“槽型”驱动板对射流脉冲喷头水力性能的影响试验研究

颜海兰，王新坤*，姚吉成，黄建翔，赵文赫，孟天舒，王玺

(1. 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013； 2. 徐州市水利工程建设管理中心，江苏 徐州 221000)

农业是中国经济发展的重要支柱，在农业生产中应用节水灌溉技术十分重要[1].节水灌溉技术有利于水资源的高效利用.其中喷灌具有适应性强、节水效果好、占地面积小、后期维护成本小等诸多优点[2]，在农业、畜牧业等诸多领域均有广泛应用[3].喷头是喷灌系统的关键部件之一，其性能的好坏直接决定喷灌工程的整体喷洒效果和工程造价[4].

目前中国已开发出适合于各种用途的系列化喷头.其中摇臂式喷头在农业喷灌中应用最为广泛，它通过高速射流冲击驱动机构，驱动机构转动带动弹簧压缩蓄力、弹簧复位释放能量推动驱动机构反转撞击喷管，实现喷头的步进旋转，但该种喷头存在驱动机构复杂，弹簧易腐蚀老化等缺陷.喷头驱动力的大小不仅会影响其自身结构的应力分布和寿命，而且还会影响喷头运转的平稳性.国内外学者对喷头驱动力的研究主要集中在力对摇臂和喷头水力部件对作物的影响等方面.汤攀等[5]对垂直摇臂式喷头通过试验数据回归得到水平和垂直驱动力理论计算公式的修正系数.李红等[6]针对垂直摇臂式喷头的几何结构及运动特性，研究了摇臂在运动过程中的受力及约束情况.

对于不同形状主副喷嘴的喷头特性，国内外学者做了大量研究.ZHU等[7]新设计的动态流体喷头在不同的工作压力下用不同类型的喷嘴进行了测试.王子君等[8]针对8034D摇臂式喷头主、副喷嘴结构进行了优化改进, 并研究了喷嘴结构改进后对喷头流量、径向水量分布和组合喷灌均匀度的影响.李旭阳[9]以 PY22220 摇臂式喷头为研究对象设计出弯道式异形喷嘴，对弯道式异形喷嘴喷头进行了水力性能试验、结构优化设计及内部流场数值模拟等方面的研究.FORDJOUR等[10]在确定初始喷头模型参数后，开展了控制管和喷嘴结构对喷头旋转速度影响的数值模拟研究.LI等[11]对流体喷头的内部流动特性进行数值模拟与试验研究.周小引等[12]依据面积相同原则, 设计出圆形、三角形、正方形3种以及不同锥角形式的喷嘴, 研究低压下异形喷嘴喷头对喷灌水量分布的影响.

徐胜荣[13]设计发明了负压反馈射流喷头，该喷头在运动机制和喷洒方法上进行了创新，省去了摇臂撞击使喷头旋转的过程，通过脉冲射流间歇性击打驱动板来实现喷头步进式旋转喷洒，水力性能较优.张晨曦[14]针对负压反馈射流喷头采用控制变量法依次对驱动板倾角、驱动板齿槽曲率半径、驱动板齿槽深度3个结构参数进行研究，确定了驱动板的最优结构.

目前，基于射流脉冲喷头喷洒特点的驱动结构的设计与研究还比较缺乏.探索合适的驱动板设计对改善喷头的水量分布、减小喷灌强度、提高整体水力性能、加快其产业化进程等具有重要意义.鉴于此，文中在前期的研究基础上，针对影响射流脉冲喷头转动和水量分布较大的驱动板结构，进行创新设计与试验研究，通过改变副喷嘴的水量分布，来提高组合喷灌均匀性，以期为该型国产喷头后续研发和工程应用提供理论参考与数据支撑.

