滾球內驅動噴頭水力性能試驗與工作參數確定

惠 鑫，朱能杰，檀海斌，謝樹華，龐鈞儒，嚴海軍

(1.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083；2.中國農業大學理學院，北京 100083；3.國家半干旱農業工程技術研究中心，石家莊 050000)

0 引 言

噴灌因具有省水、省工、增產和對地形條件適應能力強等諸多優點，近年來在我國各地得到穩定推廣[1,2]。據統計，截止2016年底，全國噴灌工程面積已達4.07×106hm2。噴頭作為噴灌系統中的重要組成部件之一，其水力性能好壞將直接影響噴灌工程質量[3]。目前大田糧食作物和經濟作物的噴灌仍采用管道式噴灌系統為主，使用ZY和PY系列搖臂式噴頭，工作壓力為0.35 MPa，系統運行費用較高、末端噴灑水滴直徑偏大、噴頭彈簧等運動部件易損壞是主要問題。因此，開發和應用能夠低壓工作且結構簡單的噴頭至關重要，這符合噴灌低壓節能的發展趨勢。近幾年，在大田作物噴灌技術上試驗推廣了滾球內驅動噴頭與塑料軟管組合的經濟型噴灌系統，所采用的噴頭組合間距9 m×9 m，并獲得了成功。使用的滾球內驅動噴頭是一種利用金屬旋球驅動噴嘴旋轉的低壓噴頭，不能實現扇形噴灑，易于清洗，對水質沒有要求。噴頭結構簡單，沒有搖臂式噴頭的搖臂驅動機構、旋轉密封機構、換向機構等，其旋轉速度僅取決于工作壓力和結構參數，工作中不易控制，也不能調整。國內外關于滾球內驅動噴頭的報道主要以專利成果為主[4-7]，如張國華等[4]設計開發了一種基于鋼珠驅動的全地埋式噴灌裝置，將噴頭直接埋入耕作層以下，有利于田間耕作。Rosenberg[5]優化了傳統滾球內驅動噴頭，降低了噴頭的生產和組裝成本。但是有關滾球內驅動噴頭的水力性能測試、工作技術參數和田間應用等研究報道尚不多見。

綜上所述，以進水口直徑為1/2″的滾球內驅動噴頭為研究對象，在室內無風條件下對其進行水力性能試驗，探討其導流體設置小孔是否影響噴頭流量、運轉速度和徑向水量分布；并以無孔導流體為參照，設計并3D打印不同進水口角度的導流體，研究導流體進水口角度對噴頭組合噴灌均勻度和末端水滴直徑分布的影響，提出滾球內驅動式噴頭的運行工作參數，為噴頭今后在工程上的推廣和應用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗噴頭

試驗所用噴頭為進水口直徑為1/2″的滾球內驅動式噴頭，如圖1(a)所示。其部件主要由噴嘴(出水孔直徑為1.9 mm)、腔室(由上噴體和下噴體組成)、導流體(分為有孔和無孔2種)、不銹鋼珠(直徑為7.8 mm)和旋轉元件等5部分組成，其中有孔(圓孔孔徑為1.8 mm)和無孔導流體進水口角度均為18.5°。試驗時，壓力水經由導流體(圖1(b))進入腔室后形成高速旋轉水流沖擊不銹鋼珠在腔室內做圓周運動，并不斷撞擊與噴嘴相連的凸緣，從而使噴嘴旋轉射流。噴頭設計工作壓力范圍為0.25～0.40 MPa。

圖1 試驗所用噴頭Fig.1 Sprinkler used in the experiment

1.2 工況設置

試驗共設置2種工況：工況1，對有孔和無孔2種導流體下的噴頭流量、運轉速度和徑向水量分布等指標進行測試分析，探討導流體在有孔和無孔條件下的噴頭水力性能情況；工況2，以無孔導流體為參照，通過3D打印的方式設計出進水口角度為17°、19°和21° 3種導流體(打印材料為光敏樹脂，精度0.10 mm)，以研究不同導流體進水口角度對噴頭組合噴灌均勻度和末端水滴直徑分布的影響，進而提出滾球內驅動噴頭運行工作參數。

1.3 試驗方法

噴頭水量分布試驗在中國農業大學水利與土木工程學院噴頭水力性能自動測試平臺上進行。試驗參照標準GB/T50085-2007[8]。自動測試平臺由雨量筒、擋水罩、試驗控制柜、回水槽、供水系統等5部分組成[9]，其中雨量筒采用徑向單列布置，第一個雨量筒與噴頭水平距離為1 m，其余每隔0.5 m布置一個雨量筒(承水口直徑為150 mm)。雨量筒收集的噴灑水量由其下方的BK-3A型稱重傳感器(精度為0.6 g)自動采集并換算成噴灌強度。噴頭安裝與雨量筒承水口的垂直高差為1 m，試驗壓力設置0.25、0.30和0.35 MPa 3個水平，采用0.4級精密壓力表進行實時監測。試驗過程中還測試了噴頭流量、運轉速度和末端水滴直徑等水力性能指標。噴頭流量和運轉速度分別采用LDTH型電磁流量計(精度為0.2%)和TF307型電子秒表測得，每隔3 min測試一次，一共測試5次取平均值。噴灑末端水滴直徑采用奧地利Joanneum Research公司生產的2D視頻雨滴譜儀(Two-dimensional video disdrometer，簡稱2DVD)進行監測，并保證各測點收集水滴數不少于10 000 個[10,11]。

