方形噴灑域搖臂式噴頭流道優化及內部流場數值仿真研究

王正中，翟 超，王文娥，范興科，吳普特

?

方形噴灑域搖臂式噴頭流道優化及內部流場數值仿真研究

王正中1,2，翟 超1,2，王文娥2，范興科3，吳普特3※

（1. 西北農林科技大學旱區寒區水工程安全研究中心，楊凌 712100； 2. 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，楊凌 712100；3. 國家節水灌溉楊凌工程技術研究中心，楊凌 712100）

針對圓形噴灑域搖臂式噴頭噴灑重疊多和超噴漏噴普遍，現行方形噴灑域搖臂式噴頭機構復雜、旋轉能耗大、局部水頭損失大、噴灑形狀與標準正方形偏差大等問題，該文通過對流量調節器喉口斷面菱形化和流道流線化，對方形噴灑域搖臂式噴頭流量調節器的形體進行優化，減少了不利的水頭損失，實現了精準方形噴灑的目標。根據水動力學的能量方程及動量方程推出了流量調節器局部水頭損失的計算公式；并運用三維軟件Pro/E建立流量調節器及噴頭的三維內流道幾何模型，利用CFD軟件建立其流體力學RNG湍流數值模型，對流量調節器及噴頭的內流場進行數值模擬，獲得了壓強、流速的動態分布規律，進而求得優化前后方形噴灑域噴頭不同旋轉姿態時的水頭損失及流量，結合同型號噴頭的出口流量與射程關系計算出優化前后的射程，進而對優化前后方形噴灑域噴頭不同旋轉姿態時的水頭損失、流量、射程及噴灑形狀等性能進行全面評價，驗證方形噴灑域搖臂式噴頭流道優化成果的可靠性。結果表明：優化后的方形噴灑域搖臂式噴頭結構簡單、水力自控、節能耐久、噴灑形狀標準、水頭損失小；在額定工作壓力范圍內優化后的搖臂式噴頭水頭損失降低25.8%，流量增大12.87%，噴灑形狀系數提高15.6個百分點，為方形噴灑域搖臂式噴頭的設計制造及應用推廣提供理論參考。

噴頭；流量；數值模擬；搖臂式噴頭；方形噴灑域；流道優化

0 引 言

噴灌是國內外主要的節水灌溉方式之一，搖臂式噴頭是園林綠化和農業灌溉中應用最廣的噴灌設備，隨著農業現代化及集約化的發展在中國北方旱區的應用將更為廣泛。而目前工程上普遍應用的搖臂式噴頭僅能噴灑圓形和扇形區域，對大面積的方形農田只能通過重疊拼接避免漏噴，但重疊太多又產生超噴，一方面導致灌溉均勻度低、浪費水資源和增加灌溉成本，另一方面因景觀園林邊界形狀更加復雜，超噴還會影響道路交通安全和景觀效果。因此，圓形噴灑域噴頭無法滿足千差萬別的生產需求，對于方形噴灑域噴頭的研究具有現實需求，也是噴頭創新研究中的一個重要課題。

國內外有關方形噴灑域噴頭的研究有很多，早在50年代James[1]提出通過在噴頭固定基座上設置仿形圓盤，當噴頭旋轉時帶動連桿機構控制噴嘴前面的活動式擋水板上下旋轉，從而改變射程實現方形噴灑，但機械摩擦能耗大，可靠性較差。1981年Benjamin[2]通過仿形齒輪盤調節轉速，通過齒輪和連桿傳動控制噴嘴上下轉動改變噴嘴仰角，從而改變射程實現方形噴灑。2000年Ohayon[3]通過設在圓盤表面的環形槽控制噴嘴出口柱塞式流量調節閥控制流量，從而改變射程和流量實現方形噴灑，但結構復雜能耗大。郝培業[4]在空心軸內分別設置蝶閥式、擋板式、遮孔式3種水流調節閥調節流量和壓力實現方形噴灑變量施水的目的，但機構復雜，噴灑域形狀系數偏低僅為70%。韓文霆[5]通過設在噴頭基座上的凸輪盤連桿傳動使安裝在噴嘴前方的碎水釘上下移動實現了周期性碎水，改變射程得到不同形狀噴灑域，但無法實現變量施水。孟秦倩等[6]通過空間連桿機構使噴嘴產生復合圓周運動，盡管理論上可實現方形噴灑，但未研制成產品。邢浩男等[7]利用凸輪盤和連桿裝置牽連噴頭上下擺動，控制噴嘴仰角變化，從而改變射程實現方形噴灑，盡管該噴頭形狀系數達到92.06%，形狀最接近標準方形噴灑域，但結構復雜，不能實現變量施水。

