影响负压反馈射流喷头水力性能的重要参数正交试验

姚吉成，王新坤*，张少川，徐胜荣，靳彬彬，丁师伟

(1. 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013； 2. 中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550008； 3. 山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，山东 泰安 271000)

喷灌是一种广泛应用于农业、景观园林等领域的高效节水灌溉技术[1-2].喷头是喷灌系统工程的关键组成部分，其性能直接影响着喷灌工程的耗资和喷洒均匀性[3-4].单个喷头的性能主要体现在射程、径向水量分布、喷洒均匀性等方面.喷头的射程决定了喷洒湿润面积，对喷灌系统设计包括喷头间距布置、喷头用量、管道间距以及管道用量等具有直接影响，因而对喷灌工程的总体耗资影响较大[5-6].喷灌系统设计中，喷头布置常采用正方形或三角形布置方案.单一喷头的径向水量分布和周期喷洒均匀性直接决定着组合布置后喷灌系统的整体喷洒均匀性[7-8].

负压反馈射流喷头是继全射流喷头[9]后，基于射流附壁切换技术[10]开发的一款具有脉冲特性的国产新型喷头.王新坤及其团队[11-12]针对负压反馈射流喷头原型机进行水力性能试验发现，其出射水流具有强烈的脉冲动能,在同等工作压力、喷嘴喷管尺寸和相近的转动周期下，射程同比摇臂式喷头远1.5～2.1 m，均匀性系数为78%～86%.在驱动与喷洒机制方面，区别于传统摇臂式喷头，采用复杂驱动机构的往复运动，间歇切断水流，加剧射流空中破碎，并通过副喷嘴补充喷洒，以保证近中处的喷洒效果[13].该型喷头由于独特的内部结构设计，其主副喷嘴出射水流均自然呈高频脉冲切换效果，喷洒过程是“主射流远、副射流近—主射流近、副射流远”两者间的动态高频切换，出射水流在空中间断出射次数多，整体喷洒较为均匀.在工作压力为0.2 MPa下，脉冲频率约为18 Hz，脉冲特性曲线类似正弦曲线[14].因此驱动机构设计相比摇臂式喷头大大简化,仅需采用单一挡板作为驱动装置，即可保证近中处的喷洒效果，整体结构简单.

喷嘴、喷管是喷头的重要组成部分，对水力性能影响较大.合适的喷嘴尺寸有利于提高喷头射程，同时维持较为合适的射流破碎程度.合适的喷管长度和仰角组合有助于水流平顺，消除横向环流，减少压力损失，提高喷头射程和野外抗风性能[15-16].由于负压反馈射流喷头工作机制为高速水流左右切换交替出射，不同于常规摇臂式喷头，其内部流动相对复杂和紊乱.因此其喷嘴、喷管等参数组合的设计需要进行针对性研究.目前该项研究少有学者开展.

因此，文中主要针对以上问题进行研究，通过不同工作压力、喷嘴，喷管参数对喷头水力性能影响的正交试验.对试验结果涉及的射程和灌水均匀性多指标评价采用熵权法进行权重确定后，综合评分选出最优水力性能下的工作压力，以及喷管、喷嘴参数组合.对综合评分结果采用极差分析法得到各因素对水力性能影响程度，以期为后续研究提供参考，同时为负压反馈射流喷头工程应用提供理论支撑.

1 材料与方法

试验在江苏大学圆形喷灌实验室开展，实验室为密封带顶棚封闭式建筑，地面平整，坡度小于1%；实验周期内室内温度为15°～18°，无风.试验所需喷嘴、喷管和射流机构均采用快速成型加工，误差小于0.1 mm，各构件加工成品和组装样机如图1所示.主副喷管长度分别为4.2，5.6，7.0 cm；主副喷嘴尺寸分别为3，4，5 mm，圆柱段长度为1 mm,内锥角20°，副喷嘴处驱动板角度为12°；射流机构仰角(即喷射仰角)分别为20°，30°，40°.射流机构的其他结构参数决定着喷头是否具有脉冲特性，该部分王新坤等[12]进行了较为系统性研究，已确定了具体的结构尺寸为射流进口宽×深4 mm×8 mm、位差1.80 mm、侧壁夹角20°、劈距28.0 mm，文中不做讨论，具体参数位置如图2所示.

