多功能摇臂喷头性能试验研究

许正典，向清江，陈 超，易 萌

(江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

0 引 言

喷灌中各种新技术对国内节水灌溉的发展起到了积极推动作用[1]。随着节能节水的喷灌发展方向，摇臂式喷头存在工作压力较高能耗过大、低压喷洒时不均匀、地形适应能力及用水效率低等问题，改善摇臂喷头的水力性能适应喷灌发展的需求变得尤为重要。例如在摇臂喷头变射程研究方面，郝培业等[2]，孟秦倩等[3]为提高组合喷灌均匀性以及不规则地形的需求，研制非圆形喷洒域喷头。在提高喷洒抗风性方面，李星恕等[4]李金山等[5]对喷头仰角可调摇臂喷头开展水力性能试验。在摇臂喷头的喷洒均匀性方面，部分学者在原有的摇臂喷头结构的基础上，总结出改善固有结构的一些方法，包括增加副喷嘴、异形喷嘴喷灌、多股流道结构和辅助装置等来改善水力性能[6]，当然还有一些其他措施，如分水针和稳流器[7-9]等，这些方法在低压水射流时喷洒均匀性改善程度有限。

近年来，部分学者提出把气液两相流引入应用于喷灌，用于改善低压下水射流分散的效果。两相射流研究可参考消防雾化喷嘴的研究结论和结果，Lefebvre等[10]的实验研究中，结果发现这种类型的喷嘴注入小流量的气体就可以取得较好的射流分散碎裂效果。气泡雾化喷嘴的研究表明在喷灌喷头的水射流中掺入一定量的气体，将对射流破碎具有影响，从而影响水量分布。向清江等[11]在PY20摇臂喷头的喷管中同轴度插入掺气管，水射流抽吸空气形成气液两相射流，水力性能试验结果表明掺气喷头有效地提高了喷头组合喷灌的均匀系数，并改善了摇臂喷头末端雨滴过大的情况。

PY20摇臂喷头中同轴度安装的掺气管，通过水射流不仅可以负压吸气还可以实现负压吸液。喷头吸液进行喷灌作业时，形成的液液射流可以相互掺溶，两股液体在混合溶解时存在部分动能传递，而产生更多的细小水滴，影响射流的水量分布，液相可以为叶面肥、农药等，因此实现了摇臂喷头的多功能应用。多功能、节能、低压、综合利用的摇臂喷头成为未来发展的趋势[12]。本文基于PY20喷头，研究喷头掺气、掺液能力，及该状态下对比PY20喷头水量分布的改善情况。

1 多功能喷头结构及工作原理

在PY20摇臂喷头的基础上设计掺气、掺液的结构，主要改进部分为内置了一根与喷头的渐缩喷管同轴度的掺气管，并选择喷头合适的喷嘴内径，本文为分析主射流的性能而将副喷嘴封堵。如图2所示，喷头掺气、掺液状态的掺气管内径为2 mm，为了保证能与PY20摇臂喷头在不同工作压力下有近似的流量，选用喷嘴内径D为8.2 mm的喷嘴。图2中掺气管伸缩距离L是以喷嘴出口端面为基点，掺气管相对的移动距离，调节L可以确定最佳的掺气、掺液状态。

1-喷嘴；2-喷头的喷管；3-吸气管；4-吸气软管；5-抽吸液容器；6-立管图1 多功能摇臂喷头示意图Fig.1 Schematic of multifunction impact sprinkler

图2 喷嘴与掺气管结构示意图Fig.2 Sketch of nozzle and gas suction pipe

实现掺气、掺液的过程为：掺气管两端与大气相通，当喷头喷洒工作时，由于液体的黏性作用在掺气管的喷嘴端形成负压，低于环境大气压值，掺气管两端形成压差，气体或液体被吸入与主射流混合，形成气液两相射流或者液液混合射流。

