多功能搖臂噴頭性能試驗研究

許正典，向清江，陳 超，易 萌

(江蘇大學流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

0 引 言

噴灌中各種新技術對國內節水灌溉的發展起到了積極推動作用[1]。隨著節能節水的噴灌發展方向，搖臂式噴頭存在工作壓力較高能耗過大、低壓噴灑時不均勻、地形適應能力及用水效率低等問題，改善搖臂噴頭的水力性能適應噴灌發展的需求變得尤為重要。例如在搖臂噴頭變射程研究方面，郝培業等[2]，孟秦倩等[3]為提高組合噴灌均勻性以及不規則地形的需求，研制非圓形噴灑域噴頭。在提高噴灑抗風性方面，李星恕等[4]李金山等[5]對噴頭仰角可調搖臂噴頭開展水力性能試驗。在搖臂噴頭的噴灑均勻性方面，部分學者在原有的搖臂噴頭結構的基礎上，總結出改善固有結構的一些方法，包括增加副噴嘴、異形噴嘴噴灌、多股流道結構和輔助裝置等來改善水力性能[6]，當然還有一些其他措施，如分水針和穩流器[7-9]等，這些方法在低壓水射流時噴灑均勻性改善程度有限。

近年來，部分學者提出把氣液兩相流引入應用于噴灌，用于改善低壓下水射流分散的效果。兩相射流研究可參考消防霧化噴嘴的研究結論和結果，Lefebvre等[10]的實驗研究中，結果發現這種類型的噴嘴注入小流量的氣體就可以取得較好的射流分散碎裂效果。氣泡霧化噴嘴的研究表明在噴灌噴頭的水射流中摻入一定量的氣體，將對射流破碎具有影響，從而影響水量分布。向清江等[11]在PY20搖臂噴頭的噴管中同軸度插入摻氣管，水射流抽吸空氣形成氣液兩相射流，水力性能試驗結果表明摻氣噴頭有效地提高了噴頭組合噴灌的均勻系數，并改善了搖臂噴頭末端雨滴過大的情況。

PY20搖臂噴頭中同軸度安裝的摻氣管，通過水射流不僅可以負壓吸氣還可以實現負壓吸液。噴頭吸液進行噴灌作業時，形成的液液射流可以相互摻溶，兩股液體在混合溶解時存在部分動能傳遞，而產生更多的細小水滴，影響射流的水量分布，液相可以為葉面肥、農藥等，因此實現了搖臂噴頭的多功能應用。多功能、節能、低壓、綜合利用的搖臂噴頭成為未來發展的趨勢[12]。本文基于PY20噴頭，研究噴頭摻氣、摻液能力，及該狀態下對比PY20噴頭水量分布的改善情況。

1 多功能噴頭結構及工作原理

在PY20搖臂噴頭的基礎上設計摻氣、摻液的結構，主要改進部分為內置了一根與噴頭的漸縮噴管同軸度的摻氣管，并選擇噴頭合適的噴嘴內徑，本文為分析主射流的性能而將副噴嘴封堵。如圖2所示，噴頭摻氣、摻液狀態的摻氣管內徑為2 mm，為了保證能與PY20搖臂噴頭在不同工作壓力下有近似的流量，選用噴嘴內徑D為8.2 mm的噴嘴。圖2中摻氣管伸縮距離L是以噴嘴出口端面為基點，摻氣管相對的移動距離，調節L可以確定最佳的摻氣、摻液狀態。

1-噴嘴；2-噴頭的噴管；3-吸氣管；4-吸氣軟管；5-抽吸液容器；6-立管圖1 多功能搖臂噴頭示意圖Fig.1 Schematic of multifunction impact sprinkler

圖2 噴嘴與摻氣管結構示意圖Fig.2 Sketch of nozzle and gas suction pipe

實現摻氣、摻液的過程為：摻氣管兩端與大氣相通，當噴頭噴灑工作時，由于液體的黏性作用在摻氣管的噴嘴端形成負壓，低于環境大氣壓值，摻氣管兩端形成壓差，氣體或液體被吸入與主射流混合，形成氣液兩相射流或者液液混合射流。