1 材料与方法

1.1 “槽型”驱动板结构

对于射流脉冲喷头，喷嘴是喷头的重要部件，分为主喷嘴和副喷嘴.主喷嘴主要与喷头射程相关，副喷嘴的主要作用是增加喷头近处的喷水量，承担喷头驱动和调节水量分布的作用.副喷嘴出口处安装固定驱动板，副喷嘴与驱动板为一体设计.驱动板是射流脉冲喷头的重要外部结构，它为喷头提供旋转动力，从而影响着喷头的驱动力大小和旋转步进的均匀性，同时也决定着喷头整体的水量分布特性，进而影响喷头的整体性能发挥.为改善射流脉冲喷头的径向水量分布，在综合考虑前期预试验、前期驱动板倾角研究结果和摇臂式喷头驱动板设计经验基础上，基于射流脉冲喷头的“双驼峰”式水量分布特点，创新了“槽型”驱动板结构.如图1所示，图中θ为倾角，b1,b2为横宽和挡板宽度，l2为挡板长度.

图1 “槽型”驱动板结构二维图

1.2 试验材料

文中在前人研究基础上，通过数值模拟方法，进一步优化了射流元件结构，得到了最优结构参数，具体各部件尺寸如下：射流进口宽度为4 mm，射流进口直角的长度为8 mm，控制道宽度为4 mm，位差为2.1 mm，倾斜壁面的倾斜角度为12°，劈距为30 mm，弯头曲率半径，主喷管长度和副喷管长度均为48 mm，喷管仰角为30°，主喷嘴直径为4.5 mm，副喷嘴直径为3.5 mm.文中研究对象为原射流脉冲喷头、优化后且安装最优“槽型”驱动板的射流脉冲喷头(以下简称“槽形”新喷头)和PY摇臂式喷头.

1.3 喷洒试验设计

试验设计参照GB/T 19795.2—2005《农业灌溉设备 旋转式喷头 第2部分：水量分布均匀性和试验方法》.试验于2020年10月—2021年1月在江苏大学圆形喷灌大厅中进行.试验中通过皮卷尺标定距离，将雨量筒沿喷头两侧按照1 m 间距径向摆放.为提高试验精度，在0～1.0 m 处，雨量筒按照0.5 m间距摆放，且雨量筒径向摆放距离超过喷头最大射程.喷头安装高度为1.2 m，压力表与喷头位于同一高度，涡轮流量计安装在离心泵出口处，试验场地平整，最大坡度小于1%，室内无风，试验布置示意图如图 2 所示.试验过程中，用涡轮电子流量计记录喷头流量，雨量筒测量水深，手机秒表记录喷头转动一周和每个象限的时间，喷头每次喷洒时间为 20 min，为保证试验精度，每组试验均重复进行3次，并对比试验数据，检查所测径向水量数据变化趋势，最后对3次试验数据取算数均值.具体喷洒试验现场如图3所示，由于喷头射程较远，为保证拍摄效果，喷洒现场仅拍摄一侧雨量筒与喷头.

图2 喷洒试验布置示意图

图3 喷洒试验现场图

1.4 喷灌均匀度评价

喷灌均匀度是反映喷洒区域内的水量分布均匀程度的指标，是衡量喷灌质量优劣的重要指标之一.喷灌均匀度越高，整体喷洒效果越好，越有利于作物的生长.对于旋转式灌溉喷头，按照 GB/T 19795.2—2005中的规定，喷灌均匀系数采用Christiansen 公式[15]来表示

(1)

2 “槽型”驱动板正交试验

2.1 正交试验设计

“槽型”驱动板结构设计中，内槽角度决定着喷头驱动力的大小和副喷嘴的最远射程.槽宽决定着喷嘴出射水流与主挡板的接触面积.侧驱动板角度主要影响近处的水量分布，同时副挡板也为喷头提供部分驱动力.驱动板宽度不能过大或过小，宽度过小导致喷嘴出射水流与挡板接触面积过小，喷头无法驱动；宽度过大会导致喷嘴出射水流冲击后分散严重，导致射流出射距离缩短.驱动板长度主要影响挡板与喷嘴出射水流接触面积大小.文中“槽型”驱动板结构设计是在综合考虑前期预试验、前期驱动板倾角研究结果和摇臂式喷头驱动板设计经验基础上进行的.所以选取内槽倾角θnc、内槽底宽bnc、侧驱动板角度θc、驱动板宽度bqd、驱动板长度lqd作为试验因素，分别用A，B，C，D，E表示.A取10°～13°，B取2～5 mm，C取14°～17°，D取9～12 mm，E取16～22 mm.通过16组试验得到上述结构参数对射流脉冲喷头水量分布影响规律.因素水平选择表如表1所示.试验中喷头工作压力为0.20 MPa.