為此，王正中[8]在應用廣泛、噴灑質量好的美國雨鳥噴頭[9]的基礎上，通過在進水口加裝流量調器，設計了方形噴灑域噴頭。其中的流量調節器是通過水力自動控制的2個動靜異形進出水口的相對轉動，周期性改變喉口過水斷面面積調節流量和壓力，從而控制射程變化，實現水力自控、變量噴水的方形噴灑域。萬斌[10]通過對文獻[8]設計的方形噴灑域噴頭與同型號圓形噴灑域雨鳥噴頭進行噴灑性能對比試驗，驗證了在加裝流量調節器后方形噴灑域噴頭的射程、流量能實現方形噴灑的設定目標。韓文霆等[11-14]推導了方形噴灑與噴頭轉速、流量射程之間的變化關系，據此對國內外方形噴灑域噴頭進行評價，潘林[15]對國內方形噴灑域噴頭內部流場進行了數值仿真研究及性能測試，均表明文獻[8]設計的方形噴灑域噴頭結構最簡單、水力自控、可靠性高。范興科等[16]試驗證明了十字型流量調節器能較好的實現方形噴灑效果，并通過理論推導給出了十字型開孔最優長寬比為5:2。但從節能精準的現代化噴灌出發，文獻[8]方形噴頭因流量調節器的流道突變局部水頭損失過大，因進出口形狀不合理導致噴灑形狀與標準正方形偏差過大，其方形噴灑域形狀系數僅為71.29%，遠低于文獻[7]噴頭的92.06%。

為了解決方形噴頭結構復雜、噴灑形狀不標準的問題，對文獻[8]設計的方形噴頭進行流道及喉口優化極為必要。該文依據水動力學的能量方程及動量方程推求方形噴灑域噴頭流量調節器的局部水頭損失計算公式，并用流體力學軟件對流量調節器及搖臂式噴頭的內流場進行數值模擬分析及流道進行優化，并對優化前后方形噴灑域噴頭的水頭損失、流量、射程、噴灑形狀等性能指標進行全面定量評價，以期為方形噴灑域噴頭優化設計及制造提供理論依據。

1 方形噴灑域噴頭結構及其工作原理

1.1 結構組成及優化

搖臂式噴頭主要包括搖臂、擋水板、扭力彈簧、大（主）噴管、小（副）噴管、噴體、空心軸和套軸等部件，而方形噴灑域搖臂式噴頭是在空心軸內部設有十字形孔板進水口與螺紋管內條形孔板出水口對接組成的流量調節器，通過螺紋連接在套軸上，各組件如圖1所示。

1.大噴管 2.小噴管 3.擋水板 4.搖臂 5.套軸 6.空心軸 7.螺紋管 8.扭力彈簧 9.噴體

本研究提出的方形噴灑域噴頭流量調節器優化方案包括2方面：1）將空心軸和螺紋管的內流道流線化；2）按精準方形噴灑域要求對空心軸和螺紋管對接處（喉口）相對轉動的異形出入口形狀進行優化，提出采用菱形出口代替原條形出口、采用星形入口代替原十字形入口，即對流量調節器喉口過流斷面進行優化，如圖2所示。

注：圖中數字單位均為mm。

1.2 工作原理

優化前后的方形搖臂式噴頭是在傳統搖臂式噴頭上加裝流量調節器實現方形噴灑，兩者的工作原理相同。當噴頭上部旋轉體旋動時，噴頭與菱形出水口的空心軸一體轉動，而固定在螺紋管頂端的星形進水口則與菱形出口的空心軸在水力自動作用下發生周期性的相對轉動，從而通過改變喉口過流面積及調節內流道壓力及流量，實現調節流量與射程，噴灑出方形噴灑域。由于流量調節幅度不大，搖臂的擺角變化也較小，雖然水流對搖臂的沖擊力會有影響，但據文獻[17]在搖臂旋轉角在0.05 rad以上時，搖臂回擺的角速度變化很小。也就是說，加裝流量變化不大的流量調節器，對噴頭轉速產生影響很小，不會對噴灑的均勻度產生影響。

2 流量調節器水頭損失的理論計算

為了從理論上準確計算方形噴灑域噴頭流量調節器局部水頭損失，為其喉口進出口斷面形式選擇及流道優化提供理論依據，本文首先依據水動力學的能量方程及動量方程推求方形噴灑域噴頭流量調節器的局部水頭損失計算公式，為分析方便，取某一瞬時流量調節器內流道流線圖（圖3）。

注：斷面1、2、3、4、5分別為流量調節器圓形斷面、星形斷面、周期性變化斷面、菱形斷面和圓形斷面，箭頭方向為水流的流動方向。

如圖3所示斷面2、4對接并相對轉動，形成周期性變化的過水斷面3，由于斷面2、3、4實際長度極短，僅有局部水頭損失，為了計算方便，將斷面2、3、4依據過流面積相等的原則等效為圓形，則整體水頭損失由斷面1、2間的逐漸收縮段、斷面2、3間的突然收縮段、斷面3、4間的突然擴大段、斷面4、5間的逐漸擴大段4部分組成。

