射流脈沖噴頭驅動板結構優化對噴頭性能的影響研究

黃建翔，王新坤，姚吉成，顏海蘭，韓曉樂，孟天舒

（1.江蘇大學流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013；2.徐州市水利工程建設管理中心，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

近年來，節水灌溉技術是一種兼具節水與作物增產提質的現代農業灌溉技術[1-3]，其中噴灌應用最為廣泛，具有適應性強、節水效果顯著、節省人力、安裝使用方便等諸多優點。目前，我國農業噴灌中應用最為廣泛的是搖臂式噴頭，搖臂式噴頭按結構可分為單噴嘴和雙噴嘴搖臂式噴頭[4]，2 種構造的搖臂式噴頭均是通過高速射流沖擊驅動機構[5-7]，驅動機構轉動帶動彈簧壓縮蓄力、彈簧復位釋放能量推動驅動機構反轉撞擊噴管，實現噴頭的步進旋轉。該噴頭具有射程遠[8-10]、組合噴灑均勻性高[11-13]、適應性強等優點，但存在驅動機構復雜，彈簧易腐蝕老化的缺陷。

王新坤[14]利用射流附壁作用在毛管內形成脈沖水流設計發明了一種射流三通，增強了灌水器的抗堵塞能力與灌水均勻性。許鵬[15]等通過對不同進口寬度下的射流元件進行滴灌試驗，結果表明射流進口寬度越大，壓力波動也越大，但脈沖頻率會隨之減小。樊二東[16]等通過數值模擬與水力性能試驗相結合的方法，對射流元件的進口寬度進行分析，得到了最優脈沖特性下的射流元件進口寬度。徐勝榮[17]等對射流脈沖噴頭進行了初步數值模擬研究，分析了其內部壓力 水流的流動特點，并加工樣機進行了水力性能試驗。王新坤[18-20]等應用了射流脈沖噴頭的CFD 數值模擬方法，通過正交試驗得到了一種較優的脈沖噴頭流道結構，并與搖臂式噴頭進行了水力性能對比試驗。張晨曦[21]設計了一種多彎曲齒槽驅動板，并對驅動板進行了單因素水力性能試驗。王新坤等對不同噴管長度、不同噴管仰角下的射流脈沖噴頭進行了水力性能試驗，得到了噴管的結構參數對射流脈沖噴頭水力性能的影響規律。噴頭是噴灌技術的核心，其性能的好壞直接決定噴灌工程的整體噴灑效果與工程造價。為了提升其水力性能，研究人員進行了許多研究,但前人僅對長方形驅動板對噴頭水量分布進行針對性研究，未考慮驅動板形狀對于水量分布的影響研究，實際情況下，驅動板形狀對水量分布的影響是一個多因素綜合的復雜過程，研究應綜合考慮所有相關結構影響因素。因此，本文針對射流脈沖噴頭副噴嘴驅動板進行了整體的結構優化設計，該噴頭基于射流附壁切換技術設計，通過高速脈沖水流間歇沖擊驅動板來實現噴頭的步進、旋轉和調節水量分布，實現了結構簡單、射程遠、噴灑均勻度高、性能穩定等優點，并對水量分布、噴灌均勻性等水力性能影響進行研究，為后續噴頭開發和應用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 “爪形”驅動板

對于射流脈沖噴頭，噴嘴是噴頭的重要部件，分為主噴嘴和副噴嘴。主噴嘴主要與噴頭射程相關，副噴嘴主擔噴頭驅動和調節水量分布的作用。根據脈沖射流“駝峰式”水量分布特點，設計了“爪形”驅動板，如圖1 所示。對于“爪形”驅動板，一方面，水流沖擊時一部分水流會沖擊中間部分，驅動噴頭轉動，同時水流受到偏轉作用噴灑至近處，提高近處水量；另一方面，會有2股水流從左右爪間空隙中直射出去，進而保證噴頭中遠程水量，以改善射流脈沖噴頭在中遠處的凹形水量分布。