表1 因素水平表

2.2 正交试验分析

“槽型”驱动板正交试验结果采用喷灌均匀度作为评价指标，16 种不同结构的“槽型”新喷头喷灌均匀度的变化为68.61%～90.29 %，其中第10组试验喷灌均匀度最高，为90.29 %，第4组试验喷灌均匀度最低，为68.61%，第2,3,4,7,9,11组喷灌均匀度小于喷灌工程技术规范GB/T 50085—2007规定的喷灌均匀度最低值75 %.具体试验结果如表2所示.

为了进一步得到各因素对喷头水力性能的影响程度，采用极差分析法对正交结果进行分析，定义y为各列水平号为j(j=1，2，3，4)的各试验结果之和，极差计算式为

Ri=max{yj1,yj2,yj3,yj4}-min{yj1,yj2,yj3,yj4}，

(2)

式中：yi=y/5；Ri为极差.

表2 试验结果

正交试验结果如表3所示，从表中可以看出：影响喷灌均匀度的主次顺序为AEBCD，即：内槽倾角，驱动板长度，槽宽，侧驱动板倾角，驱动板宽度；设计区间内最优结构为内槽倾角13°，驱动板长度16 mm，槽宽3 mm，侧驱动板倾角17°，驱动板宽度11 mm.

表3 正交试验结果分析

2.3 不同结构“槽型”驱动板水量分布

图4为正交试验得到的16种不同结构的“槽型”新喷头径向水量分布图，图中d为降水深,l为喷头距离.可以看出，不同结构参数设计下的喷头水量分布差距较大，其中第10组试验水量分布较好，呈类“三角形”，其最高喷灌均匀度可达90.29%，说明“槽型”驱动板设计可有效“削峰填谷”，改善射流脉冲喷头“双驼峰”形水量分布.通过试验1，2，3，4可以看出，当内槽挡板角度一定时，随着槽宽的增加，出射水流从内槽中喷往远处的水量增加，中远程喷洒水量逐渐增多；同时，随着侧驱动板角度和驱动板长度的增加，近处水量逐渐增加，这主要是由于侧驱动板角度和驱动板长度增加，引起水流往近处偏转增多.由试验4，7，10，13可以看出，当内槽角度与侧挡板角度相差较大时，近处水量增加，这主要是由于当内槽角度与侧挡板角度相差较大时，形成导流面效应(类似于挡板边缘1 mm立槽设计)，使得部分水流沿着角度交叉形成的导流面喷洒至近处.总体上，随着内槽角度的增加，“水峰”由远程逐渐向近中处移动，最终形成“双驼峰”分布.这主要是由于内槽角度增加导致副喷嘴射程不断减小，近中处水量分布逐渐增加，“水峰”前移；当内槽角度为12°，13°时，水量分布较好.

图4 安装不同“槽型”结构驱动板喷头水量分布图

3 喷头水力性能对比试验

为改善射流脉冲喷头的径间水量分布，检验“槽型”射流脉冲喷头性能实际提升效果，对新喷头、原喷头与摇臂式喷头进行水力性能对比试验.按照旋转喷头国家规范选取 0.15，0.20，0.25，0.30 MPa 共4个不同进口压力，对比其在不同进口压力下的水力性能的差异.由于射流脉冲喷头射程仅与主喷嘴结构和进口压力有关，驱动板的结构变化对射程无影响.所以文中水力性能仅分析水量分布与喷灌均匀度.

喷头的转动速度对其射程、水量分布和喷灌强度等均有影响，为保证试验条件一致，试验中通过增减转动机构处橡胶垫片数量的方式，控制喷头转动周期保持在80.00～95.00 s，试验组射流脉冲喷头转动周期为83.96～94.33 s，各象限转动时间为20.31～24.49 s，各象限转动偏差为0.03～2.52 s，转动偏差率为0.1%～ 11.5%，转动偏差率小于12%，满足国家标准.