2 試驗方法

試驗在江蘇大學圓形噴灌試驗大廳開展，大廳直徑44 m、高18 m，滿足PY20噴頭及其改進噴頭的水力性能試驗測試條件。噴頭的垂直高度約為1.45 m。雨量筒采用徑向單列布置，雨量筒的垂直高度為0.93 m，第一個雨量筒與噴頭中心的水平距離為1 m，相鄰雨量筒的水平距離均為1 m。噴頭的壓力表采用量程為1 MPa、精度等級0.4的壓力表，選用電磁流量計來測量流量。摻氣噴頭選擇內徑為2 mm、外徑為4 mm的摻氣管。由于PY20搖臂噴頭噴嘴口內徑為7 mm，為了保證摻氣噴頭與搖臂噴頭噴嘴處的過流流量相同，按噴嘴出口過流面積等面積的原則(摻氣管與噴嘴齊平安裝，即L長為0 mm，此時摻氣管長度為13.1 mm)，換算出摻氣噴頭安裝的噴嘴口內徑理論值為8.06 mm，考慮到一定程度的流動損失，在該理論值基礎上加工了五個不同噴嘴口內徑，分別在150 kPa至350 kPa的工作壓力下對比摻氣噴頭與搖臂噴頭的流量，最終選擇噴嘴口內徑為8.2 mm的噴嘴與搖臂噴頭最為接近。

圖3 多功能搖臂噴頭全圓旋轉摻液工作Fig.3 Working state of multifunction impact sprinkler

摻氣時，采用FM310型微小氣體流量計測量噴頭不旋轉狀態下的吸氣量，以及采用負壓表測量抽吸的真空度，真空負壓表量程為-0.1 MPa、精度等級0.4。摻液時,吸氣軟管隨著搖臂帶動噴頭旋轉，自動吸取噴頭下方的盆狀儲水器中的水(試驗狀態如圖3所示保，持吸氣軟管進水口端面一直在液面以下)，選用精確到0.1 g的電子秤來測量吸液質量。通過調節L，獲得摻氣、摻液的最佳狀態。原搖臂噴頭、多功能噴頭的摻氣狀態和摻液狀態均以50 kPa工作壓力增量情況下開展性能試驗，全圓旋轉工作1 h，并測量徑向水量分布。

3 實驗結果和分析

3.1 抽吸流體的流量比

圖4為多功能搖臂噴頭的抽吸性能，圖4(a)，4(b)分別是液氣比和液液比隨工作壓力變化曲線及擬合線圖。

圖4 不同工作壓力時抽吸性能Fig.4 Suction ability under different working pressure

在噴頭的多功能應用當中，抽吸性能的衡量以噴頭工作水流量為參考，所吸入的氣體或液體流量與它的比值來反映。液氣比采用體積流量比，液液比為質量流量比。圖中看出隨著工作壓力的增大，被抽吸流體流量的增量小于噴頭工作水流量的增量，因此液氣比和液液比均下降明顯，隨著噴頭工作水流量的增大，被抽吸流體的流量增加量小，曲線符合指數變化形式，曲線的擬合公式對噴頭的性能具有參考意義，擬合式為：

液氣比：

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為無因次流量比；x為噴頭工作壓力。

擬合式的R2分別為0.998和0.999，公式擬合較好。

3.2 搖臂噴頭與多功能噴頭性能對比

表1中給出了在三種不同的進口工作壓力下，測得的搖臂噴頭及摻氣和摻液狀態的負壓、射程、噴頭流量、吸氣流量和吸水量。

表1 噴頭性能參數對比Tab.1 Performance Comparison of the impact sprinkler

從表1中可以看出在保證搖臂噴頭和摻氣噴頭在同壓力、近似流量的情況下，搖臂噴頭與噴頭摻氣狀態時的射程基本相同，但比噴頭摻液狀態的射程長約1 m。摻氣時，噴嘴出口處的氣柱對射流起到擾流的作用，但因氣體質量可以忽略不計，所以對射流初始速度無影響，對射程影響不大。摻液時，噴嘴出口處液體的動能要克服摻氣管中液體質量所做的功，且與摻氣管中慢速流動的液體溶解后，其動能相互傳遞，形成一股射流后噴射出去，噴嘴出口處的初始速度相對變慢，所以摻液對射程影響較大。負壓代表摻氣能力，隨著工作壓力的增加，摻氣能力和摻液能力呈階梯式增長，說明工作壓力是增強負壓及提高吸氣、吸水量的一個重要因素。

