流道结构对低压旋转式喷头水力性能影响试验研究

刘俊萍，李滔，张前

(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

随着能源危机的加剧，在喷灌系统中，通过降低喷头工作压力的方法达到节能效果是有效的方式之一[1-2].而降低喷头的工作压力，往往会影响喷头的灌溉质量，出现射程变短，均匀性变差等问题.因此如何保证喷头在低压工况下的喷灌质量，提高喷灌均匀度，已成为现阶段的研究热点.

在现有研究中对喷头的结构优化主要集中在副喷嘴、多流道技术、散水机构和异形喷嘴等[3]方面.SOLOMON等[4]采用多流道的旋转式喷头进行试验研究，其喷洒组合均匀性为70%，节水效果明显.李红等[5]针对低压喷头，设计了旋转散水盘结构，提高了喷头喷洒均匀性.GREGORY等[6]在喷嘴出口处设计了不同斜度的流道，实现均匀喷洒.朱兴业等[7]针对摇臂式喷头，通过在圆形主喷嘴出口处增加凹槽来改善低压水量分布，结果表明喷灌均匀系数Cu达90%以上.在喷头结构数值模拟方面， YAN 等[8]分析了摇臂式喷头稳流器对内部流场的影响规律.LIU等[9]利用CFD技术对射流喷头流场分布进行了数值模拟，该模拟方法能够用来分析喷头压力和出口速度的变化，其中模拟值与试验压力值的最小误差为0.049，最大误差为0.140，模拟过程中的出口速度为12.6～17.9 m/s.王超等[10]在针对附壁射流元件，探索不同结构参数对射流元件内部流场的影响规律.

喷头流道采用空间结构设计，可以有效改善水流的内流场分布，进而对喷洒外特性如水量分布的提高起到较好的效果.在设计过程中应重点考虑，但相关的研究却很少.

文中选取低压旋转式喷头为研究对象，以喷盘空间流道的结构参数和出口截面形状作为试验因素，通过正交试验法测量并分析喷头水量分布、射程及不同间距下的组合均匀系数，掌握低压旋转式喷头空间流道结构对喷洒外特性的影响规律为低压旋转式喷头的设计提供参考.

1 材料与方法

1.1 低压喷头工作原理及喷盘流道结构设计

试验选用上海华维公司生产的H33低压旋转式喷头，该喷头工作压力为175～350 kPa，最大射程为15.2 m.图1为低压旋转式喷头的结构示意图.该喷头主要部件包括阻尼机构、旋转式分水盘、喷盘、喷体、喷嘴、接头等.其工作原理：水流由管道通过喷嘴，由喷嘴进入喷盘的空间流道，空间流道具有一定的偏转角，产生一定的驱动力，最后喷洒而出.在驱动力和阻尼机构产生的阻力矩共同作用下，喷盘作低速旋转，其结构示意图如图2所示.

图1 低压喷头结构示意图

图2 喷盘结构示意图

喷盘空间流道要完成压力水流进入、转弯、能量交换和喷射几项工作，其结构形式几何尺寸，断面形状和表面粗糙度等都影响喷头的水力性能.图3为喷盘空间流道结构示意图，D为空间流道的进口直径，由喷头的型号确定；α为流道偏转角，α定义为进口中心点与出口截面形心的连线与三维坐标系中Y轴的夹角；L为流道型线的弧长，定义为从进口中心点到出口截面形心的弧线的长度，r为流道型线所形成的圆的半径；γ为出口仰角4个因素，定义为出口水喷射方向与X轴的夹角；喷头的出口截面的形状由设计决定.

图3 空间流道结构示意图

1.2 试验因素水平和试验方案

表1为结构参数因素水平表.

表1 结构参数因素水平表

表2为实验方案，其中数字1,2,3表示因素水平.因素主要包括出口截面形状、流道偏转角、流道型线弧长和出口仰角4个因素.出口截面的形状如图4所示.

表2 结构参数试验方案

图4 出口截面形状示意图

1.3 试验装置

试验在室内喷灌实验室进行，室内处于无风状态.试验系统的组成主要包括喷头、管路、水泵机组、流量计、压力表和量雨筒等.其中：喷头旋转稳定后开始测量记录数据，时间为1 h.采用0.4级精密压力表(量程为0～0.4 MPa)测量喷头工作压力；工作压力为250 kPa；采用电磁流量计(精度为1%)测量流量；强度由量雨筒的数据读取，量雨筒间隔设为1 m，射线状布置.试验参照国家标准GB/T 22999—2008《旋转式喷头》，国家标准GB/T 27612.3—2011《水量分布均匀性和试验方法》等.每组试验测量3次取平均值.图5为试验系统示意图，图6为试验场地.