3.1 压力流量关系

图5为不同压力进口下的“槽形”新喷头、原喷头与摇臂式喷头进口流量变化图，图中Qin为进口流量，pin为进口压力.从图中可以看出：在0.15～0.30 MPa的进口压力下，随着压力增加，新喷头、原喷头与摇臂式喷头进口流量均呈递增趋势；新喷头的进口流量变化为1.10～1.65 m3/h，原喷头的进口流量变化为1.27～1.77 m3/h，摇臂式喷头的进口流量为1.21～1.72 m3/h；新喷头进口流量相比原喷头进口流量减小0.12～0.17 m3/h，相比摇臂式喷头进口流量小0.07～0.16 m3/h.

图5 喷头进口流量与压力的变化关系

3.2 水量分布

图6为不同压力进口下的“槽型”新喷头、原喷头与摇臂式喷头径向水量分布图.可以看出：在0.15～0.30 MPa进口压力下，随着进口压力的增加，“槽型”新喷头、原喷头与摇臂式喷头整体水量均呈现递增趋势.“槽型”新喷头在不同进口压力下径向水量分布整体呈现“单峰”形，且随着进口压力增加，水量凸峰逐渐变缓，径向水量分布在 0.30 MPa 时呈类“三角形”.原喷头在不同进口压力下呈“双驼峰”形状，随着进口压力增加，近处水量不断增大，远处水量凸峰逐渐变缓；摇臂式喷头在不同进口压力下的径向水量分布整体呈近处水量少，中远处水量呈现类“三角形”.

图6 不同压力下喷头水量分布对比图

3.3 喷灌均匀度

图7为不同压力进口下“槽型”新喷头、原喷头与摇臂式喷头喷灌均匀度变化图.

图7 不同压力下喷头喷灌均匀度对比图

从图中可以看出，在0.15～0.30 MPa的进口压力下，安装“槽型”驱动板优化后的射流脉冲喷头与原喷头、摇臂式喷头的喷灌均匀度随着进口压力的增加，除个别外，整体均呈现递增趋势.“槽型”新喷头喷灌均匀度变化为83.62%～93.93%；原喷头匀度变化为82.59%～89.14%；摇臂式喷头均匀度变化为73.08%～85.36%.“槽型”新喷头喷灌均匀度比原喷头提高1.25%～7.43%，比摇臂式喷头高7.84%～14.42%.综合分析表明，“槽型”驱动板结构设计较为合理，对喷头喷灌均匀度改善显著.

4 结 论

1) 在0.15～0.30 MPa的进口压力下，随着压力增加，新喷头、原喷头与摇臂式喷头进口流量均呈递增趋势；新喷头的进口流量变化为1.10～1.65 m3/h，原喷头的进口流量变化为1.27～1.77 m3/h，摇臂式喷头的进口流量为1.21～1.72 m3/h；新喷头进口流量相比原喷头进口流量减小0.12～0.17 m3/h，相比摇臂式喷头进口流量小0.07～0.16 m3/h.

2) 针对“槽型”驱动板，16 组试验结果水量分布差距较大，总体随内槽角度和宽度增加，“水峰”前移，符合理论设计预期，喷灌均匀度的变化为68.61%～90.29 %，其中第 10 组水量分布最佳，呈类“三角形”，均匀度也最高.各因素水平对喷灌均匀度影响的顺序为内槽倾角，驱动板长度，槽宽，侧驱动板角度，驱动板宽度；设计区间内最优结构：内槽倾角13°，驱动板长度16 mm，槽宽3 mm，侧驱动板倾角17°，驱动板宽度11 mm.

3) 新喷头比原喷头喷灌均匀度提升明显，“槽型”新喷头喷灌均匀度比原喷头提高 1.25%～7.43%，比摇臂式喷头高 7.84%～14.42%.综上分析表明，“槽型”驱动板结构设计较为合理，对喷头喷灌均匀度改善显著.为射流脉冲喷头驱动板结构设计与优化提供了新思路.