圖5為噴頭的徑向水量分布，圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)是搖臂噴頭和噴頭摻氣、摻液狀況分別在150、200和250 kPa工作壓力下的水量分布曲線對比圖。在三個工作壓力下，射程5～11 m范圍內灌水強度較小，是因為噴頭的副噴嘴堵住未考慮所致，目的是防止副噴嘴影響到摻氣、摻液效果分析。在圖5中，射程2 m之后的前段，降雨量依次按搖臂噴頭和搖臂噴頭摻氣、摻液狀態依次增加。由于噴頭摻氣、摻液時的擾流作用，噴頭近處的降雨量較搖臂噴頭有所增加。而摻液時，由于噴嘴出口處液液之間的相互溶解及能量相互轉換，造成射流初段部分液體動能減少，雨滴落在噴頭近處，降雨量從而大于噴頭摻氣時的降雨量。在射程中段，由于氣、摻液的擾流作用，兩種噴頭狀態均優于搖臂噴頭。在射流末端，降雨量上升趨勢按搖臂噴頭和搖臂噴頭摻氣、摻液狀態依次放緩，噴頭摻液狀態在末端降雨量最少，對作物的打擊力度最小。

以上可以看出噴頭摻氣摻液不僅可以實現多功能應用，還可以改善水量分布、降低雨滴在射流末端的打擊力度。

圖5 噴頭摻氣、摻液與搖臂噴頭徑向水量分布對比Fig.5 Comparison of water distribution curve with and without aeration

3.3 噴灌均勻系數

噴頭組合噴灑均勻性系數由如下公式進行計算[13,14]：

(3)

其中

表2 不同間距下均勻性系數表 %

為了進一步研究噴頭摻氣、摻液的灌溉效果，運用matlab編程軟件計算搖臂噴頭與噴頭摻氣、摻液狀況不同間距的噴灌均勻系數。組合噴灌的方式有很多種，以正方形和三角形的組合布置方式較常見，本文選用正方形的布置方式，組合間距選擇1R、1.1R、1.2R、1.3R、1.4R。由表2中可以看出，對比噴頭摻氣、摻液狀況和搖臂噴頭噴灑的組合均勻性系數，150、200和250 kPa下均有提高。通過計算結果可以得到150、200和250 kPa壓力下，噴頭摻氣、摻液的最佳組合間距及組合均勻性系數，其中搖臂噴頭的最佳組合間距均為1R；噴頭摻氣時，150 kPa工作壓力下最佳組合間距為1R，系數73.9%，其他壓力下最佳組合間距均為1.2R，均勻系數依次為75.0%和74.1%；噴頭摻液時，150 kPa壓力下最佳組合間距為1.3R，其他均為1.2R,系數依次為78.1%和82.3%。其中摻氣狀態組合噴灌均勻系數均在74%左右，摻液狀態組合噴灌均勻系數在80%左右，相對于搖臂噴頭的組合噴灌效果優勢明顯，且組合間距大，節省管網系統開支。圖6中為250 kPa壓力下，噴頭三種狀態噴灌均勻系數最優水量分布圖，通過灌溉間距可以看出，噴頭的摻氣、摻液狀況灌溉面積均大于搖臂噴頭，且噴頭摻液狀況在各噴管間距的降水量更加平均。

圖6 組合噴灌水量分布摻氣、摻液與不摻氣的對比Fig.6 Comparison of the combination irrigation water distribution with and without aeration

4 結 語

本文提出了PY20搖臂噴頭引入文丘里結構形成多功能噴頭，把氣液兩相射流或者液液混合射流的形式應用于噴灌，并在同壓力同流量下，與搖臂噴頭的水力性能進行對比。結果表明：

(1)隨著工作壓力的增大，液氣比和液液比呈曲線下降且漸趨向于某一正值，噴頭摻氣和摻液的流量增量減小。

(2)PY20噴頭摻氣時，對射程影響不大；摻液時，噴頭射程縮短約1 m。

(3)多功能噴頭摻氣和摻液提高了前段和中段的降水量，降低了射流軌跡末端的灌溉強度和打擊力度。

(4)噴頭摻氣、摻液時的組合噴灌均勻性均高于搖臂噴頭。其最佳的組合噴灌間距為1.2R，優于搖臂噴頭的1R，可以節約灌溉管網開支、降低經濟成本。

□

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