應用能量方程求解局部水頭損失的前提是各計算斷面處必須為漸變流，經對圖3所示的流量調節器各時刻流場的分析表明，以上5個計算斷面均處于漸變流處。下面以突然擴大段為例，用能量方程分析計算斷面3與斷面4之間的局部水頭損失，忽略修正系數影響[18]，由能量方程可得

式中3、3、3和4、4、4分別為斷面3、4的壓強，kPa；高程，m；速度，m/s；為水的容重，取9.8 kN/m3；為重力加速度，取9.8 m/s2；為斷面3、4間的局部水頭損失，m。

取斷面3與4之間的流體為控制體，由動量方程可得

式中3、4分別為斷面3、斷面4的面積，m2；為液體密度，取1 000 kg/m3；為流量，m3/s。

聯立式（1）、（2）可得突然擴大段局部水頭損失3。

將連續性方程33=44帶入式（3），整理可得

式中3為突然擴大段局部水頭損失系數。

同理，流量調節器其他3段的局部水頭損失也可以用局部水頭損失系數表示。

因此，流量調節器的總水頭損失可表示為

式中1、2、3、4分別為逐漸收縮段、突然收縮段、突然擴大段、逐漸擴大段對應的局部水頭損失系數，可通過查閱文獻[18]得到。

3 方形噴灑域搖臂式噴頭內部流場數值分析

為了全面掌握優化前后方形噴灑域搖臂式噴頭內流場變化規律，準確獲取噴頭不同時刻的流量、壓力、流速數值及其變化，本文應用計算流體力學對方形噴灑域搖臂式噴頭內部流道流場進行數值模擬分析，通過離散方法求解方程組獲得場變量的近似值，即可獲得流場內部各個位置的基本物理量，如壓力、速度等數值和圖像。

3.1 分析方法與研究方案

具體計算選用CFD的Fluent軟件平臺，應用滑移網格模型模擬噴頭旋轉過程中流體運動規律，在噴頭旋轉體的下表面和靜止體的上表面設置Interface面，選用RNG湍流模型和無滑移壁面，進出口邊界為壓力邊界條件，使用SIMPLE算法，離散格式選用二階迎風格式，對噴頭內流道流場進行非定常數值模擬。

具體分析分別對圓形搖臂式雨鳥噴頭、優化前方形噴灑域搖臂式噴頭、優化后方形噴灑域搖臂式噴頭3種噴頭的內流道流場進行數值仿真研究；由于方形噴灑域噴頭在經過流量調節器后，工作壓力及流量呈周期性變化，因此為了涵蓋其工作壓力變化范圍，在雨鳥噴頭的額定工作壓力（170~690kPa）[19]內選取250、300、350、400、450和500 kPa 6種入口工作壓力工況；考慮方形噴灑域噴頭結構的對稱性，為了提高計算效率計算的轉動范圍取0～45°，每隔5°為1組提取1次流速、壓強及出口流量，每種方案每種工況分析10個不同轉動姿態噴頭的內流場變化規律，計算出流速、壓力及流量。

3.2 方形噴灑域搖臂式噴頭的幾何模型

以美國雨鳥30PSH噴頭為基礎，以包含流量調節器在內的搖臂式噴頭為研究對象，雨鳥30PSH噴頭的流道為圓形截面，不同斷面的內徑為4.4～15.8 mm；流量調節器喉口斷面尺寸見圖2。本文利用Pro/E建立噴頭及內流道三維模型，如圖4所示。坐標系為直角坐標系，坐標原點在旋轉體和靜止體交界面（喉口）中心處。整個計算域包括噴體內流道、空心軸內流道和螺紋管內流道。其中，空心軸入口為菱形，螺紋管出口為星形，螺紋管入口直徑為17 mm，長42 mm。

注：圖中的數字單位為mm。

3.3 方形噴灑域搖臂式噴頭內流道流場數值計算模型

在250～500 kPa工作壓力下，噴灑流量為3.16～4.66 m3/h，計算得到噴頭雷諾數（）數量級在105以上遠大于2 300，所以流體在噴頭內部的流動是伴隨著噴頭轉動的湍流。因此，噴頭內水流流動為非定常連續不可壓縮的流體[20-22]，據此對噴頭湍流模型進行簡化，以張量形式表示其瞬態流動基本控制方程組。

連續方程

Navier－Stokes方程

式中下標，均代表、、z軸3個方向；為流體微元體上的壓力，Pa；為時間，s；為流體的動力粘性系數；為速度，m/s；為源項，S=F+s，本文研究對象是粘性為常數的不可壓流體，一般取s=0，F為微元體上的體積力，N。

