射流三通连接滴灌带的水力性能沿程变化规律

张晨曦，王新坤，靳彬彬，姚吉成，薛子龙，王轩

(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

滴灌是目前应用较为广泛的高效农业节水灌溉技术.灌水均匀度是评价滴灌系统的重要指标[1-2]，而有研究[3-5]表明脉冲滴灌可以提高滴灌系统的均匀性.

王新坤[6]发明的射流三通利用特有的结构产生脉冲效应，从而构建脉冲滴灌系统.许鹏等[7]发现射流三通的水头振幅随着喷嘴宽度增大而增大，脉冲频率随着喷嘴宽度增大而减小.杨玉超等[8]通过对比进口压力相同时射流三通和普通三通的水力性能，发现射流三通能提高滴灌带的灌水均匀系数、降低流量偏差率；进一步探究了射流三通的影响因素，得出了各因素对脉冲性能影响的主次顺序.樊二东等[9]模拟6种喷嘴宽度对脉冲频率、振幅及水力性能的影响，提出喷嘴宽度为4 mm的射流三通能够产生水头振幅大、频率高的脉冲水流.文献[10-11]拟合了射流三通各水力性能之间的关系，提出了水力设计的方法，并进一步研究了射流三通产生的脉冲水流对滴灌灌水器抗堵能力的影响，指出射流三通产生的高频脉冲水流是灌水器抗堵塞能力强于普通三通的主要因素[12-13].

上述主要是对相同进口压力下射流三通和普通三通的水力性能以及抗堵性能方面进行研究，未对射流三通连接滴灌带沿程水力性能进行分析.

文中通过对滴灌带沿程水力性能进行探究，得到射流三通连接的脉冲滴灌系统的流量阈值，研究脉冲参数的沿程衰减规律，分析导致射流三通连接滴灌带的灌水均匀度与普通三通产生差异的原因，并找出射流三通连接60 m滴灌带的最优流量的水力设计，为射流三通脉冲滴灌系统的水力设计提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验设备包括额定扬程45 m的离心泵、内镶式滴灌带(上海华维节水灌溉有限公司，滴头间距30 cm，内径16 mm，额定流量2.7 L/h)、精密压力表(红旗仪表有限公司，精度0.4级)、涡轮流量计(上海帆扬机电有限公司，精度0.50%)、射流三通、普通三通、内径16和28 mm的PVC管.

图1为射流三通结构与实物图，其具体参数：喷嘴宽度w为4 mm，劈距H为28 mm，位差s为2.1 mm，分流劈半径R为2 mm，控制管宽度cw为3 mm，控制管长度c1为120 mm，侧壁夹角θ为20°，射流三通出口内宽度low为8 mm.图1b中的射流三通上方2个开孔处，由内径为3 mm软管相连.

图1 射流三通

试验在江苏大学喷灌大厅内进行，支管采用内径28 mm的PVC管，毛管采用内径16 mm的PVC管；射流三通和普通三通单侧铺设长度为60 m，每隔10 m设置1个测试点，测试滴灌带沿程的压力和滴头流量值，分析滴灌带沿程的流量压力分布.在压力表的弯管与PVC管接头处装有阀门，以减少压力表指针摆动对滴灌带内脉冲水流的影响.试验中的脉冲水流由毛管上的射流三通产生，射流三通和普通三通前安装的压力表读数恒定，表明2种滴灌形式之间没有影响.试验具体布置如图2所示.

图2 试验平台布置示意图

1.2 试验方法

通过启闭阀门以调节三通进口流量，其值由安装在三通进口的涡流流量计读出.同时开展基于射流三通的脉冲滴灌与基于普通三通稳压滴灌的相同条件对比试验.进行三通的水力性能试验时，待三通进口流量稳定3 min后，再测量压力与滴头流量.采用JT-HD61E型高速摄像机拍摄每个压力表压力振幅和频率变化过程，通过后处理软件i-SPEED记录压力变化值.在测量滴头流量时，每次测量10 min，考虑到相邻滴头之间可能存在制造差异，每1个测量点选取3个滴头进行测量，最后取其平均值.

1.3 主要参数计算方法

1) 脉冲频率.脉冲频率是单位时间内滴灌带压力变化的次数.试验每次测量时间为1 min，脉冲频率取1 min内的平均值.

f=n/t，

(1)

式中：f为压力表的摆动频率，Hz；n为一定时间内压力表指针摆动的次数；t为压力表指针摆动n次的时间，s.

2) 水头振幅.水头振幅是滴灌带内压力的波动幅度，取1 min内射流三通单次摆动振幅的平均值.

(2)

式中：h为水头振幅，m；himax，himin分别为滴灌带内第i次摆动的最大、最小值，m.

3) 灌水均匀度.灌水均匀度包括灌水均匀系数和流量偏差率，是反映滴灌带灌水均匀性的2个重要参数[12-13].

