噴灌系統(tǒng)變量噴灑理論及試驗研究.pdf

1、我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水短缺，節(jié)水灌溉具有重要的戰(zhàn)略地位，噴灌是一種有效的節(jié)水灌溉方式。傳統(tǒng)的噴灌噴頭全圓噴灑而得到廣泛應(yīng)用，但噴頭在單個或單列配置使用時，易產(chǎn)生漏噴、超噴及界外噴現(xiàn)象，造成噴灑面疊加不均勻和均勻性系數(shù)下降等問題，變量噴灑的研究具有重要的意義。本文從實現(xiàn)變量噴灑要求出發(fā)，通過理論推導(dǎo)、試驗研究和CFD數(shù)值模擬等，對噴灌系統(tǒng)及全射流噴頭實現(xiàn)變量噴灑進行了系統(tǒng)研究。
　　 主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：
　　 (1)對噴

2、頭實現(xiàn)變量噴灑的影響因素進行理論和試驗研究。通過對全射流噴頭影響射程因素的分析與驗證，掌握了改變?nèi)淞鲊婎^射程的影響因素及其變化規(guī)律，并采用L16(44)正交表進行正交試驗得到各因素對射程的影響程度，在工作范圍內(nèi)影響噴頭射程因素的主次順序為工作壓力、噴頭仰角、信號嘴插拔深度和導(dǎo)管長度。對實現(xiàn)變量噴灑進行了理論分析，推導(dǎo)了變量噴灑工作參數(shù)關(guān)系方程及實現(xiàn)正方形和三角形噴灑的邊界方程，得到射程、流量、壓力和進口過流面積各參數(shù)的變化規(guī)律。

3、>　　 (2)首次建立了變量噴灑噴頭的設(shè)計方法。主要步驟為：在確定噴頭進口最大過流面積的基礎(chǔ)上，采用指數(shù)函數(shù)擬合的方法，得出噴頭實現(xiàn)變量噴灑過流面積參數(shù)變化關(guān)系公式，并結(jié)合噴灑域邊界方程，設(shè)計出壓力調(diào)節(jié)裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸。提出了影響噴頭壓力調(diào)節(jié)裝置壓力損失系數(shù)的3個因素，分別為截面積變化系數(shù)、形狀系數(shù)及間隙影響系數(shù)，并建立了壓力損失系數(shù)的計算方法。通過計算與試驗，得到壓力損失系數(shù)的變化規(guī)律，可為實現(xiàn)變量噴灑時管路的供給壓力及泵參數(shù)的選擇

4、提供參考。
　　 (3)對不同結(jié)構(gòu)的原變量噴灑噴頭(模型一)和通過設(shè)計方法得到的新變量噴灑噴頭(模型二)進行數(shù)值模擬，采用FLUENT軟件，選用標準k-ε湍流模型和SIMPLEC算法分別對兩種模型進行計算，揭示了變量噴灑噴頭內(nèi)部流動變化特性。結(jié)果表明：隨著進口過流面積的增大，壓力損失逐漸減小，噴頭工作壓力逐漸增大。兩個模型計算結(jié)果分別與理論值及試驗值對比，得到模型-壓力平均偏差為21.3％，射程平均偏差為10.4％。模型二壓力平

5、均偏差為10.7％，射程平均偏差為10.0％，一個周期內(nèi)工作壓力、預(yù)期壓力以及試驗值三者的變化趨勢基本一致，說明模型二更接近預(yù)期效果，同時驗證了變量噴灑噴頭設(shè)計方法的正確性。
　　 (4)對變量噴灑均勻性進行改進研究，解決噴頭實現(xiàn)變量噴灑時由于壓力變化而產(chǎn)生的水量分布不均勻問題。通過射流理論分析設(shè)計了8種副噴嘴方案，采用不同壓力下噴灌強度差值分析的方法，對比不同方案，結(jié)果表明：擋板式副噴嘴結(jié)構(gòu)改善水量情況最好。通過測量不同擋板角

6、度及不同壓力下的水量分布，對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。以均勻性系數(shù)值最大為目標，以擋板角度及均勻性取值范圍為約束條件，首次建立了變量噴灑全射流噴頭噴灑均勻性的綜合評價函數(shù)。通過非線性回歸及方程求導(dǎo)的方法，得到最佳擋板角度為21.2°。將副噴嘴改進方案應(yīng)用在搖臂式噴頭組合噴灑中。通過對改進前后的搖臂式噴頭對比試驗，改善了噴頭組合水量分布，并提出了改進后15PY，20PY，30PY搖臂式噴頭正方形布置最佳組合間距分別為1.2R，1.3R，1.1

7、R，組合均勻性系數(shù)值分別為85.6％，86.3％，85.3％。
　　 (5)對變量噴灑噴頭進行水力性能試驗研究。測量噴灑的射程、噴灌強度等性能參數(shù)，并對常用噴灌噴頭進行水量概率分布研究，通過比較7組典型的水量分布形式，總結(jié)出不同工況及環(huán)境下噴灑的水量分布形狀及相應(yīng)的函數(shù)。根據(jù)變量噴灑噴頭各參數(shù)連續(xù)變化的特點，首次建立了變量噴灑噴頭的評價指標。采用模糊數(shù)學的方法分別對變量噴灑噴頭進行綜合評價，并針對不同的應(yīng)用場合，設(shè)計了不同權(quán)重分

8、配方案，結(jié)果表明：噴灑均勻性系數(shù)、噴灑強度變化系數(shù)及打擊強度變化系數(shù)對性能評價的相對重要性較為敏感，但不影響評價噴頭的優(yōu)劣，說明權(quán)重值選取的合理性，可為今后其它變量噴灑噴頭評價提供參考。
　　 (6)建立了變頻機組實現(xiàn)變量噴灑的控制方法，解決了變量噴灑系統(tǒng)能耗較高的問題。對草坪噴頭實現(xiàn)變量噴灑進行試驗研究，通過試驗尋找噴頭進口壓力、噴頭轉(zhuǎn)動時間和變頻器頻率的周期函數(shù)。采用LabVIEW軟件進行試驗測試，控制一個周期內(nèi)頻率變化。以

9、實現(xiàn)正方形噴灑域為例，試驗結(jié)果表明：噴頭所需壓力等于泵供給壓力，實現(xiàn)了變量噴灑的節(jié)能效果。噴灑效果與理論值基本一致，平均偏差為4.2％，且采用變頻調(diào)速技術(shù)比采用加裝壓力調(diào)節(jié)裝置方法節(jié)能27％，說明采用變頻調(diào)速技術(shù)變量噴灑既節(jié)約了能源又具有較好的噴灑效果。
　　 (7)對變量噴灑噴頭正方形噴灑域進行組合計算。采用矩陣相加的方法，得到在正方形和平行四邊形布置形式下，BPXH20與BPXH30正方形噴灑域的最佳組合間距與均勻性系數(shù)值。