喷射角度及压力对微喷带喷洒水滴分布的影响

王文娟，王文娥，胡笑涛，戴东科

（西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100）

0 引 言

微喷带是一种通过薄壁软管上规则排列的小孔喷水的节水灌溉设备，灌水周期短、价格低廉、动力要求低、易于收放，在市场上应用广泛[1]。微喷带的喷洒水在空气中碰撞破碎后，呈抛物线状落在作物及土壤表层。喷洒水滴在空中分布不同，打击动能也不断变化，而打击动能直接关系到微喷带的灌水质量[2]：灌溉时微喷带喷洒水不能直接冲刷作物幼苗或叶片，水滴直径过大，打击动能大，容易打伤幼苗，且易造成土壤板结，影响水流下渗；直径过小，喷洒水滴易产生逸散，造成灌溉水量不足[3]。因此了解微喷带喷洒水滴空间分布规律，对实现微喷带的精准灌溉有着重要意义[4-5]。

微喷带的水量分布包括灌溉时地表的水量分布和喷洒水在空中的分布[6]。目前对微喷带喷洒水滴的研究多是微喷带的地表水量分布和水力性能方面：地表水量分布均匀程度可用克里斯琴森系数[7]、流量变异系数等特征系数描述[8]，水量分布范围可用湿润区宽度、干燥区宽度和湿润区面积等特征参数描述[9-10]。水力性能和工作特性会直接影响微喷带的灌溉效果[11-12]。郑迎春[13]的水力特性试验探究了灌水器出流规律和喷洒水滴在空气介质中的运动规律。如工作压力、喷射角度、布孔方式、微喷带布置间距等因素均会影响微喷带的水量分布[14-16]。以上都是针对喷洒水的地表分布进行的探究，而对于喷洒水滴在空中的分布规律，由喷洒水滴的个数、直径、速度和灌水强度等参数来描述。现有的摄影法[17]、面粉法[18]、色斑法[19]等都可获取喷洒水滴的粒径数据，得到水滴直径和打击动能的分布规律。Bautista 等[20]证明了粒子追踪技术在农用喷头液滴形态观测方面的适用性；King 等[21]利用激光雨滴谱仪观测液滴尺寸和速度，得到田间灌溉系统的液滴分布规律。其中，激光雨滴谱仪是利用光学原理和激光技术实现对水滴浓度、直径、速度和降水强度等参数的实时监测[22]，与上述其他方法相比，有操作简单、适应多种工作环境等优点[23]，并且可以很好地应用在喷洒水滴观测方面。

综上，对于喷头已进行了水滴直径和打击动能分布规律等方面的相关研究，而对微喷带这一广泛使用的节水灌溉设备，目前主要侧重于地表水量分布和均匀程度的试验探究，研究手段单一，缺乏对喷洒水滴在空间上的直径、灌水强度和动能的系统性探索。本研究为探究微喷带喷洒水滴的空间分布特征，设计室内试验，使用激光雨滴谱仪观测不同喷射角度和工作压力下的喷洒水滴分布参数，得到灌水强度和水滴直径分布，及其对喷洒水滴空间分布特征的影响，以期探明微喷带喷洒水滴的空间分布规律，指导微喷带的设计与应用。

1 材料与方法

1.1 试验设备与材料

试验在西北农林科技大学水工厅进行，试验装置见图1。试验所用微喷带购于杨凌启丰节水有限公司，管径为28 mm，喷孔为机械打孔，孔径0.7～0.8 mm，斜五孔布置。喷孔间距2 cm，孔组间距22.7 cm，孔组的倾斜度15°，结构见图2a。微喷带由回收的废料制成，壁厚约0.2 mm，孔径约0.8 mm，爆破压力0.1 MPa，最大工作压力为0.06～0.07 kPa。该微喷带折径为44 mm，每组为5 个喷孔，下文统称为N44-5 型微喷带。精密压力表量程0.2 MPa，精度0.25 级。首部设置120 目叠片过滤器，孔径0.125 mm。测量仪器采用德国Thies Clima 研制的LNM型激光雨滴谱仪（Laser Precipitation Monitor，LPM），可测对象最小直径为0.16 mm，可输出雨滴谱图，可测量水滴直径、速度及对应的水滴个数，及某一时段的降水量和降水强度，此降水强度值即本试验中的灌水强度。LPM 的有效测量区域为20 cm×2 cm，数据采集间隔时间为1 min。