圖1 “爪形”驅動板結構示意圖Fig.1 "Claw type" drive plate structure

1.2 試驗材料

射流元件是影響射流脈沖噴頭脈沖形成的關鍵結構。本文在前人研究基礎上，通過數值模擬方法，進一步優化了射流元件結構，根據優化得到的最優結構參數組合進行樣機加工。為提高加工精度，保證噴頭的流道完整一體性，將射流元件、漸變彎管和噴管進行組合一體化加工。為能夠更好地觀察噴頭內部流動，加工材料采用透明有機玻璃。射流元件進口處通過內螺紋與旋轉空心軸連接，噴管出口與噴嘴采用外螺紋連接，其二維示圖如圖2所示，加工實物如圖3所示。

圖2 射流元件剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the two-dimensional structure of the jet original

圖3 射流元件加工實物示意圖Fig.3 Physical image of the jet Original

試驗樣機主要包括射流元件、彎頭與噴管組合體，旋轉密封機構，主噴嘴，副噴嘴與驅動板，透明橡膠控制管等部件，各部件具體尺寸如表1所示。

表1 射流脈沖噴頭流道基本結構尺寸Tab.1 Basic structure size of the flow channel of the negative pressure feedback jet sprinkler

1.3 噴灑試驗設計

試驗于2021年10月-2022年1月在江蘇大學圓形噴灌大廳中進行，分別對多種參數組合的驅動板噴頭進行水力性能測試，試驗設計參照《旋轉式噴頭水量分布均勻性和試驗方法》GB/T 19795.2-2005[22]。試驗中通過皮卷尺標定距離，將雨量筒沿噴頭兩側按照1.0 m 間距徑向擺放。為提高試驗精度，在0～1.0 m 間，雨量筒按照0.5 m 間距擺放，且雨量筒徑向擺放距離超過噴頭最大射程。噴頭安裝高度為1.2 m，壓力表與噴頭位于同一高度，渦輪流量計安裝在離心泵出口處。試驗場地平整，最大坡度小于1%，室內無風。試驗過程中，調節閥門使得壓力表壓力為0.15、0.20、0.25 和0.30 MPa，渦輪電子流量計記錄噴頭流量，雨量筒測量水深，噴頭每次噴灑時間為20 min。為保證試驗精度，每組試驗均重復進行3次，并對比試驗數據檢查所測徑向水量數據變化趨勢，最后對3 次試驗數據取算術均值。具體噴灑試驗現場如圖4 所示。由于噴頭射程較遠，為保證拍攝效果，噴灑現場僅拍攝一側雨量筒與噴頭。

圖4 噴灑試驗現場Fig.4 Spray test site photos

2 “爪形”驅動板正交試驗

2.1 水量分布評價方法

由于驅動板只影響水量[23]分布而不影響射程，并且噴灌均勻度可以量化水量分布的好壞，故采用噴灌均勻度為評價水量分布的指標，選用克里斯琴森均勻度計算噴頭組合均勻度[24]，計算公式如下：

式中：Cu為克里斯琴森均勻度，%；hm為各雨量筒讀數的平均值，mm；hi為第i個雨量筒的讀數，mm；n為測點數目。

對于旋轉均勻、性能穩定的噴頭，噴灌均勻度可基于單噴頭徑向水量，通過MATLAB[25]等編程軟件計算得到，也可以通過多噴頭組合試驗實際測量計算得到。由于試驗場地條件限制，本文采用前者。試驗假設噴頭采取正方形的布置方式，R≥組合間距≥R（R為射程），試驗測得單噴頭的徑向水量分布后，結合理論計算方法，利用MATLAB 軟件編程計算得到最優噴灑水量均勻度。

2.2 正交試驗設計

“爪形”驅動板結構設計主要考慮驅動板傾角、驅動板長度、驅動板寬度、三角形擋板底寬4 個主要因素，分別用A、B、C、D表示。驅動板傾角越大，三角擋板與噴嘴出射水流接觸面積越大，射流打擊能力也越強，噴頭的驅動力也越大，同時水流受傾斜角度的影響在噴頭近處噴灑較多。驅動板長度越長，三角形擋板的腰長也越長，與噴嘴出射水流接觸面積在一定程度上減小，同時對噴嘴出射水流的分散作用越顯著，同時兩側爪間空隙也越大，兩側射流量增加，噴頭水量可更多地噴灑向中遠程。驅動板寬度不能過大或過小，寬度過小，導致噴嘴出射水流與擋板接觸面積過小，噴頭無法驅動；寬度過大，噴嘴出射水流沖擊后分散嚴重，導致出射距離縮短。三角形擋板底寬決定著主射流的沖擊面積，擋板底寬越小，主射流與擋板接觸面積越小，驅動力也越小，同時三角擋板底寬也決定著兩側爪間間隙的出射水量。本文在前期研究的驅動板傾角設計經驗以及搖臂式噴頭設計經驗的基礎上，利用正交試驗方法設計了9種“爪形”驅動板結構進行研究，因素水平和具體試驗方案設計如表2 和表3 所示，試驗中噴頭工作壓力為0.20 MPa。