2 试验方法

试验在江苏大学圆形喷灌试验大厅开展，大厅直径44 m、高18 m，满足PY20喷头及其改进喷头的水力性能试验测试条件。喷头的垂直高度约为1.45 m。雨量筒采用径向单列布置，雨量筒的垂直高度为0.93 m，第一个雨量筒与喷头中心的水平距离为1 m，相邻雨量筒的水平距离均为1 m。喷头的压力表采用量程为1 MPa、精度等级0.4的压力表，选用电磁流量计来测量流量。掺气喷头选择内径为2 mm、外径为4 mm的掺气管。由于PY20摇臂喷头喷嘴口内径为7 mm，为了保证掺气喷头与摇臂喷头喷嘴处的过流流量相同，按喷嘴出口过流面积等面积的原则(掺气管与喷嘴齐平安装，即L长为0 mm，此时掺气管长度为13.1 mm)，换算出掺气喷头安装的喷嘴口内径理论值为8.06 mm，考虑到一定程度的流动损失，在该理论值基础上加工了五个不同喷嘴口内径，分别在150 kPa至350 kPa的工作压力下对比掺气喷头与摇臂喷头的流量，最终选择喷嘴口内径为8.2 mm的喷嘴与摇臂喷头最为接近。

图3 多功能摇臂喷头全圆旋转掺液工作Fig.3 Working state of multifunction impact sprinkler

掺气时，采用FM310型微小气体流量计测量喷头不旋转状态下的吸气量，以及采用负压表测量抽吸的真空度，真空负压表量程为-0.1 MPa、精度等级0.4。掺液时,吸气软管随着摇臂带动喷头旋转，自动吸取喷头下方的盆状储水器中的水(试验状态如图3所示保，持吸气软管进水口端面一直在液面以下)，选用精确到0.1 g的电子秤来测量吸液质量。通过调节L，获得掺气、掺液的最佳状态。原摇臂喷头、多功能喷头的掺气状态和掺液状态均以50 kPa工作压力增量情况下开展性能试验，全圆旋转工作1 h，并测量径向水量分布。

3 实验结果和分析

3.1 抽吸流体的流量比

图4为多功能摇臂喷头的抽吸性能，图4(a)，4(b)分别是液气比和液液比随工作压力变化曲线及拟合线图。

图4 不同工作压力时抽吸性能Fig.4 Suction ability under different working pressure

在喷头的多功能应用当中，抽吸性能的衡量以喷头工作水流量为参考，所吸入的气体或液体流量与它的比值来反映。液气比采用体积流量比，液液比为质量流量比。图中看出随着工作压力的增大，被抽吸流体流量的增量小于喷头工作水流量的增量，因此液气比和液液比均下降明显，随着喷头工作水流量的增大，被抽吸流体的流量增加量小，曲线符合指数变化形式，曲线的拟合公式对喷头的性能具有参考意义，拟合式为：

液气比：

y=20.51+40.17 e-0.015 6 x

(1)

液液比：

y=117.8+2 816.8 e-0.018 3 x

(2)

式中：y为无因次流量比；x为喷头工作压力。

拟合式的R2分别为0.998和0.999，公式拟合较好。

3.2 摇臂喷头与多功能喷头性能对比

表1中给出了在三种不同的进口工作压力下，测得的摇臂喷头及掺气和掺液状态的负压、射程、喷头流量、吸气流量和吸水量。

表1 喷头性能参数对比Tab.1 Performance Comparison of the impact sprinkler

从表1中可以看出在保证摇臂喷头和掺气喷头在同压力、近似流量的情况下，摇臂喷头与喷头掺气状态时的射程基本相同，但比喷头掺液状态的射程长约1 m。掺气时，喷嘴出口处的气柱对射流起到扰流的作用，但因气体质量可以忽略不计，所以对射流初始速度无影响，对射程影响不大。掺液时，喷嘴出口处液体的动能要克服掺气管中液体质量所做的功，且与掺气管中慢速流动的液体溶解后，其动能相互传递，形成一股射流后喷射出去，喷嘴出口处的初始速度相对变慢，所以掺液对射程影响较大。负压代表掺气能力，随着工作压力的增加，掺气能力和掺液能力呈阶梯式增长，说明工作压力是增强负压及提高吸气、吸水量的一个重要因素。