RNG湍流模型運輸方程[23-24]見式（8）～（15）。

方程

方程

其中

式中為湍動能，J；為耗散速率；G為平均速度梯度引起的湍動能的產生項；μ為有效粘性系數；C、1ε、2ε為經驗常數；α、α為與和對應的Prandtl數；為熱膨脹系數；為平均時間尺度與湍流時間尺度之比；0是在剪切流中的典型值；E為主流的時均應變率；1為應變率的函數;各系數取值[25]C=0.084，1ε=1.42，2ε=1.68，α=α=1.39，0=4.377，=0.012。

3.4 數值模擬的前處理及邊界條件

將三維模型導入Hypermesh中，并根據三維計算域的特點，對整個計算域采用四面體非結構化網格劃分，網格大小為0.5 mm，并對異形進出水口進行了網格加密，網格單元總數為30～40萬。如圖5所示，模型分為上方噴體和空心軸組成旋轉體區域，下部螺紋管為靜止體區域。

圖5 噴頭網格示意圖

噴頭在工作時進出口壓力基本處于恒定狀態，因此入口邊界設置為壓力邊界[26]，入口壓力為250、300、350、400、450和500 kPa；噴頭出口水流直接射入空氣，因此出口壓力為標準大氣壓，不考慮重力影響；本次模擬為非定常分析，旋轉速度設置為1 r/min[15]，噴頭旋轉45°，計算90個時間步，因此時間步長取0.083 33 s，收斂精度控制為10-4。

4 方形噴灑域噴頭內流道流場數值計算結果及優化效果評價

4.1 流量調節器喉口區流場分析

根據幾何模型對噴頭內流道流場進行三維非定常模擬，在進口壓力為250、300、350、400、450和500 kPa下，模擬出雨鳥噴頭及優化前后方形噴灑域噴頭在0～45°轉角下速度矢量圖、流場的靜壓力。限于篇幅，本文僅給出250、350、450 kPa速度矢量圖（圖6）、流場的靜壓力（圖7）。

結合圖6、圖7可以看出，在不同工作壓力下，優化前后方形噴灑域噴頭在喉口突變處均有明顯的旋渦，但優化后旋渦區域明顯縮小；在同一工作壓力下，優化后流速明顯提高，但仍小于雨鳥噴頭的流速；3種噴頭的靜壓力沿水流方向均呈現降低趨勢，在主副噴嘴處急劇降低；與雨鳥噴頭相比優化前后方形噴灑域噴頭在喉口突變處靜水壓力均急劇降低，但優化后壓力降幅明顯減小，從而保證了出口流速增大及射程增加，提高方形噴灑的精準性。因此，為了減少方形噴灑域噴頭的水頭損失，有必要對其流道進行優化。

圖6 不同工作壓力下方形噴灑域噴頭優化前后速度矢量圖

圖7 不同噴頭在300 kPa工作壓力時的流場分布

4.2 數值模型精確性評價

為了驗證本文數值模擬成果的準確性，以雨鳥30PSH噴頭出廠標定的進口壓力與出口流量之間的關系為準評價數值模擬的壓力-流量關系。

表1列出了雨鳥30PSH噴頭在不同工作壓力下的出廠標定流量與數值模擬流量及其相對誤差。從表1可以看出，數值模擬的工作壓力-流量關系與其出廠標定的壓力-流量關系十分吻合，模擬值稍小，相對誤差絕對值小于3.68%，驗證了本文噴頭內流道流場數值分析模型的準確性，為方形噴灑域噴頭數值仿真分析建立了正確的數值模型。

為了進一步驗證水頭損失數值模擬的準確性，表2給出了水頭損失模擬誤差最大的500 kPa工作壓力下，優化后方形噴頭不同轉角水頭損失模擬值與按式（5）計算值。從表2中看出，隨著噴頭轉角的增大過流面積的減小，水頭損失的模擬值與計算值同步增大，且水頭損失主要集中在突縮和突擴段，兩者變化規律一致，模擬值與計算值相對誤差小于5%，表明水頭損失模擬結果是準確可靠的。

表1 不同工作壓力雨鳥30PSH噴頭模擬流量與試驗流量對比

表2 不同轉角下方形噴灑域噴頭水頭損失計算值與模擬值對比

4.3 不同工作壓力下方形噴頭各轉角下流量與水頭損失變化規律

由于流量調節器是通過調節喉口過水斷面面積改變局部水頭損失來調節流量，從而實現了變量施水和方形噴灑的目標。因此，有必要從數值模擬和理論分析2個方面，對優化前后噴頭在不同轉角下的水頭損失及流量變化規律進行全面分析，為噴灑均勻及形狀標準的方形噴頭研究奠定基礎。圖8是根據數值仿真計算成果繪制出了雨鳥噴頭及方形噴頭優化前后不同壓力、不同轉角下的流量與水頭損失的變化規律圖。

