新型五嘴霧化噴頭噴灌強度及水量空間變化規律研究

黃洋漫，朱德蘭

（西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100）

0 引言

新型五嘴霧化噴頭結構簡單，安裝拆卸方便，適用于農業芽菜類扦插育苗灌溉技術等領域，是霧化效果較好的一種噴頭。相較常見的四出口霧化噴頭，新型五嘴霧化噴頭的單噴頭為新型傘形噴射微噴頭，噴霧范圍更大，霧化更強，避免了霧化噴頭下方出現噴不到的死角現象，霧化范圍更均衡，可通過旋轉噴嘴調節噴幅大小及關閉噴頭。但是當噴頭里的水束射出以后，要是擴散地不充分，就會造成噴灌水量集中，產生峰值非常大的水量[1-2]，易產生地表徑流，降低水分利用率。

國內外學者對不同類型噴頭水量分布做了大量研究。Kincaid[3]采用安裝Nelson 型噴頭的噴灌機進行室外試驗，分析不同類型的噴頭灌水強度及水量峰值，并提出有關峰值水量的計算方法，為到地表徑流的預測提供參考。Kohl 等[4]在現有的研究中發現噴灌水的落地動能和噴灌壓力有著密切的關系，當壓力達到最大時落地的動能也隨之增大。張以升等[5]對Nelson D3000 型藍色噴盤、噴嘴直徑4.76 mm 的噴頭進行試驗，建立了不同工況下水量峰值、能量峰值與工作壓力及噴灌高度的回歸關系式。楊雯等[6]對非折射式噴頭進行研究，提出單一流道結構非旋轉折射式噴頭水量分布及均勻性與流道出射角之間的關系。

此前研究的噴頭大多是已被廣泛應用的常見噴頭，并且大多數都是在同一個高度下安裝的，通過改變噴嘴的直徑和噴頭工作時的壓力來實現噴灌時的水量變化，然而對于不同的峰值水量高度下空間擴散研究較少。本文欲在不同工況下，根據單噴頭的噴灑水量以及噴灌的強度等作為指標來進行分析水量的分布和擴散的規律，減小噴灑時的峰值區域對于土壤以及作物的傷害，提出關于噴頭合理的高度以及霧化指標。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

參照國家標準的GB/T 19795.2-2005[7]來進行試驗，采用方格形來布置雨量盒（規格：10 cm×10 cm×10 cm），噴頭之間的構造是相對應的，布置的間距為0.1 m×0.1 m，以微噴頭為中心進行計算，測量區范圍為90°以內，測試的時間為1 h，進行3 次以上的重復測試。測試噴頭的高度設置值分別是0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m 和2.5 m 5 個水平，分別在100 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa 5 個工作壓力下測定五嘴霧化噴頭噴灑水量、噴灌強度等指標。見圖1。

圖1 單噴頭水量分布試驗裝置

1.2 測試指標與測試方法

1.2.1 測試噴灌強度

按照噴灑質量強度的要求，五嘴噴頭在噴灑的區域內某一處水噴灌強度，按照式（1）和式（2）來進行計算：

式中：h 表示為噴灌的強度，mm/h；W 表示得是雨量盒內水體積的3 次平均測量值，cm3/s；A 是筒開口雨量的面積，cm2；t 是噴頭的噴灑時間；h 為雨量筒內的水體積；Wi，cm3。

1.2.2 噴灌均勻度

噴灌均勻度用來判別噴灌面積上水量分布情況，是噴頭灌溉質量評價的關鍵性能指標[8]。按式（3）計算單噴頭流量偏差系數[9]：

式中：CVq為單噴頭流量偏差系數，CVq值越大，噴灌均勻度越高，0＜CVq＜1；N 為噴灑區域內雨量盒的個數；qi為同一時間內各雨量盒收集水的體積，cm3；為噴灑區域內同一時間內各雨量盒收集水體積的算術平均值，cm3。

2 結果與分析

2.1 安裝高度和工作壓力對單噴頭噴灌均勻度的影響

圖2 流量偏差系數變化柱狀圖

圖2 為不同安裝高度和工作壓力下流量偏差系數變化柱狀圖。從圖中可以看出，噴頭安裝高度和工作壓力對單噴頭噴灌均勻度有一定影響。同一安裝高度下，流量偏差系數隨著工作壓力的增大，呈現出先增大后減小的變化趨勢；同一工作壓力下，流量偏差系數隨著安裝高度的增大呈波浪形上下浮動。五嘴霧化噴頭在0.5 m 安裝高度、200 kPa 工作壓力下，流量偏差系數最大，噴灌均勻度最大。

2.2 噴灌強度變化規律

2.2.1 水量分布變化

為了計算出五嘴霧化噴頭在90°噴灑范圍內的有效噴射面積，以最外側的自計雨量盒來檢測降雨量為零的邊界［1］，確定噴頭噴灑區域的有效寬度，分析其噴射的距離以及噴灑時的幅寬度，根據在0.5 m～2.5 m 的安裝高度，且工作壓力分別為100 kPa～300 kPa 的情況下水量分布曲線，來分析試驗結果。