图5为喷头的径向水量分布，图5(a)、图5(b)、图5(c)是摇臂喷头和喷头掺气、掺液状况分别在150、200和250 kPa工作压力下的水量分布曲线对比图。在三个工作压力下，射程5～11 m范围内灌水强度较小，是因为喷头的副喷嘴堵住未考虑所致，目的是防止副喷嘴影响到掺气、掺液效果分析。在图5中，射程2 m之后的前段，降雨量依次按摇臂喷头和摇臂喷头掺气、掺液状态依次增加。由于喷头掺气、掺液时的扰流作用，喷头近处的降雨量较摇臂喷头有所增加。而掺液时，由于喷嘴出口处液液之间的相互溶解及能量相互转换，造成射流初段部分液体动能减少，雨滴落在喷头近处，降雨量从而大于喷头掺气时的降雨量。在射程中段，由于气、掺液的扰流作用，两种喷头状态均优于摇臂喷头。在射流末端，降雨量上升趋势按摇臂喷头和摇臂喷头掺气、掺液状态依次放缓，喷头掺液状态在末端降雨量最少，对作物的打击力度最小。

以上可以看出喷头掺气掺液不仅可以实现多功能应用，还可以改善水量分布、降低雨滴在射流末端的打击力度。

图5 喷头掺气、掺液与摇臂喷头径向水量分布对比Fig.5 Comparison of water distribution curve with and without aeration

3.3 喷灌均匀系数

喷头组合喷洒均匀性系数由如下公式进行计算[13,14]：

(3)

其中

表2 不同间距下均匀性系数表 %

为了进一步研究喷头掺气、掺液的灌溉效果，运用matlab编程软件计算摇臂喷头与喷头掺气、掺液状况不同间距的喷灌均匀系数。组合喷灌的方式有很多种，以正方形和三角形的组合布置方式较常见，本文选用正方形的布置方式，组合间距选择1R、1.1R、1.2R、1.3R、1.4R。由表2中可以看出，对比喷头掺气、掺液状况和摇臂喷头喷洒的组合均匀性系数，150、200和250 kPa下均有提高。通过计算结果可以得到150、200和250 kPa压力下，喷头掺气、掺液的最佳组合间距及组合均匀性系数，其中摇臂喷头的最佳组合间距均为1R；喷头掺气时，150 kPa工作压力下最佳组合间距为1R，系数73.9%，其他压力下最佳组合间距均为1.2R，均匀系数依次为75.0%和74.1%；喷头掺液时，150 kPa压力下最佳组合间距为1.3R，其他均为1.2R,系数依次为78.1%和82.3%。其中掺气状态组合喷灌均匀系数均在74%左右，掺液状态组合喷灌均匀系数在80%左右，相对于摇臂喷头的组合喷灌效果优势明显，且组合间距大，节省管网系统开支。图6中为250 kPa压力下，喷头三种状态喷灌均匀系数最优水量分布图，通过灌溉间距可以看出，喷头的掺气、掺液状况灌溉面积均大于摇臂喷头，且喷头掺液状况在各喷管间距的降水量更加平均。

图6 组合喷灌水量分布掺气、掺液与不掺气的对比Fig.6 Comparison of the combination irrigation water distribution with and without aeration

4 结 语

本文提出了PY20摇臂喷头引入文丘里结构形成多功能喷头，把气液两相射流或者液液混合射流的形式应用于喷灌，并在同压力同流量下，与摇臂喷头的水力性能进行对比。结果表明：

(1)随着工作压力的增大，液气比和液液比呈曲线下降且渐趋向于某一正值，喷头掺气和掺液的流量增量减小。

(2)PY20喷头掺气时，对射程影响不大；掺液时，喷头射程缩短约1 m。

(3)多功能喷头掺气和掺液提高了前段和中段的降水量，降低了射流轨迹末端的灌溉强度和打击力度。

(4)喷头掺气、掺液时的组合喷灌均匀性均高于摇臂喷头。其最佳的组合喷灌间距为1.2R，优于摇臂喷头的1R，可以节约灌溉管网开支、降低经济成本。

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