表2 因素水平Tab.2 Level of factors in orthogonal experiments

表3 試驗方案Tab.3 Orthogonal test scheme table

通過三維建模得到9 種不同結構參數的“爪形”驅動板。為節省試驗成本，提高加工速度，副噴嘴和驅動板加工采用3D 打印，材料選用光敏樹脂，材料強度與加工精度均滿足試驗要求。圖5為“爪形”驅動板三維模型與實物示意圖。

圖5 “爪形”驅動板三維模型與實物示意圖Fig.5 Three-dimensional model and physical image of "claw type"drive plate

2.3 正交試驗設計

正交試驗得到的9種不同結構“爪形”驅動板的射流脈沖噴頭徑向水量分布如圖6 所示。可以看出，除試驗8 外，其他8 組水量分布均呈現一高一低“雙駝峰”分布，近處水量較少，“雙駝峰”分布主要與射流脈沖噴頭的脈沖出射和副噴嘴驅動板的結構設計有關。對于“爪形”驅動板，其“爪形”結構設計導致其與副噴嘴出射水流接觸面積較小，因此偏轉近處的水量較少，同時很大一部分水流會沿爪間間隙射向中程，進一步加劇近處水量的不足。隨著驅動板傾角、三角驅動板底寬和驅動板長度的增加，驅動板與副噴嘴出射水流接觸面積增加，近處水量有所增加，這說明對于“爪形”驅動板而言，驅動板傾角、三角形檔板底寬和驅動板長度的增加有助于提高近處水量分布。近處的“水峰”主要是由于“爪間間隙”出射的水流引起的，由于中間三角形擋板對主射流的分散作用，導致“爪間間隙”出射水流破碎加劇，因此引起距離噴頭5.0 m 左右處水量驟增。距離8.0～10.0 m 處的水量“凹峰”一方面是由于中間三角形擋板的分散左右引起射流破碎加劇，射程降低，無法給予水分補給；另一方面，主噴嘴的射流在8.0～10.0 m處的破碎分布也較少。綜合作用導致噴頭中程水量不足。對于距離噴頭12.0 m 左右的水量“凸峰”其形成主要與射流脈沖噴頭的脈沖出射相關，由于副噴嘴射程較近，此處水流驟增主要與主噴嘴的脈沖出射水流破碎分布特性有關。而對于射流脈沖噴頭其主噴嘴射流出射存在2個狀態：一是出口壓力最大的情況，此時噴頭射程最遠；二是出口壓力最小的情況，噴頭在這個2 個狀態下連續周期性切換，導致主噴嘴遠端射流呈現“近”“遠”交替噴灑的特點。因此引起距離噴頭12.0 m 左右處水量的驟增；理論分析也與實際情況相符合，圖6中各中遠處水量“凸峰”基本相同，不受副噴嘴驅動板結構影響。

圖6 安裝不同“爪形”結構驅動板噴頭水量分布Fig.6 Sprinkler water distribution diagram withinstallation of different"claw-type" structure