1.2 试验设计

如图2a 所示，试验所用的N44-5 微喷带5 个喷孔的喷射角度依次为40°、60°、90°、120°（–60°）、140°（–40°），呈对称状分布。故试验设计中喷射角度选取40°和60°两个角度作为变量进行试验。图2b 可以清楚地显示出微喷带的水流轨迹呈抛物线状，试验时对水流轨迹的上曲线和下曲线的中间部分布置测点，测量微喷带喷洒水滴空间分布，干燥区不布置测点。

微喷带为沿程泄流管，压力沿程逐渐降低[24]，为保证微喷带在较大范围内均能达到较好的灌溉均匀度，管首压力适当高于最优压力，以保证管道首末流量差小于20%。经过水力性能测试，试验所用N44-5 微喷带，管首工作压力为20 kPa 时首尾压差为5.2 kPa，32 kPa 时首尾压差为10.3 kPa。在20 kPa 以下时，管末处压力过低，灌溉效果差。压力高于32 kPa 时，微喷带首尾压差过大，且微喷带首尾压差随着首部工作压力的增大而增大。在24～28 kPa 时该微喷带水力性能较优，因此本试验的工作压力选取20 kPa（P20）、24 kPa（P24）、28 kPa（P28）、32 kPa（P32）4 种，喷射角度选取40°（A40）、60°（A60）及两孔组合（A4060）3 种，共计12 种工况，进行微喷带喷洒水滴分布参数观测的全组合试验。

微喷带的水流从充满水的薄壁软管中喷出后，经由喷孔斜向上方射入空气中，开始段喷洒水流为束状，喷洒水流在运动过程中，由于重力和空气阻力的共同作用，束状水流开始分散，水股破碎形成细碎水滴，水滴间相互碰撞、破碎后二次分布，逐渐扩散至空间较大范围，形成湿润区。本试验的测点布置在微喷带的束状水流开始扩散到喷洒水流到达地面处，为水流曲线的中后段（见图3）。试验中布置测点时，以微喷带铺设位置处为基准面，竖直方向上从基准面到水流最高点为止，水平方向从湿润区外边界到湿润区内边界；根据LPM 有效测量范围，竖直方向和水平方向每10 cm 布置一个测点，即图3中10 cm×10 cm 纵横网格交叉处。每种工况具体测点数由喷洒水流空间分布范围决定，从53 到153 个不等。

试验时，微喷带为正常运行状况，所有喷孔均喷水。除测试喷孔，其余孔用塑料布遮挡，仅留测试喷孔水流喷入空中。各工况下，待压力稳定后使用LPM 观测，各测点每1 min 以Excel 形式输出一次降灌水强度、水滴直径及对应直径级的水滴个数数据，持续7 min，重复3 次。

1.3 数据分析方法

均匀度和灌水强度是评价喷微灌的地表灌水质量的两个主要指标[25]。均匀度是表征喷灌水量分布均匀程度的定量指标，灌水强度则表示单位时间内喷洒在灌溉土地上的水深。

微喷带灌水均匀度采用克里斯琴森系数[7]表示（Christiansen Uniformity coefficient，CU），公式如下：

2 结果与讨论

2.1 微喷带灌水均匀度

根据式（1）计算12 种工况下距地面10 cm 处的灌水均匀度，见图4。

由图4 可知，一定工作压力范围内，单孔喷洒时的均匀度随工作压力的增加略有增加，均匀度整体范围为0.45～0.65。A4060 的均匀度范围为0.60～0.70。这是由于不同喷射角度单孔喷洒的湿润区喷洒范围、同一位置处水滴直径及数量不同，部分区域水量叠加使得两孔组合时均匀度略高。单孔及两孔组合喷洒均匀度随压力的变化规律符合孔口出流、斜抛运动及水股破碎的基本规律，压力越大，喷孔出流量、喷洒范围越大，水股破碎程度越高，但压力进一步增大后，一定长度微喷带的首末压差将增大，均匀度反而会降低[27]，可以通过控制压力及不同角度喷孔组合提高灌水均匀度。