图5 试验系统示意图

图6 试验场地

2 结果分析

2.1 单喷头水力性能

通过测量的点喷灌强度I，得到沿射程R方向的水量分布曲线.图7为不同流道出口形状下的水量分布.从图7中可以看出，1号、2号、8号和9号试验喷头的水量较为均匀，近似呈梯形，喷洒均匀性较好；3号试验喷头的水量分布主要集中在喷头附近，喷灌强度逐渐降低，呈三角形，有利于多个喷头进行组合喷灌；4号、5号和6号试验喷头的近处水量较少，中部数值较大，在组合喷灌中会造成叠加区水量更多，影响喷洒均匀性.空间流道出口截面为圆形和倒U形的试验喷头，其喷洒均匀性要优于出口截面为异形的试验喷头，说明出口截面的形状是影响喷头喷灌质量的主要因素之一.

依据单喷头点喷灌强度，计算了线性插值法所求射程的误差[11].表3为1～9号试验喷头的射程R、误差ρ和流量Q.从表3中可以看出，3号试验喷头的射程最近，为11.4 m，9号试验喷头的射程最远，为3号试验喷头的约1.17倍，其余试验喷头的射程均在12 m以上.使用电磁流量计测得喷头的流量波动较小，在0.73～0.75 m3/h内，说明在出口横截面积不变的情况下，空间流道结构参数的改变对流量基本无影响.

表3 试验结果汇总

图7 不同流道出口形状的水量分布

2.2 组合均匀性系数

喷洒的均匀性是喷头在应用中的重要的评价指标，较高的均匀性可以使地面或作物受水均匀，利于作物的生长[12].在喷灌工程中，喷头大多采用正方形或者三角形的布置形式.因此，文中选取正方形的布置方式，采用Matlab计算组合喷洒均匀性系数， 其计算公式为

(1)

(2)

喷头组合间距分别为1.0R，1.1R，1.2R，1.3R和1.4R.图8所示为不同组合间距下的喷灌均匀系数.

由图8可知， 3号试验(出口截面形状为圆形，流道偏转角为4.5°，流道型线弧长为33 mm，出口仰角为25°)喷头的Cu值均较高，大于80%，该种参数组合下，最佳组合间距为1.3R；1号(出口截面形状为圆形，流道偏转角为2.5°，流道型线弧长为29 mm，出口仰角为19°)和9号(出口截面形状为倒U形，流道偏转角为4.5°，流道型线弧长为31 mm，出口仰角为19°)试验喷头的Cu值均大于75%，且9号试验喷头在组合间距为1.0R时，组合均匀系数达到了81.3%；4号、5号、7号和8号试验喷头的Cu值随着组合间距的增加而逐渐减小，最佳组合间距均为1.0R.

图8 喷灌均匀性系数

2.3 平均喷灌强度

一般情况下，喷灌工程规范中设定，根据土质的不同，允许喷灌强度为8或高于8 mm/h[13].图9为1～9号试验喷头在不同组合间距下的平均喷灌强度Ia曲线.由图9可知，平均喷灌强度随着组合间距的增大而逐渐减小.其中5，6，7，8和9号试验中，随着组合间距的增大，平均喷灌强度减小的幅度相对较小.而1，2，3和4号试验幅度相对较大.2号和4号试验喷头在组合间距为1.0R时，其喷灌强度大于8 mm/h.在土质为黏土的情况下，有可能会产生地表径流，造成浪费水资源.

图9 不同组合间距下的平均喷灌强度

2.4 极差分析

试验采用综合评分法分析[14]各结构参数对喷洒性能的影响.评价指标为喷头的组合均匀性系数和射程.根据试验经验和要求，组合均匀性系数和射程的权值分别为W1=W2=1.组合均匀性与射程的数量级不同，取C1=10，C2=0.2，使均匀系数与射程数量相当.则由直接加权法，αk=CkWk综合评价为

yi*=10yi1+0.2yi2.

(3)

以yi*作为试验结果进行指标计算，yi*值越大优化结果越好，其结果如表4所示.

表4 评价结果

由图8,9可知，为了保证喷头喷洒的均匀性，减少水土流失的可能性，表4中的组合均匀系数以1.2R的组合间距为例.由表4可知，3号试验的喷洒均匀性系数最大，达到83.7%，7号试验的喷洒均匀性系数最小，为70.1%；9号试验喷头在保证了射程的同时，喷洒均匀性也较好；随着流道偏转角的增大，组合均匀系数也在提高.表5为极差分析的多指标试验结果，从表5中可以看出，结构参数对综合评价指标影响的主次顺序依次为流道偏转角、出口截面形状、出口仰角、流道型线弧长，最优水平组合为A1B3C1D3.

表5 评价结果极差分析

3 结 论

通过正交试验分析低压旋转式喷头喷盘空间流道结构参数对喷头灌溉质量的影响，得到以下结论：

1) 以1.2R的组合间距为例，喷头的组合均匀系数随着流道偏转角的增加而变大；

2) 各空间流道结构参数对组合均匀系数和射程的综合评价指标影响的主次顺序为流道偏转角、出口截面形状、出口仰角、流道型线弧长.最佳参数组合为流道偏转角4.5°、出口截面形状为圆形、出口仰角为25°、流道型线弧长为29 mm.