圖6 中僅第1 組和第5 組近處水量分布較少，這主要是由于第1 組和第5 組的三角形擋板過小，造成偏轉至近處的水流較少；而對于第9組，其三角形擋板底寬與第1和第5組相同，但其驅動板傾角和驅動板長度與寬度較大，一定程度上增加了射流偏轉近處的水量；第8組近處水量分布最多，這主要是由于其驅動板傾角、三角形擋板底寬均較大，使射流偏轉近處水量多。由于驅動板結構優化的主要目的是改善噴頭徑向水量分布，提高噴灌均勻度，因此對于驅動板的正交試驗選擇噴灌均勻度為評價指標，噴灌均勻度越高，性能越好。均勻度計算假設噴頭按照常見的正方形布置形式，根據旋轉噴頭噴灌均勻度計算方法，采用MATLAB 軟件編程，設置每隔0.01R（R為射程）組合間距計算一次噴灌均勻度，最后自動篩選出噴灌均勻度最大值。計算結果如表4所示，噴灌均勻度的變化范圍為72.89%～82.10%，其中第8 組試驗噴灌均勻度最高為82.10%，且除去第6 組，其他試驗組噴灌均勻度均大于噴灌工程技術規范GB/T 50085-2007[26]規定的噴灌均勻度最低值75%。

表4 試驗結果Tab.4 Test cases in orthogonal experime

可以看出，“爪形”驅動板的各結構因素對射流脈沖噴頭噴灌度影響的主次順序為DBAC，即三角形擋板底寬、驅動板長度、驅動板傾角、驅動板寬度；設計區間內最優結構為：三角形擋板底寬7 mm、驅動板長度18 mm、驅動板傾角14°、驅動板寬度11 mm。

2.4 “爪形”驅動板不同壓力下水量分布對比試驗

0.15～0.30 MPa 下的“爪形”驅動板的射流脈沖噴頭以及搖臂式噴頭徑向水量分布如圖7 所示。“爪形”新噴頭在4 種進口壓力下的水量分布均呈現“雙駝峰”形狀，且隨著進口壓力增加，駝峰逐漸變緩，這主要是由于隨著進口壓力的增加，射流在空中的集中性變差，破碎加劇，一定程度上減小了水量分布的差距。搖臂式噴頭在不同進口壓力下的徑向水量分布整體呈近處水量少，中遠處水量呈現類“三角形”。

圖7 不同壓力下噴頭水量分布對比Fig.7 Comparison chart of water volume distribution of sprinklers under different pressures

2.5 噴灌均勻度

由圖8 可以看出：在0.15～0.30 MPa 的進口壓力下，安裝“爪形”驅動板優化后射流脈沖噴頭與搖臂式噴頭的噴灌均勻度隨著進口壓力的增加，整體均呈現遞增趨勢；“爪形”新噴頭噴灌均勻度變化范圍為81.96%～90.81%，搖臂式噴頭均勻度變化范圍為73.08%～85.36%，“爪形”新噴頭噴灌均勻度比搖臂式噴頭高3.75%～12.15%。綜合分析表明“爪形”驅動板結構設計較為合理，對噴頭水力性能改善顯著。

圖8 不同噴頭噴灌均勻度對比Fig.8 Comparison of the uniformity of sprinkler irrigation with different sprinklers

3 結 論

（1）正交試驗結果表明，針對“爪形”驅動板，9組試驗結果水量分布均呈“雙駝峰”形狀，噴灌均勻度變化范圍72.89%～82.10%。

（2）各結構因素對噴灌均勻度影響的順序為三角形擋板底寬、驅動板長度、驅動板傾角、驅動板寬度。驅動板傾角在14°～18°內變化時，角度為14°時均勻度最佳，均勻度隨驅動板傾角增加呈先減后增趨勢。驅動板長度在16～20 mm 內變化時，長度為18 mm時均勻度最佳，驅動板長度遠離18 mm時均勻度均減小。驅動板寬度在9～11 mm 內變化時，寬度為11 mm 均勻度最佳，均勻度隨驅動板寬度增加呈先減后增趨勢。三角形檔板底寬在3～7 mm 內變化時，底為7 mm 時均勻度最佳，均勻度隨三角形擋板底寬的增加呈先減后增趨勢。

（3）“爪形”驅動板各結構因素最優結構為：三角形擋板底寬7 mm、驅動板長度18 mm、驅動板傾角14°、驅動板寬度11 mm。

后續研究可以針對驅動板齒槽曲率半徑和齒槽深度進行試驗研究，探究驅動板齒槽曲率半徑和齒槽深度對負壓射流脈沖噴頭性能的影響，同時正交試驗結構優化方法具有一定的局限性，在后續的結構優化中可考慮采用神經網絡、遺傳算法等其他優化方法來進行噴頭的結構優化。