2.2 灌水强度空间分布规律

在不同喷射角度和工作压力下，微喷带的灌水强度的数值和变化趋势均不同。选取12 种工况下地面处灌水强度均值进行方差分析（表1）。从表中可以看出，工作压力和喷射角度对灌水强度均值具有极显著影响（P<0.01），工作压力和灌水强度的交互作用对灌水强度的均值也具有极显著影响（P<0.01）。

喷射角度固定时，灌水强度随着距微喷带铺设位置水平距离的增大呈先增大后减小的趋势，呈抛物线型，存在峰值（图5）。喷射角度为40°，4 种工作压力下，湿润区分别分布在140～240、130～250、170～280、170～300 cm 范围内，湿润区宽度约为100～130 cm，湿润范围随压力的增加向外移动，试验压力范围内灌水强度峰值基本一致，从23.0 减小至17.9 mm/h。喷射角度为60°，4 种工作压力下，湿润区分别在80～150、90～180、110～210、120～240 cm 范围内，湿润区宽度从70 增加至100 cm，随工作压力增大，灌水强度峰值从38.4 减小至21.8 mm/h 左右。A4060 工况下，随工作压力增大，湿润区逐渐向微喷铺设位置的远端移动，湿润区宽度随之变宽，微喷带喷洒范围增大；灌水强度随着工作压力的增大总体上呈现逐渐降低的趋势，灌水强度峰值向微喷带铺设位置的远端移动。灌水强度的整体数值也随工作压力增大而增大，灌溉效果提升。P32 在水平方向上的喷洒范围较其他3 种工作压力更广。灌水强度的分布形式由窄深型变为宽浅型，分布范围更广，水量可以到达的面积变大。同一工况中，测点位置越靠近地面，灌水强度越大。

A40、A60 和A4060 工况下，喷洒水量湿润区宽度均随工作压力增大而增大，P32、P28 灌水强度峰值在水平方向上分布较宽，较P20、P24 峰值在水平方向上分布的范围更大。A4060 工况下，垂直微喷带铺设方向上水量分布的范围更广，该方向上出现一高一低两个峰值，与地面水量分布试验中的结果相似[27]。各工作压力下A4060工况的高峰值点出现在距微喷带管轴水平距离较近处，与相同压力下A60 工况的灌水强度峰值位置相同，如P20A4060 工况峰值出现在100 cm 附近，P32A4060 出现在150 cm 附近，与P20A60 和P32A60 的单峰峰值位置一致；而A4060 各工作压力下的灌水强度低峰值点出现在距微喷带管轴水平距离较远处，如P204060 在180 cm附近、P32A4060 在260 cm 附近，与P20A40 和P32A40工况的单峰峰值位置一致。由图5 可知，A4060 的湿润范围与灌水强度分布接近A40 和A60 的叠加，但一高一低两个峰值的数值均不同于相同位置处A40 和A60 的灌水强度之和。这是由于A4060 为两孔组合喷水，喷洒水量的范围在空中有重叠，不同喷射角度的喷孔喷洒水流在空中碰撞、汇集、破碎，产生水量的二次分布，使水量分布和灌水强度与单孔喷洒时存在差异。根据斜抛运动规律，不考虑空气阻力作用，45°斜抛物质水平运动距离最大，斜抛物体运动的高度随角度的增大而增大[28]，从图5 可看出A60 喷射高度范围增加较A40 大，而水平喷洒距离较A40 是减小的。因此，可通过组合不同喷射角度的喷孔获得更大的喷洒范围及较高的均匀度。