1.4 噴灌均勻度計算

噴灌均勻度是指噴灌面積上水量分布的均勻程度，是衡量噴灌質量的重要指標之一[12-14]。為了了解滾球內驅動噴頭在不同工況下的組合噴灌均勻度情況，選用目前國際上通用的2種噴灌均勻系數(克里斯琴森均勻系數Cu[15]和分布均勻系數Du[16])作為評價標準。Cu描述的是各測點水深與平均水深偏差的絕對值之和，傾向于表征整個田間水量分布與平均值偏差的情況[17]，其計算公式為：

(1)

而Du則強調了噴水量較小1/4部分雨量筒中水的平均水深與整個田間平均水深的占比情況，有利于保證作物獲得必要的最小灌水量[17]，其計算公式為：

(2)

式中：hm為噴水量較小1/4部分雨量筒中水的平均水深，mm。

2 結果與分析

2.1 導流體有孔或無孔對噴頭流量的影響

圖2給出了工作壓力為0.25、0.30和0.35 MPa下導流體有孔或無孔時的噴頭流量情況。從圖2中可以看出，隨著工作壓力的逐漸增大，2種導流體下的噴頭流量均呈遞增趨勢。當工作壓力為0.25 MPa時，有孔和無孔下的噴頭平均流量僅為0.452 m3/h，而當工作壓力增至0.35 MPa時，其平均流量達到0.548 m3/h，增幅21.1%，說明工作壓力對噴頭流量的影響顯著。從圖中還可看出，在工作壓力一定的情況下，導流體有孔和無孔時的噴頭流量極為相近，如工作壓力為0.25 MPa時，有孔和無孔下的噴頭流量差值僅為0.004 m3/h。由此表明，導流體孔口對噴頭流量的作用不大，工作壓力才是影響流量的主要因素。

圖2 導流體有孔或無孔下的噴頭流量Fig.2 The flow rate of sprinkler with or without a hole in the guide structure

2.2 導流體有孔或無孔對噴頭運轉速度的影響

表1給出了工作壓力為0.25、0.30和0.35 MPa下導流體有孔或無孔時的噴頭運轉速度情況。從表中可以看出，2種導流體下的噴頭運轉速度均隨著工作壓力的增大而增大，但隨著工作壓力的逐漸變大，噴頭運轉速度增幅有所減緩，這與劉中善等[18]的研究結論一致。以有孔導流體為例，當工作壓力從0.25 MPa增大到0.30 MPa時噴頭運轉速度增幅高達40.8%，而從0.30 MPa增大到0.35 MPa時其增幅又下降至15.9%。另外，在工作壓力一定時，導流體無孔下的噴頭運轉速度要比有孔時稍快。由以上分析可以看出，噴頭運轉速度受工作壓力和孔口的影響均較大。表2給出了這兩種因素對噴頭運轉速度影響的方差分析。可以看出，在95%的置信度下，工作壓力對噴頭流量的影響大于孔口。

表1 導流體有孔或無孔下的噴頭運轉速度Tab.1 Sprinkler rotating speed with or without a hole in the guide structure

表2 工作壓力和孔口對噴頭運轉速度影響的方差分析Tab.2 Variance analysis of the effects of working pressure and hole on sprinkler rotating speed

2.3 導流體有孔或無孔對噴頭徑向水量分布的影響

圖3給出了工作壓力為0.25、0.30和0.35 MPa下導流體有孔或無孔時的噴頭徑向水量分布情況。從圖3中可以看出，2種導流體在不同工作壓力下的徑向水量分布具有一定的共性，即隨著與噴頭水平距離的逐漸增加，徑向噴灌強度均呈遞減趨勢。當工作壓力為0.25 MPa時，如圖3(a)所示，有孔和無孔下的噴灌強度沿徑向遞減過程大致可分為2個階段：第1階段為急速下降階段，第2階段為緩慢下降階段。即與噴頭水平距離小于4 m時，隨著與噴頭水平距離的逐漸增加，2種導流體下的噴灌強度均急速下降，其平均下降幅度高達69.0%；而與噴頭水平距離大于4 m時，噴灌強度沿徑向下降趨勢變緩，在與噴頭水平距離為4～10 m處的噴灌強度主要集中在1.0～2.0 mm/h。當工作壓力增至0.30 MPa時，如圖3(b)所示，2種導流體下的徑向噴灌強度整體有所上升，其中無孔上升幅度最為明顯，其徑向平均噴灌強度相較0.25 MPa時上升43.3%。當工作壓力繼續增至0.35 MPa時，如圖3(c)所示，2種導流體下的徑向噴灌強度進一步上升，其水量分布曲線大致呈三角形。此外，在3種工作壓力下，導流體有孔和無孔下的噴頭射程較為接近，均在11～12 m范圍內。