通過增大相同安裝高度時的水壓進行試驗。安裝高度為0.5 m，且工作壓力分別為100 kPa～300 kPa，最大平均噴灌強度分別為，6.06 mm/h、6.72 mm/h、6.20 mm/h、6.57 mm/h、7.44 mm/h;安裝高度升高至1.5 m 時，噴灌強度減弱，其值分別為4.80 mm/h、4.64 mm/h、5.27 mm/h、5.14 mm/h、6.76 mm/h。當噴頭離地面2.5 m時在不同的壓力下，噴灌的強度在3.0 mm/h 左右之內。

因此可知，在不同工作壓力和安裝高度下，噴頭水量均集中分布在距噴頭0.3 m～0.5 m 處。

2.2.2 峰值水量變化

通過噴頭在不同的安裝高度時峰值噴灌強度變化柱狀圖（圖3）可以看出，在相同壓力下，噴頭安裝高度為0.5 m，噴灌強度的最大峰值為7.44 mm/h。噴頭安裝高度升至1 m 時，噴灌強度的峰值降低幅度較大。但是當噴頭安裝高度為1.0 m～2.0 m時，噴灌強度的峰值降低幅度會相對比較小。安裝高度繼續升高，噴灌強度的峰值升高，相應的噴灌強度峰值分別為3.45 mm/h、3.62 mm/h、3.83 mm/h、4.92 mm/h。此處，可以看出噴頭安裝在0.5 m 噴灌高度時，峰值水量強度大大增加，對土壤結構造成嚴重破壞，因此0.5 m 噴灌高度是最不利的。但高度相同，隨著壓力增大，峰值水量強度呈現出先增大后減小的趨勢，變化效果并不明顯，所以通過增大噴頭流量就可以彌補水分擴散而造成的噴灌強度減小，避免損失。

圖3 峰值噴灌強度變化柱狀圖

2.2.3 噴灌水擴散分析

Kincaid 等［3］采用峰值噴灌的強度以及平均的噴灌強度的比值r 來進行分析，在噴灌水的空間來計算擴散規律，用其來表達的方式為：

式中：r 是作為水量的擴散系數，其值越是接近1 其擴散就越均勻；Rp是用來表示峰值噴灌的強度，mm/h；Ra是用來表示平均噴灌的強度，mm/h。

Ra是作為單位時間內的噴頭噴灑水量值以及在所控的面積比值，即：

式中：Q 為流量，L/s。

由公式（4）和（5）以及（6），可得出在不同工況下的水量擴散系數為：

利用公式（7）來計算在不同工況下的r 值，結果見表1。

表1 不同工況下水量擴散系數

射流水舌碎裂的主要原因是水分擴散。在相同的壓力下，隨著高度的增加，延長了雨滴在空氣中的運動時間，碎裂比較充分，小粒徑液滴的比例增大，但是當較大的液滴碎裂時會產生較小粒徑的雨滴，改變原來的飛行軌跡，這樣會使水量充分擴散；當高度相同時，隨著壓力的增大，射流的流速變大，高速的水流會在空氣當中摩擦變形，當水舌的碎裂比較充分時，會產生很多的小粒徑液滴而發生擴散。

當安裝高度為0.5 m，工作壓力為100 kPa 時，r 值最大擴散是最不均勻的；安裝高度為2 m 且工作壓力為250 kPa 時，r 值為最小。工作壓力增大時，可以通過提升安裝噴頭的高度降低r 值，使噴灌的水滴在空中充分碎裂，擴散均勻，但是這樣也會大大增加噴灌成本。故可以選擇一種低壓力且安裝高度較高的噴頭。

3 結語

1）不同噴頭安裝高度和工作壓力下，五嘴霧化噴頭最大的區別是噴灌的均勻度。流量偏差系數在同一安裝高度下會隨著壓力先增大后減?。煌还ぷ鲏毫ο?，流量偏差系數隨著安裝高度的增大呈波浪形上下浮動。因此可知五嘴霧化噴頭，0.5 m 安裝高度、200 kPa 工作壓力下，流量偏差系數最大，即噴灌均勻度最大。

2）噴頭安裝高度和工作壓力對噴頭噴灌強度都有一定影響。噴頭同一工作壓力下，隨著噴灌安裝高度的升高，噴灌強度減弱；噴頭相同安裝高度下，隨著噴灌工作壓力的增大，噴灌強度呈現出波浪形的浮動上下變化，效果并不明顯。但是噴頭無論在哪一種工作壓力和安裝高度下，噴頭水量均集中分布在距噴頭0.3 m～0.5 m 處，由此可知噴頭安裝高度太低會導致較高的峰值噴灌強度，會對土壤以及作物造成不利影響。只有適當提高噴頭安裝高度，減小工作壓力，才能保證較低的噴灌峰值強度和適宜的水滴打擊強度。

3）噴灌水量的擴散與安裝噴頭的高度和工作時的壓力有著密切的關系。安裝高度較高、工作壓力也較大時，有利于射流水舌的碎裂，水量的擴散也會比較均勻，但是灌溉成本比較大。因此為了增大水分擴散，降低灌溉成本，可以選擇一種工作壓力較低、且安裝高度較高的噴頭。