2.3 水滴直径范围及构成

根据式（2）计算不同工况下微喷带各测点的水滴直径，分析喷洒水滴直径范围及分布，得到各工况下不同测点处各直径级水滴个数占总数百分比情况。由于各工况下的水滴占比分布规律相似，因此文中只给出P20A40的分布图（图6）。

P20A40 中，距地面10 cm 处，0.50 和0.75 mm 直径级的水滴个数占比较大，距离微喷带较近处，两个直径级的水滴占比和为60%～80%，而测点距地面垂直距离升高，单孔喷洒水滴的主要直径逐渐增加至 0.75 和1.00 mm，两个直径级的水滴占比增大至为50%～70%。这与韩文霆等[29]针对喷头进行的射流试验研究结果一致。水滴自喷孔喷出后，经抛物线状喷洒至地面，水滴从最高点喷洒到地面的过程中，由于液滴之间的相互碰撞破碎，喷洒水滴经过数次破碎，直径逐渐减小，喷洒水滴越靠近地面，喷洒水滴逐渐成为细碎的小水珠，灌水强度增大。在相同喷射角度下，水滴直径随工作压力增大而减小，微喷带喷洒水滴平均直径的范围为0～2.50 mm。其余工况水滴主要直径级的变化规律与P20A40 相似。

各工作压力下的水滴直径的变化规律一致。在垂直微喷带铺设方向上，距离微喷带管轴水平位置越远，0.50 mm 直径级的水滴占比越少，而0.75～1.00 mm 直径级的水滴占比逐渐增大。靠近微喷带喷洒水流轨迹的外侧和上层，水滴直径比喷洒水流轨迹内侧和下侧的水滴直径更大。1.25 和1.5 mm 直径的水滴数目随工作压力增大而增多，大于1.5 mm 直径级的水滴数目也有增加，但总体占比仍较小。这是由于外侧水滴数目少，水滴与水滴之间、水滴与空气之间发生的碰撞破碎更少，因此在直径上的二次分布也少于内侧及水滴分布的中间部位，该位置测点的水滴直径大于其他部位的喷洒水滴。

2.4 喷射角度和工作压力对喷洒水滴直径的影响

图7 为各工况下水滴平均直径随测点变化图。图7a～h 中，相同工作压力下，随着距微喷带管轴水平距离的增加，水滴直径逐渐增大；相同水平距离处，距离地面越远，微喷带的喷洒水滴直径越大。当喷射角度固定时，随工作压力增大，相同水平距离处的水滴直径减小，而整体的水滴直径分布范围略有增大。P32、P28 的水滴直径分布与P24、P20 相比，分布更集中、均匀。这是由于工作压力增大后，微喷带喷洒的射程变远，水滴的破碎和二次分布加剧，水滴与水滴之间、水滴与空气之间的碰撞破碎加剧，水滴的分布更加均匀。在灌溉时这种水滴直径分布规律更能保证灌溉质量。

图7i～l 中，两孔组合喷水，4 种工作压力下的水滴直径分布趋势较为相似，且与单孔喷水的水滴直径分布趋势不同：在距离微喷带管轴一定距离处，水滴直径出现第一个峰值后略有下降，而后又呈上升趋势。如P20A4060 水滴直径分布范围为 0.60 ～1.33 mm，P32A4060 为0.56～1.39 mm，工作压力增大时水滴直径的分布范围略有增大。

汇总每一高度处各直径级水滴个数，得到距离地面不同高度处的水滴频率分布图，各工况下水滴频率分布趋势相似，因此文中只给出P20A40 和P32A40 两种工况的频率分布。水滴频率（xi）是指某一直径的水质量占某测量点处喷洒水质量的比值，计算公式为：

由图8 可知，工作压力对于微喷带单孔喷洒水量在空间上的直径尺寸分布范围影响较小，两个工作压力下，占比较大的水滴直径尺寸都在0.45～1.25 mm 之间。P20占比最大的水滴直径约0.75 mm，P32 出现频率最高的水滴直径约在0.63 mm。各工况下分布规律一致：单孔喷洒时，工作压力增大时，水滴直径分布范围减小，趋于均匀化，与图7 结果相符。