圖3 導流體有孔或無孔下的噴頭徑向水量分布Fig.3 Radial water distribution of sprinkler with or without a hole in the guide structure

從上述研究可以看出，孔口除了對噴頭運轉速度的影響較大以外，對噴頭流量和徑向水量分布的影響均不明顯，因此以下將重點探討導流體進水口角度對噴頭水力性能的影響，進而提出噴頭運行工作參數。

2.4 導流體進水口角度對組合噴灌均勻度的影響

以不同導流體進水口角度下的徑向水量分布數據為基礎，通過自編軟件分別求得噴頭矩形布置下7種組合間距(10 m×10 m～16 m×16 m)時的噴灌水量分布情況，并計算得到對應的噴灌均勻度。表3給出了工作壓力為0.25、0.30和0.35 MPa下3種導流體進水口角度時的組合噴灌均勻度情況。從表3中可以看出，當工作壓力為0.25 MPa時，進水口角度為19°的組合噴灌均勻系數Cu和分布均勻系數Du均要大于其他2種。當工作壓力增至0.30 MPa時，19°的Cu和Du均有所下降，而17°的Cu和Du則迅速上升，并最終超過19°和21°下的組合噴灌均勻度。當工作壓力繼續增至0.35 MPa時，進水口角度為17°的Cu和Du繼續上升，7種組合間距下其平均值分別達到86.8%和79.2%。由以上分析得知，導流體進水口角度為17°、工作壓力為0.35 MPa和進水口角度為19°、工作壓力為0.25 MPa的2種工況噴灌質量均較好，但是考慮其經濟性，選擇后者顯然更符合要求。此外還發現，該工況(進水口角度為19°、工作壓力為0.25 MPa)下，除了噴頭組合間距為16 m×16 m時的噴灌均勻度未達到規定標準[8,15]以外，其他組合間距下的噴灌均勻性均能滿足灌溉要求。綜合噴灌質量和經濟性兩方面考慮，在實際工程設計時，建議噴頭工作壓力設置為0.25 MPa，導流體進水口角度選擇19°，且噴頭組合間距以14 m×16 m為宜。

表3 不同導流體進水口角度下的組合噴灌均勻度Tab.3 Combined sprinkler uniformity under different inlet angles of guide structure

2.5 導流體進水口角度對末端水滴直徑分布的影響

末端水滴直徑可在一定程度上反映噴灑水滴對地面的打擊強度，是評價噴灌系統水力性能的重要指標[19]。圖4給出了工作壓力為0.25、0.30和0.35 MPa下3種導流體進水口角度時的末端水滴直徑分布情況。從圖中可以看出，3種工作壓力下不同導流體進水口角度時的末端水滴均以小直徑為主，各工況下的小水滴頻率(直徑在1.0 mm以下)均在65.0%以上，表明3種導流體進水口角度下射流末端均存在水滴蒸發漂移的較大風險。因此，為了優選出最佳的導流體進水口角度，從小水滴頻率相對較低的工況展開著重分析。可以發現，工作壓力為0.25 MPa、導流體進水口角度為19°時的小水滴頻率占比最小，為65.3%。而且從表4又可知，其對應的直徑為1～3 mm的適宜水滴[20]頻率為33.2%，在所有工況中占比最高，比排在第二的適宜水滴頻率高出7.5%。一般認為適宜水滴數量越多，代表其噴灑效果越好。因此從噴灑效果的角度來看，噴頭工作壓力選擇0.25 MPa，且導流體進水口角度為19°更好。

表4 直徑為1～3 mm范圍內的適宜水滴頻率Tab.4 Suitable droplet frequency within the range of 1～3 mm

圖4 不同導流體進水口角度下的末端水滴直徑分布Fig.4 Diameter distribution of the terminal droplet under different inlet angles of guide structure

3 結 論

(1)導流體孔口除了對噴頭運轉速度的影響較大以外，對噴頭流量和徑向水量分布的影響均不明顯；隨著工作壓力的逐漸增加，導流體有孔或無孔條件下的徑向噴灌強度整體有所上升，當工作壓力增至0.35 MPa時，其水量分布曲線大致呈三角形。

(2)工作壓力為0.25 MPa、導流體進水口角度為19°下的噴灌質量和經濟性均較好，除了噴頭組合間距為16 m×16 m時的噴灌均勻度未達到規定標準以外，其他組合間距下的噴灌均勻性均能滿足灌溉質量要求；其對應的適宜水滴頻率為33.2%，在所有工況中占比最高，比排在第二的適宜水滴頻率高出7.5個百分點。

(3)綜合噴灌質量和經濟性兩方面考慮，在實際工程設計時，建議滾球內驅動噴頭工作壓力設置為0.25 MPa，導流體進水口角度選擇19°，且噴頭組合間距以14 m×16 m為宜。