考慮噴頭結構的對稱性，噴頭轉角范圍取0～45°，每隔5°為1組提取1次流量及壓力。將250～500 kPa工作壓力下各種噴頭不同轉角的流量導入MATLAB即可得到雨鳥噴頭及方形噴頭優化前后不同轉角時流量及水頭損失圖。

從圖8a可以看出，隨著噴頭工作壓力增大流量也增大；隨著噴頭轉角變化，雨鳥噴頭流量保持不變，而方形噴頭由于喉口斷面由大變小，流量也變小；當旋轉角度為0時流量調節器過流面積最大，流量也最大；當旋轉角度為45°時過流面積最小，流量也最小；優化后的噴頭流量隨轉角變化更加明顯，從而實現變量施水和方形噴灑。

從圖8b可以看出，隨著工作壓力的增大，3種噴頭的水頭損失都增大。雨鳥噴頭水頭損失不隨噴頭轉角發生改變；方形噴灑域噴頭水頭損失隨著噴頭轉角的增大而增大，但優化后方形噴灑域噴頭由于流道流線化使其在轉角為0時水頭損失相比優化前降低25.8%，從而使流量及射程增大；在轉角為10°時方形噴頭優化前后水頭損失相等；當轉角超過10°后優化后噴頭水頭損失逐漸增大，從而使流量及射程隨之減小；轉角45°時水頭損失比優化前增大21.3%，從而使流量與射程同步變化，實現精準方形噴灑。

圖8 不同噴頭在不同壓力和轉角下流量及水頭損失變化圖

4.4 方形噴灑域噴頭流量與射程變化規律

方形噴灑域噴頭噴灑形狀取決于噴頭射程，因此有必要對噴頭不同轉角下的射程進行計算，以便于對方形噴灑效果進行評價。文獻[27]研究表明，對于確定的噴頭射程取決于出口流量及噴嘴構造，方形噴灑域搖臂式噴頭（圓形噴灑域噴頭是其特例）的流量射程方程見式（16）。

式中Q為方形噴灑域噴頭在時刻的流量，m3/s；為噴頭轉動一周內單位噴灑面積上應受到的平均噴灑水量，對于給定的噴頭，為常數，m；ω為噴頭在時刻的轉速rad/s；R為方形噴灑域噴頭在時刻的射程，m。

由式（16）可見方形噴灑域搖臂式噴頭的射程與流量的平方根成正比，只要確定了該正比系數就可據此將數值仿真計算的流量Q轉換成射程R，進一步獲得方形噴頭的噴灑形狀。因此，需要根據雨鳥30PSH噴頭出廠標定的流量與射程關系確定該正比系數，將出廠標定的最大流量和射程，帶入公式（16）得式（17）。圖9為噴頭流量射程試驗值及理論計算值曲線。

圖9 噴頭流量射程曲線

由圖9可知，理論計算值與試驗值變化趨勢相同，吻合效果較好。根據式（17）可由數值模擬的噴嘴出口流量計算出方形噴灑域噴頭的射程，現以圖8a中500 kPa工作壓力下（計算誤差對工作壓力最敏感）的各種噴頭的流量轉化為極坐標如圖10a所示，由式（17）進一步轉化為極坐標下的噴頭射程如圖10b所示。

由圖10a可見，優化前后的方形噴灑域噴頭流量變化趨勢基本相似，但優化后隨著噴頭轉角的增大流量下降速度更快，優化后流線型流道噴頭在轉角為0時最大流量比未優化前增大12.87%，在轉角為45°時最小流量比未優化前減小12.83%，在轉角10°處兩者相等，流量的減小剛好與射程的減小同步，利于變量施水要求。

由圖10b可直觀看出，優化前噴灑形狀與文獻[10]試驗結果相吻合，近似為正方形噴灑域，但正方形的邊向外突出而角點不突出；優化后方形噴灑域噴頭噴灑形狀更為標準，方形角點更突出，4條邊更接近直線，優化前最大射程17.33 m，最小射程為15.61 m，優化后最大射程18.25 m，最小射程為14.57 m，基本符合標準正方形。

圖10 極坐標系下噴頭流量與射程

為了評價優化前后噴灑面積與標準正方形的差別，將圖10b噴灑形狀與標準正方形比較見表3。

表3 優化前后噴灑面積對比

從表3中可以看到優化前方形噴灑面積為864.98 m2，超噴面積166.98 m2，與標準正方形噴灑域誤差為23.55%；優化后方形噴灑面積為804.32 m2，超噴面積97.13 m2，與標準正方形噴灑域誤差為13.70%，相比于未優化前噴灑面積誤差降低了9.85個百分點。