3 讨 论

3.1 雾化指标和水滴直径分布

雾化指标是反映喷灌水滴打击强度的重要指标[30]，用工作压力和主喷嘴直径的比值来表示，即在已经选定喷头的情况下，压力是影响喷灌质量的重要影响因素。本研究中，工作压力为20～32 kPa，微喷带的喷孔直径为0.70～0.80 mm，雾化指标在2 800～4 570 之间，基本符合灌溉标准中粮食和经济作物及果蔬等对灌溉设备的3 000～4 000 的要求[31]。

本文试验得到的水滴直径范围为0～2.50 mm，与目前研究公认的喷灌水滴直径范围吻合[2]，且水滴直径随工作压力增大呈现减小趋势，这一结论与朱兴业等[26]的结论一致。从试验分析结果来看，微喷带喷洒水滴的直径范围构成和分布规律，与已有研究是比较一致的，而如何提高微喷带水滴分布的均匀程度，提高灌水质量，还需要对微喷带的喷洒水滴分布特性进行探究。

3.2 应用及建议

微喷带水量分布的影响因素主要是结构参数（孔径、孔水平间距、每组孔数、孔组的喷射角度及组合等）和运行参数（如工作压力、铺设长度、铺设间距等），它们都会影响到微喷带的实际灌水质量。地表的灌水质量是用前文的均匀度和灌水强度来评价，而微喷带喷洒水滴在空中分布的均匀与否，可以通过其水滴直径、个数、动能分布等来评价。通过对微喷带喷孔角度及数量进行组合，改变水滴直径分布范围，可以提高微喷带地表和空中水量分布均匀程度。

不同工况下，微喷带的喷洒水滴在空中的分布也不相同，工作压力直接影响微喷带喷洒水滴的直径和空间分布，需要确定合理的运行压力范围。因此进行田间灌溉时，不同生长时期作物的株高和冠层覆盖度均不相同，使用微喷带灌溉时要根据作物生长时期确定相应压力，使水滴直径和打击动能均在作物耐受范围内，避免对作物生长产生影响。在作物幼苗时期，冠层覆盖度低，且叶片和茎杆幼嫩，因此灌溉时要选择较小的工作压力，使喷洒水滴呈雾状，减少对植株和叶片的损伤。在植株生长的关键时期，如小麦拔节期，可适度选用较大的工作压力来满足作物的需水需求，保证灌水强度平稳，喷洒水滴直径也不会过大。作物开花期、灌浆期，为达到灌水效果，且不伤害作物，灌溉时应尽量产生较小的喷灌水滴直径，降低打击动能，以免喷洒水滴对作物产生打击，造成减产。同时在实际生产中，对于不同的作物种类也要注意微喷带产品的选择，不同的作物可以选择不同的微喷带，要根据作物种类选择相应的孔组数目和孔组排列组合，真正做到节水增产。

4 结 论

1）使用激光雨滴谱仪观测微喷带喷洒水滴的空间分布，能准确、全面地观测水滴直径、灌水强度等参数的变化，可为进一步探索微喷带喷洒水滴的运动参数变化规律提供一种可行的试验方法。

2）随工作压力增大，喷射角度为40°时的灌水强度峰值在17.9～23.0 mm/h，峰值在试验压力范围内波动不大。喷射角度为60°时的灌水强度的峰值随工作压力增大逐渐降低，从38.4 减小至21.8 mm/h。两孔组合对应的灌水强度存在一高一低两个峰值。

3）喷洒水滴直径范围为0～2.50 mm，占比较多的水滴直径在0.45～1.25 mm。相同喷射角度下，水滴直径随工作压力的增大而减小；相同工作压力下，喷射角度增大，微喷带单孔喷洒水滴的直径分布范围略有减小。随着距微喷带管轴水平距离增加，水滴直径增大，灌水强度呈现先增大后减小的趋势，存在峰值；距离地面越近，相同测点处的微喷带喷洒水滴直径越小，灌水强度越大。