(3)

(4)

4) 水头损失.射流三通滴灌带内测试点的压力值，取1 min内该点每次摆动最大值和最小值的平均值.水头损失为前后压力值之差.

(5)

hw=h0-h60，

(6)

式中：hk为距离滴灌带进口k(m)处的压力值指针每次摆动值，m；hjmax，hjmin分别为1 min内压力值指针摆动的最大值和最小值；hw为滴灌带内的水头损失，m；h0为滴灌带进口处压力值，m；h60为滴灌带尾端压力值，m.

2 结果分析

2.1 射流三通进口流量与出口水头振幅的关系

图3为射流三通出口处的水头振幅h随射流三通进口流量Q1T变化的关系曲线.由图可知，当进口流量为0.1～1.2 m3/h时，射流三通的水头振幅为0～4 m.当进口流量小于0.2 m3/h时，射流三通不产生脉冲水流，水头振幅为0.随着流量增大，射流三通的水头振幅也逐渐增大.当进口流量大于1.0 m3/h时，水头振幅变化趋于平缓.但当进口流量大于0.8 m3/h时，进口压力已超出了滴头额定压力要求，则脉冲滴灌系统的水力设计不考虑进口流量大于0.8 m3/h的情况，所以脉冲滴灌系统的流量阈值为0.2～0.8 m3/h.

图3 射流三通进口流量与出口水头振幅关系

射流三通是基于射流附壁效应而设计的一种脉冲发生器.当进口流量小于0.2 m3/h时，由于射流三通内的水流流速较慢，射流与壁面之间不能产生干涉，从而无法形成脉冲水流，所以振幅为0.随着进口流量增加，进口流速也在逐渐增大，射流的卷吸作用更强，水流与射流三通壁面之间开始产生干涉，从而形成脉冲水流，并且随流量增大，水头振幅也逐渐增大.但当流量增加到一定程度时，射流三通的结构尺寸将会成为限制振幅变化的主要因素，水头振幅将保持不变.

2.2 滴灌带沿程脉冲参数变化规律

图4为射流三通滴灌带脉冲性能沿程变化，图中L为测量点到滴灌带进口的距离.由图4a可知，随着射流三通进口流量Q1T增大，滴灌带内的水头振幅逐渐增大；随着测量点到进口距离增加，滴灌带内的水头振幅逐渐减小.当射流三通进口流量为0.3和0.4 m3/h时，射流三通产生的脉冲效应分别持续到距滴灌带进口30和50 m处.当射流三通进口流量大于0.4 m3/h时，射流三通连接的整条滴灌带均有脉冲效应.当射流三通进口流量分别为0.5，0.6，0.7和0.8 m3/h时，水头振幅的衰减速率均存在突变的过程，突变点分别为距离滴灌带进口10，20，20和30 m处.在突变点之前，水头振幅衰减速率较大；突变点之后，水头振幅衰减速率缓慢.随着进口流量增大，突变点到滴灌带进口的距离呈增大趋势.对比4个突变点可知，突变点的水头振幅均接近1 m，同时当进口流量为0.3或0.4 m3/h时，滴灌带进口处的水头振幅均小于1 m，其水头振幅的衰减速率也较为缓慢.表明当滴灌带内的水头振幅减小到1 m时，其在滴灌带内的衰减速率将会显著减小.

图4 射流三通滴灌带脉冲性能沿程变化

由图4b可知，当流量为0.3～0.8 m3/h时，滴灌带内水流的脉冲频率f为0～11.98 Hz.随着射流三通进口流量增大，脉冲频率在逐渐增大；随着距离增加，滴灌带内的脉冲频率出现了先增大后减小的趋势.其中当进口流量为0.6，0.7，0.8 m3/h，在滴灌带长度为30 m处出现脉冲频率最大值；当进口流量为0.5 m3/h，在滴灌带长度为10 m处出现脉冲频率最大值；当进口流量为0.3，0.4 m3/h，滴灌带脉冲频率呈现递减变化，脉冲频率的最大值均出现在滴灌带0 m处，即滴灌带进口处.

结合图4a和4b可知，水头振幅在突变点衰减较快，是因为脉冲频率增大，而在突变点之后，脉冲频率呈减小趋势，则水头振幅衰减较慢.