4.5 方形噴灑域形狀系數

形狀系數是用來定量描述噴灑域形狀和正多邊形的相似程度，文獻[28]提出了形狀系數的計算式，見式（18）。

式中max為實際最大射程，m；為實際最小射程，m；為正多邊形邊數。

根據式（18）計算得到工作壓力為500 kPa時優化前后方形噴頭的形狀系數分別為71.29%和86.89%，提高了15.6個百分點，相比于文獻[4]噴頭方形系數為70%左右，文獻[15]噴頭方形系數為77.6%，文獻[7]噴頭方形系數為92.06%，本文的方形搖臂式噴頭優化效果顯著，噴灑形狀標準，與同類型方形噴灑域噴頭相比，僅比最精準方形噴頭[7]形狀系數略低，但是結構簡單利于推廣。

5 結 論

本文采用計算流體力學的RNG湍流模型對方形噴灑域噴頭的內流場進行數值模擬，并依據水動力學理論研究了流量調節器的水頭損失，據此對流量調節器的喉口斷面及流道優化，主要取得以下結論：

1）推出了方形噴灑域搖臂式噴頭流量調節器的局部水頭損失理論計算公式，建立了方形噴灑域搖臂式噴頭三維非定常湍流數值模型，對其內流場進行動態數值仿真分析，獲得了流速、壓強的分布規律，為方形噴灑域噴頭喉口及流道優化提供理論指導和數值方法。

2）對流量調節器喉口采用星形入口、菱形出口的斷面優化及對其流道的流線化，不僅能保持優化前方形噴頭結構簡單、水力自控、能耗小可靠度高的優點，而且實現了方形噴灑和變量施水的目標。

3）優化后的方形噴頭喉口旋渦區域明顯縮小、流速顯著提高，方形噴灑域角點水頭損失比優化前降低25.8%、流量增大12.87%，方形中點水頭損失比優化前增大21.3%、最小流量減小12.83%，從而保證了出口流速及射程的調節，提高方形噴灑的精準性；優化后方形噴灑域噴頭最大界外噴灑減小9.85個百分點；形狀系數達到86.89%，比優化前提高15.6個百分點，為方形噴灑域搖臂式噴頭的設計制造及應用推廣提供理論參考。

[1] James T Porter. Sprinkling device: US2582158[P]. 1945-06-26.

[2] Benjamin F Rabitsch. Irrigation sprinkler: US4277029[P]. 1981-07-07.

[3] Ohayon S. Automatic adjustable sprinkler for precision irrigation: US6079637[P]. 2000-06-27.

[4] 郝培業. 新型搖臂式噴頭： CN00215392.0[P]. 2001-06-27.

[5] 韓文霆. 非圓形噴灑域的搖臂式噴頭：CN03218590.1[P]. 2003-08-27.

[6] 孟秦倩，王健，蔡江碧. 非圓形噴灑域噴頭的可實現性研究[J]. 西北農林科技大學學報：自然科學版，2003，31(2)：145－148.

Meng Qinqian, Wang Jian, Cai Jiangbi. The research on realizing non-circular spraying district of sprinkler[J]. Journal of Northwest A&F University: Natural Science Edition, 2003, 31(2): 145－148. (in Chinese with English abstract)

[7] 邢浩男，楊啟良，喻黎明，等. 方形噴灑域噴灌裝置的研制與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(22)：84－91.

Xing Haonan, Yang Qiliang, Yu Liming, et al. Design and experiment of sprinkler irrigation device with square spray field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017, 33(22): 84－91. (in Chinese with English abstract)

[8] 王正中. 噴灑面為多種形狀的搖臂式噴頭：CN00257672.4[P]. 2001-09-19.

[9] 喻黎明. 國內外幾種主要噴頭水力性能測試與評價[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2002.

Yu Liming. The Test and the Remark of the Hydraulic Performance of Several Main Sprinklers at Home and Abroad[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2002. (in Chinese with English abstract)

[10] 萬斌. 方形噴灑面噴頭及其性能研究[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2003.

Wan Bin. Study on Impact Drive Sprinkler with Quadrate Wetted Areas and Its Performance[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2003. (in Chinese with English abstract)

[11] 韓文霆. 變量噴灑可控域精確灌溉噴頭及噴灌技術研究[D]. 西北農林科技大學，2003.

Han Wenting. Variable Rate Watering and Contour Controlled Precision Sprinkler and Sprinkler Irrigation[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2003. (in Chinese with English abstract)

[12] 韓文霆，吳普特，馮浩，等. 方形噴灑域變量施水精確灌溉噴頭實現理論研究[J]. 干旱地區農業研究，2003，21(2)：105－107.

