷头的水力性能及机组的经济指标，最优配置工况应为喷嘴等效直径1.81 mm、安装高度0.6 m、组合间距0.2 m、工作压力400 kPa。该工况下的性能指标分别为：流量202.70 L/h，平均喷灌强度6.55 mm/h，峰值喷灌强度35.67 mm/h，组合均匀系数93.01 %，初始投资18 206.26元，年运行费756.86元。

3 讨 论

本文以Teejet雾化喷头为研究对象，探究其不同工作条件下的水力性能及运行工况，以技术指标和经济指标为依据进行综合评估，选取最优配置方案。

技术指标方面，以不同工作参数下喷头水力性能指标为依据进行评价，与朱兴业等[8]对低压雾化喷头水力性能的研究相比，本文仅考虑水力性能，缺乏对喷头雾化特性的探究。雾化喷头具有降温增湿、调节环境等特点，其雾滴粒径、液滴速度等微观指标对于雾化喷头运行状况同样有较大影响[20-21]。雾滴粒径并非越大越好，而是应与外界环境和作物类型相匹配，雾滴粒径过大，会导致水量分布不均匀，反之则会造成液滴蒸发损失大，降低喷洒水利用率[22]。经济指标方面，以理想条件下的初始投资和年运行费为依据进行评价，与葛茂生[15]对卷盘式喷灌机组的多目标综合评价相比，本研究忽略了外界环境对经济指标的影响，对于经济指标因素的考虑较为片面，结论普适性受限。机组在实地运行时所产生的费用是多方面的，除了机组、输水管道等固定费用，还不可避免受环境条件、地形条件、运行条件及人工条件等的制约[23]。因此在后续研究中，需进一步测试Teejet雾化喷头的雾滴粒径、雾滴速度等微观指标，同时考虑环境、地形等外界因素对经济指标的影响，进行系统性的综合评价，最终得到适用于不同外界条件的配置方案，为移动式微喷灌机组的参数配置提供理论支撑。

4 结 论

1）随着工作压力升高，管道中水流速度变大，喷灌强度峰值增长，喷洒范围变大；随着安装高度升高，单喷头水量分布扩散变缓，喷头的喷洒范围增大，水量分布更加均匀；固定安装高度和工作压力条件，喷嘴等效直径越大，出流量越大，喷嘴的喷灌强度峰值越大。

2）3种等效直径喷头组合均匀性系数随工作压力和组合间距的变化趋势基本一致，组合间距对组合均匀系数的影响最为明显；随着喷头组合间距的增加，喷头的组合均匀系数大多呈先减小后增加再减小趋势，工作压力的大小和安装高度的高低在一定程度上也会影响组合均匀性系数的大小。

3）运用SPSS软件进行分析处理，建立基于主成分分析的综合指标评价模型，得到雾化喷头的最优配置工况为等效直径1.81 mm、安装高度0.6 m、组合间距0.2 m、工作压力400 kPa。

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Hydraulic performance tests and optimized working parameters of Teejet atomizing nozzles

Gao Fei, Zhang Rui, Zhu Delan※, Zheng Changjuan, Liu Yichuan, Zhang Xiaomin, Zhao Hang

(1.,,712100,; 2.-,,712100,)

Teejet atomizing nozzle is one of the most important components in the mobile micro-sprinkler system for the greenhouse. Three kinds of fan-shaped nozzle structures with different diameters can fully meet the irrigation requirements to adjust the farmland microclimate for better crop growth stress in the various scenes. Therefore, this sprinkler can be expected for greenhouse irrigation, due to its wide application range, high safety, and long service life. However, there is no accurate reference to the parameters of sprinklers, such as hydraulic performance and operating conditions. The purpose of this study is to obtain a better configuration condition of atomizing nozzle. The hydraulic performances of the single and combined nozzle were optimized on the installation height, equivalent diameter, working pressure, and combined spacing of the Teejet atomizing nozzle. A water distribution test was carried out to verify the hydraulic performance parameters of atomizing nozzle under different working conditions. The experimental analysis, theoretical calculation, and comprehensive evaluation were then combined to clarify the influence of the equivalent diameter, installation height, and working pressure on the hydraulic performance of atomizing nozzle. The quantitative relationship was obtained between the installation height, working pressure, equivalent diameter, combination spacing and uniformity coefficient. A comprehensive evaluation index system was constructed using technical and economic indicators. Finally, the principal component analysis was implemented to determine the optimal configuration scheme for atomizing nozzles. The results show that: 1) The velocity of water flow increased significantly in the pipeline with the increase of working pressure, while the peak value of sprinkler irrigation intensity gradually increased to widen the spraying range. The slow water diffusion of a single nozzle was observed for the uniform water distribution, as the installation height increased. As such, the wider spraying range of the nozzle was obtained than before. In the same installation height and working pressure, the larger the equivalent diameter of the nozzle was, the larger the outlet flow was, and the greater the peak sprinkler irrigation intensity of the nozzle was. 2) There was the basically same variation trend of the combination uniformity coefficient in the three equivalent diameter sprinklers. The combination spacing presented the most outstanding influence on the combination uniformity coefficient. Furthermore, the combination uniformity coefficient tended to decrease first, then increase and finally decrease, with the increase of the combination spacing in the sprinklers. A relatively significant influence was also observed in the working pressure and installation height on the combination uniformity coefficient. 3) A comprehensive index evaluation model was established using principal component analysis. The optimal configuration conditions of atomizing nozzles were obtained by SPSS analysis, including, the nozzle equivalent diameter of 1.81 mm, the installation height of 0.6 m, combined spacing of 0.2 m, and working pressure of 400 kPa. This finding can provide theoretical support to the parameter configuration of mobile micro-sprinkler for greenhouse irrigation.

irrigation; greenhouse; atomizing nozzle; hydraulic performance; installation height; working pressure; combination spacing; combination uniformity coefficient

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.030

S275.5；S625.1

A

1002-6819(2022)-22-0280-07

高飞，张锐，朱德兰，等. Teejet雾化喷头的水力性能试验及工作参数优选[J]. 农业工程学报，2022，38(22)：280-286.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.030 http://www.tcsae.org

Gao Fei, Zhang Rui, Zhu Delan, et al. Hydraulic performance tests and optimized working parameters of Teejet atomizing nozzles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 280-286. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.030 http://www.tcsae.org

2022-10-13

2022-11-14

国家重点研发计划项目（2021YFE0103000）；陕西省重点研发计划项目（2020ZDLNY01-01）；宁夏回族自治区重点研发计划项目（2022BBF02026）

高飞，研究方向为节水灌溉技术与装备。Email：17780525381@163.com

朱德兰，博士，教授，博士生导师，研究方向为节水灌溉新技术。Email：dlzhu@126.com