图1 各试验构件及组装样机实物图

图2 负压反馈射流喷头的结构剖面

单喷头水力性能测试系统参照标准GB/T 50085—2007[17]，GB/T 19795.1—2005[18]，GB/T 19795.2—2005[19]布置.供水系统由实验室自建泵房提供.试验中，标准雨量筒采取双径向布置，间距为1.0 m；为了提高测量精度，在喷洒近处和射程末端部分，雨量筒布置采用0.5 m间距，测试结果取180°的双径向雨量筒数据均值；喷头安装高度为1.20 m；压力表安装在喷头下方0.45 m处，高度与主喷嘴高度保持一致，精度为0.4级；电磁流量计安装在泵房水泵出水口处，精度为0.5级.试验前先用透明防水薄膜对净空的雨量筒进行覆盖，在喷头稳定运行10 min后，掀去防水薄膜开始数据测量，每组试验重复3次，每次20 min.

试验现场如图3所示.

图3 喷头水力性能测试现场图

2 正交试验

2.1 试验因素与方案设计

影响负压反馈射流喷头水力性能的因素有工作压力、射流原件结构参数、喷嘴尺寸、喷管长度与喷射仰角.工作压力和射流原件结构参数是喷头能否产生脉冲水流及脉冲性能的优异程度的关键；主副喷嘴尺寸、喷管长度以及喷射仰角影响着压力水流在喷头内部流动时的能量损失和出射水流的平顺程度，进而影响喷头的驱动力大小、射程远近、射流破碎程度、野外抗风性能以及整体喷洒质量.

设定A，B，C，D分别代表工作压力(MPa)、主×副喷嘴尺寸(mm×mm)、喷射仰角(°)和主×副喷管长度(cm×cm)，因素取值范围参考摇臂式喷头设计原理[20]，因素水平见表1.

表1 因素水平表

2.2 试验结果与评价

表2为试验方案和结果.喷灌均匀性系数是评价喷头性能的重要指标，代表着喷灌工程的整体喷洒均匀程度，直接影响目标区域作物的生长发育一致性.喷头均匀系数Cu采用克里斯琴法[21]，计算公式为

(1)

表2 试验方案和试验结果

根据试验测得单喷头径向雨量分布数据，采用Matlab编程计算，设定喷头为正方形布置，喷头组合间距根据计算结果择优选取1.2R(R为射程).

对流量大于0.075 m3/h的喷头，喷头射程选取：在正常旋转情况下，喷头中心线距测出的灌水强度为0.25 mm/h那个点的距离[19].

试验结果评价：选取射程和均匀系数2个主要喷头性能评价指标.对涉及多指标的综合评价，采用综合评分法化多指标为单一指标进行选优，具体步骤如下.

首先对各指标进行标准化处理.在喷头水力性能评价体系中，射程与均匀性系数均为越大越好，因此选用式(2)进行处理[22].

(2)

式中：Yij为第i型指标的第j类值的标准化后值；xij为第i型指标的第j类值.

综合评分法中，权重系数的选择对结果影响较大.常用的权重系数其确定方法有专家咨询法、主成分分析法、层次分析法、熵权法、标准离差法等.文中选取熵权法[23]进行权重系数计算，得到射程和均匀性系数的权重分别为0.353 8和0.646 2.由直接加权法，综合评分为

(3)

由表2评分结果可知，第9组试验综合评分最高.最优参数组合为A3B3C2D1，即工作压力0.35 MPa，主×副喷嘴直径为5 mm×4 mm，喷射仰角为30°，主×副喷管长度为4.2 cm×4.2 cm.

为了进一步得到各因素对负压反馈射流喷头综合水力性能的影响程度，对试验结果进行进一步的极差分析[24]，结果见表3.由表可以看出各因素对水力性能影响主次序为C，B，A，D，即喷射仰角、主副喷嘴直径、工作压力、主副喷管长度.

表3 极差分析结果

2.3 最优参数组合下的单喷头水力特性

图4为最优参数组合下的负压反馈射流喷头水力特性曲线，图中物理量为工作压力p、雨量筒距喷头距离d、进口流量Q、射程L、降水深h、平均喷灌强度Ia.