Han Wenting, Wu Pute, Feng Hao, et al. Variable-rate sprinklers for precision irrigation on square area[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2003, 21(2): 105－107. (in Chinese with English abstract)

[13] 韓文霆，吳普特，馮浩，等. 仿形噴灑變量施水精確灌溉技術研究進展[J]. 農業工程學報，2004，20(1)：16－19.

Han Wenting, Wu Pute, Feng Hao, et al. Review on irrigated area profile modeling and variable-rate precision sprinkle irrigation technique[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2004, 20(1): 16－19. (in Chinese with English abstract)

[14] 韓文霆，吳普特，馮浩，等. 非圓形噴灑域變量施水精確灌溉噴頭綜述[J]. 農業機械學報，2004，35(5)：220－224.

Han Wenting, Wu Pute, Feng Hao, et al. Variable-rate sprinklers for precision irrigation on irregular boundary area[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2004, 35(5): 220－224. (in Chinese with English abstract)

[15] 潘林. 非圓形域噴頭調節器的內部流場研究及性能測試[D]. 武漢：華中農業大學，2007.

Pan Lin. Internal Flow Field and Performance Test of Irregular Wetted Areas Sprinkler[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[16] 范興科，吳普特，馮浩，等. 全圓旋轉搖臂式噴頭的非圓形域噴灑[J]. 灌溉排水學報，2006，25(1)：58－61.

Fan Xingke, Wu Pute, Feng Hao, et al. Non-circular spray region of the round rotatory rocker arm sprinkler[J]. Journal of Irrigation & Drainage, 2006, 25(1): 58－61. (in Chinese with English abstract)

[17] 王澤，范國瑛，李世英. py_1系列噴頭搖臂運動的研究[J].排灌機械，1986(5)：16－22.

[18] 呂宏興，裴國霞，楊玲霞. 水力學[M]. 北京：中國農業出版社，2002.

[19] Nguyen Van Lanh. Based on Pre/E Reconstruct Sprinkler Structure and Investigations on Internal Flow Characteristic of the Sprinkler by Numerical Simulation and Experiment Methods[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2011.

[20] 韓文霆，Nguyen VanLanh，徐琳．搖臂式噴頭內流道流場數值模擬[J]．農業機械學報，2011，42(8)：58－64．

Han Wenting, Nguyen VanLanh, Xu Lin. Investigations on internal flow characteristics of impact sprinkler based on numerical simulation method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(8): 58－64. (in Chinese with English abstract)

[21] 李紅，湯攀，劉振超，等．噴頭導流器位置參數的計算及其對噴頭性能影響[J]．農業工程學報，2014，30(17)：109－116.

Li Hong, Tang Pan, Liu Zhenchao, et al. Calculation of sprinkler drive vane positional parameters and its influence on sprinkler performance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(17): 109－116. (in Chinese with English abstract)

[22] 馮俊杰，劉楊，蔡九茂，等．自動調流式滴頭的內部流場數值模擬[J]．節水灌溉，2017(9)：88－93.

Feng Junjie, Liu Yang, Cai Jiumao, et al. Numerical simulation of the inner flow field for the self-adjustment flow of drip irrigation emitter[J]. Water Saving Irrigation, 2017 (9): 88－93. (in Chinese with English abstract)

[23] 袁壽其，朱興業，李紅，等. 全射流噴頭內部流場計算流體動力學數值模擬[J]. 農業機械學報，2005，36(10)：46－49.

Yuan Shouqi, Zhu Xingye, Li Hong, et al. Numerical simulation of inner flow for complete fluidic sprinkler using computational fluid dynamics[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2005, 36(10): 46－49. (in Chinese with English abstract)

[24] 嚴海軍，徐成波，陸文紅，等. 搖臂式噴頭內流道流動分析與數值模擬[J]. 水利學報，2009，40(1)：122－127.

Yan Haijun, Xu Chengbo, Lu Wenhong et al. Numerical simulation of internal flow field in impact sprinkler[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009, 40(1): 122－127. (in Chinese with English abstract)

[25] 王福軍. 計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

[26] 王玄，李廣，郭聰聰，等．搖臂式噴頭副噴嘴仰角及位置參數的優化[J]．農業工程學報，2015，31(11)：89－95．

Wang Xuan, Li Guang, Guo Congcong, et al. Optimization of impact sprinkler sub-nozzle parameters of elevation angle and position[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(11): 89－95. (in Chinese with English abstract)

[27] 韓文霆，吳普特，馮浩，等. 變量噴頭實現均勻噴灌的研究[J]. 農業工程學報，2005，21(10)：13－16.