2.3 稳压滴灌与脉冲滴灌的水头损失对比

由于脉冲滴灌与普通滴灌系统的差别主要在于是否有脉冲水流，试验中应选择在整条滴灌带内均能产生脉冲效应的流量区间，因此选择在0.5～0.8 m3/h的范围内，对射流三通与普通三通连接滴灌带内水流的水力性能进行研究.图5为随着射流三通和普通三通进口流量Q1T增加，其所连接60 m滴灌带的水头损失hw变化曲线.当进口流量为0.5～0.8 m3/h时，普通三通连接滴灌带的沿程水头损失为0.90～1.30 m，射流三通连接的滴灌带的沿程水头损失为0.50～0.85 m.在进口流量相同的情况下，相比于普通三通，射流三通连接滴灌带的水头损失减小了62.5%～83.3%.同时，由图5可以看出，随着进口流量增大，滴灌带沿程水头损失也逐渐增大，在射流三通进口流量为0.6 m3/h时，射流三通连接的滴灌带的沿程水头损失减小最多，为83.3%.

图5 进口流量与滴灌带水头损失关系

2.4 稳压滴灌与脉冲滴灌的灌水均匀度

图6为三通进口流量为0.5，0.6，0.7，0.8 m3/h，滴灌带单侧铺设长度为60 m时，测试点的流量情况.图中A1，B1，C1，D1和A2，B2，C2，D2分别代表射流三通、普通三通在进口流量为0.8，0.7，0.6，0.5 m3/h的条件下，滴灌带上各测试点的流量Qc.由图6可知，随着滴头到滴灌带进口距离增加，滴灌带上的滴头流量呈减小趋势.原因是随着滴灌带长度增加，滴灌带内的局部水头损失和沿程水头损失也增加，滴灌带内的压力逐渐减小，从而导致流量递减；相比于普通三通，射流三通连接滴灌带的滴头流量曲线变化更为平缓，流量变化更小，均匀性更高.同时，相比于普通三通，射流三通连接的滴灌带水头损失较小，滴灌带内压力沿程变化较小，均匀性更高.

图6 滴头流量沿程分布

图7为滴灌带的灌水均匀度随射流三通和普通三通进口流量变化的关系曲线.

图7 进口流量与灌水均匀度关系

由图7可知，当进口流量为0.5～0.8 m3/h时，普通三通的灌水均匀系数Cu为96.6%～97.3%，流量偏差率qv为11.9%～15.6%；射流三通的灌水均匀系数为97.1%～98.0%，流量偏差率为9.2%～13.5%.在进口流量相同时，射流三通连接滴灌带的灌水均匀系数均比普通三通连接滴灌带的灌水均匀系数提高0.6%～0.9%，流量偏差率降低1.2%～4.1%；普通三通连接滴灌带的灌水均匀系数随着流量增大而增大，流量偏差率逐渐减小；射流三通连接的滴灌带的灌水均匀系数随着流量增大出现了先增大后减小的趋势，流量偏差率先减小后增大.由于射流三通能够产生脉冲水流，则射流三通连接的滴灌带内部存在脉冲效应，从而导致滴灌带的压力为动压，所以滴灌带内的水头振幅和脉冲频率是导致射流三通连接滴灌带和普通三通连接滴灌带的灌水均匀度产生差异的根本原因.

滴灌带内的动压体现在脉冲频率和脉冲振幅上，由图4a可知，在(0,20] m滴灌带段，射流三通进口流量为0.7与0.6 m3/h的沿程水头振幅的变化趋势相似，且数值相近.在滴灌带(20,60] m段，射流三通进口流量为0.7与0.8 m3/h的沿程水头振幅的变化趋势相似，且数值相近.则与其他3种进口流量的情况相比，当进口流量为0.7 m3/h时，在保证水头振幅足够大的情况下，振幅的衰减速度也比较慢，所以滴灌带灌水均匀性较高.

3 结 论

1) 当射流三通的进口流量大于0.2 m3/h时，射流三通能产生脉冲水流；当流量大于1.0 m3/h时，水头振幅变化趋于平缓.在进口流量为0.2～1.0 m3/h时，脉冲频率波动范围为0～11.98 Hz.

2) 当进口流量分别为0.5，0.6，0.7，0.8 m3/h时，射流三通连接滴灌带内的沿程水头振幅的衰减速度存在突变点，分别为距滴灌带进口10，20，20，30 m处；射流三通连接滴灌带内的沿程脉冲频率先增加后减小，脉冲频率的最大值点分别出现在距滴灌带进口10，30，30，30 m处；进口流量分别为0.3，0.4 m3/h时，射流三通连接滴灌带的沿程水头振幅和脉冲频率均呈现递减趋势.

3) 在流量相同的情况下，射流三通连接滴灌带内的水头损失比普通三通连接滴灌带内的水头损失降低62.5%～83.3%，灌水均匀系数提高0.6%～0.9%，流量偏差率降低1.2%～4.1%.

4) 在射流三通连接60 m滴灌带时，射流三通连接的脉冲滴灌系统的流量阈值为0.2～0.8 m3/h，射流三通进口流量的设计范围为0.5～0.8 m3/h.当流量为0.7 m3/h时，射流三通连接滴灌带的均匀度最高，流量偏差率最小，为射流三通滴灌系统的水力设计提供依据.