由图4a可知，在工作压力为0.20～0.30 MPa下，喷头进口流量递增范围为1.67～1.98 m3/h.相比国家标准《旋转式喷头》(GB/T 22999—2008)[25]中的规定，同为10 mm进口公称直径，主×副喷嘴直径组合为4.5 mm×2.5 mm的常用旋转式双喷嘴喷头，在工作压力0.20～0.30 MPa下的流量1.49～1.76 m3/h略大.这主要是由于摇臂式喷头采用主喷嘴冲击驱动机构，产生回弹冲击以保证喷头的转动，而副喷嘴主要是为了调节喷头整体喷洒质量.负压反馈射流喷头采用了副喷嘴处高频脉冲射流间歇冲击的驱动方式，为了确保足够的驱动力，副喷嘴尺寸设计得比较大，因此流量略大；另外，主副喷嘴设计尺寸相近，可减小因脉冲射流而使喷头两侧受力不均导致的振动，增加了喷头的运行稳定性.

利用SPSS软件拟合了流量随工作压力的变化函数，即

y=0.204 3x2-0.431 5x+0.347 6,R2=0.995 2.

(4)

式(4)可计算工作压力为0.20～0.35 MPa内任一工况下的单一喷头流量，可为该型喷头实际工程应用提供设计参考.

由图4b可知，喷头射程随工作压力增加呈线性增加趋势，在工作压力为0.20～0.35 MPa下，射程递增为13.1～14.0 m,且随压力增加，射程增加趋势放缓，这主要是由于高压下射流破碎加剧和喷头转动周期缩短引起的.拟合经验式为

y=0.091 8x2-2.322 1x+14.873,R2=0.998 8.

(5)

式(5)用于计算工作压力为0.20～0.35 MPa内任一工况下的单一喷头射程.

由图4c可知，不同工作压力下水量分布趋势基本保持一致，呈双峰状，且近处较少.通过试验观察，水量双峰的形成，在4～6 m处主要是由于驱动板上的侧向槽对部分射流的破碎和导向作用引起；9～11 m处，主要是受副喷嘴射程影响，由于射流的破碎机制，射程末端水滴直径较大，造成该处的水量凸峰.

由图4d可知，不同工作压力下，喷洒平均喷灌强度呈先增后减再递增的变化趋势.0.20～0.25 MPa时，随着工作压力增加，进口流量与射程均增加，且进口流量增速小于射程增速，平均喷灌强度增加；0.25～0.30 MPa时，随工作压力增加，进口流量与射程增速均放缓，且进口流量增速同比下降高于射程增速，平均喷灌强度随之减小；0.30～0.35 MPa时，随工作压力增加，进口流量增速同比上升，射程增速同比下降，平均喷灌强度随之上升.

总体上，该型喷头射程远，流量稍大，平均喷灌强度较大.但对于全圆旋转型喷头，其喷灌强度通常都大于土壤最大入渗强度，而适当增加转动周期，给与土壤足够的入渗时间，可在一定程度上消除喷灌强度过大而引起地表径流的影响[26].对于该型喷头，由于其驱动方式为高速脉冲射流高频间歇打击驱动板以驱动喷头转动，驱动力相比连续射流冲击较大，因此可考虑在转动装置处进行适当调整，通过增加垫片适当延长喷头运行周期，以达到较好的喷洒效果.

图4 水力特性曲线图

3 结 论

1) 通过对喷头样机的连续性测试，该型脉冲喷头运行稳定，证明高频脉冲射流交替冲击并不影响喷头运行的均匀连续性.

2) 各因素对喷头水力性能影响主次顺序为喷射仰角、主副喷嘴直径、工作压力、主副喷管长度.

3) 在射流元件结构参数为进口宽×深4 mm×8 mm、位差1.80 mm、侧壁倾角10°、劈距28.0 mm下，影响负压反馈射流喷头水力性能的主要参数的水力性能最优组合为工作压力0.35 MPa、主×副喷嘴直径5 mm×4 mm、喷射仰角30°、主×副喷管长度4.2 cm×4.2 cm.拟合了在0.20～0.35 MPa下喷头流量和射程的经验公式.为该型国产脉冲喷头的投产和工程应用提供了可借鉴的理论数据.

4) 考虑到喷射仰角不对称性可能会导致喷头在高频脉冲射流冲击下运行不稳定，主副喷管仰角均相同并采取同步变化.纵观目前市场上常见的摇臂式喷头，仍有不少采用主副喷管不同喷射仰角的设计，主要是为了进一步提升喷洒效果.

后续研究可针对主副喷管不同喷射仰角下，对负压反馈射流喷头进行水力性能优化尝试.同时喷嘴部分也可尝试结合该型喷头独特的脉冲特性进行相应的异形喷嘴研发，并进行相应的挡板角度和型式调整以进行优化研究.