Han Wenting, Wu Pute, Feng Hao, et al. Theoretical study on variable-rate sprinklers for high uniformity precision irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(10): 13－16. (in Chinese with English abstract)

[28] 郝培業. 六方(四方)型搖臂式噴頭(一)[J]. 節水灌溉，2003(2)：25－26.

Hao Peiye. Impact sprinkler with hexagon or quadrangled wetted area(Ⅰ)[J]. Water Saving Irrigation, 2003(2): 25－26. (in Chinese with English abstract)

Optimization and flow numerical simulation of flow passage of square spray field impact sprinkler

Wang Zhengzhong1,2, Zhai Chao1,2, Wang Wen’e2, Fan Xingke3, Wu Pute3※

(1.712100; 2.712100; 3.712100,)

Sprinkler irrigation is one of the main water-saving irrigation methods at home and abroad. As a common water-saving irrigation equipment, impact sprinkler is widely used in landscaping and agricultural irrigation fields. The traditional impact sprinkler with circle spray filed has the disadvantages of overlap spray, excessive spray and missing spray. In response to above disadvantages, impact sprinkler with square spray field has been improved but it remains facing many problems such as complicated mechanical structure, excessive head loss, and it’s spray shape deviates from square. In order to reduce the local head loss, the inner passageway of spray’s flow regulator consist of hollow shaft and threaded pipe was optimized with streamline. To achieve the goals of accurate square spray field, the docking port between hollow shaft and threaded pipe was reshaped with diamond shape as entry end connect to threaded pipe and star shape as export end connect to hollow shaft. The improvement above can effectively reduced the head loss that was unfavorable to the spray shape, and improved the range and spray shape factor. To evaluate the drag reduction effect in passageway of sprinkler, the flow regulator was divided into four part according to it’s inner flow state. Then the head loss formulas for each part were derived by energy equation and momentum equation of hydrodynamics. The whole head loss of the optimized flow regulator was expressed as sum of the four parts head loss related to their flow velocity and loss coefficient effected by passageway’s shape at last. The flow velocity of each part could be obtained by simulating which was conducted in this paper. This work provided a theoretical basis for the selection of the flow regulator inlet and outlet and flow passage optimization of the square spray field impact sprinkler. For global flow analysis and provide flow velocity result for head loss calculation, the three-dimensional unsteady numerical simulation of the inner flow path of the square spray field impact sprinkler was carried out. The 3D geometric model of flow regulator was established using Pro/E software. The distribution regularities of velocity and pressure were simulated by FLUENT software with the RNG-turbulence model. Pressure inlet was set as the inlet boundary condition in the model, with the working pressure 250, 300, 350, 400, 450 and 500 kPa respectively. According to the relationship between the flow rate and the range of the same type of Rain Bird impact sprinkler without the flow regulator, the range of four corners of a square spray field sprinkler with optimized flow regulator was calculated. According to the working equation of the square spray impact sprinkler, the variation rule of the range under different rotation angles can be obtained. Finally, comparting with the same type of Rain Bird sprinkler, the optimization effect of the square sprinkler was evaluated by the variation of the head loss, flow rates, range change and spray shape, and the reliability of the results was verified. The results show that the new type of square spray field sprinkler is simple in structure, hydraulic automatic control, energy saving, durable and convenience, and has standard spraying shape with small head loss. Compared with the square spray field sprinkler before optimized, the head loss of the optimized square spray field sprinkler in the rated working pressure reduced by 25.8%. The flow regulator range of the improved sprinkler is enlarged, with maximum flow rate increasing by 12.87% and minimum decreasing by 12.83% respectively. In addition, the spray shape factor is 86.89% which rises 15.6 percentage points and the excessive spray error reduces 9.85 percentage points. This provides a theoretical reference for the design, manufacture and application of the square spray field sprinkler.

sprinkler; flow rate; numerical simulation; impact sprinkler; square spray field; flow passage optimization

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.010

S277.9+4

A

1002-6819(2019)-02-0071-09

2018-09-14

2019-01-01

國家重點研發計劃“水資源高效開發利用”重點專項（2017YFC0405103）；中央高校科研業務專項（z102021848，z109021807）

王正中，教授，博士生導師，主要從事水工結構工程及凍土工程學科研究。Email：wangzz0910@163.com

吳普特，研究員，博士生導師，主要從事節水農業與水土保持方面的研究。Email：gjzwpt@vip.sina.com

王正中，翟 超，王文娥，范興科，吳普特. 方形噴灑域搖臂式噴頭流道優化及內部流場數值仿真研究[J]. 農業工程學報，2019，35(2)：71－79. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.010 http://www.tcsae.org

Wang Zhengzhong, Zhai Chao, Wang Wen’e, Fan Xingke, Wu Pute. Optimization and flow numerical simulation of flow passage of square spray field impact sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 71－79. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.010 http://www.tcsae.org