非旋轉(zhuǎn)低壓折射式噴頭水力性能理論研究及優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著水資源日益短缺，推廣包括大型移動(dòng)式噴灌在內(nèi)的節(jié)水灌溉技術(shù)已成為緩解農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域水資源危機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，目前大型移動(dòng)式噴灌設(shè)備工作壓力普遍較高，且與之配套的噴頭正常工作壓力一般不低于100kPa。為了降低能量的過(guò)度消耗，發(fā)展低壓移動(dòng)式噴灌，開(kāi)發(fā)與之配套的低能耗噴頭是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。本文以噴灌領(lǐng)域較為常見(jiàn)的非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)分析與理論計(jì)算的方法，分析了該噴頭的水力性能。針對(duì)該噴頭噴灌強(qiáng)度大的問(wèn)題，對(duì)噴頭流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化

2、;針對(duì)單噴頭移動(dòng)水量分布較差的問(wèn)題，通過(guò)建立不同角度流道水量疊加理論，開(kāi)發(fā)出新型低壓折射式噴頭，并對(duì)新開(kāi)發(fā)的噴頭水力特性進(jìn)行了分析。具體研究如下:
　　(1)對(duì)Nelson D3000噴頭單流道水力性能進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)該噴頭噴灑出的水量和能量的擴(kuò)散與噴頭的安裝高度和工作壓力等因素有關(guān)。提升安裝高度或者增大噴頭工作壓力，很大程度上加速了射流水舌的碎裂，使得噴灑的水量及能量擴(kuò)散更為均勻。雖然高度提升會(huì)對(duì)峰值水量和峰值能量有

3、一定的削弱作用，但是從水量和能量分布來(lái)看，單條流道噴灑出的水量和能量仍聚集在末端0.75倍的射程處，在實(shí)施噴灌過(guò)程中，對(duì)于某些噴灑點(diǎn)，在峰值水量和峰值能量過(guò)境時(shí)，較大的噴灌動(dòng)能對(duì)作物和土壤的作用力較大，增大了打擊傷害的概率。因此為了降低水量和能量峰值對(duì)作物的打擊傷害，有必要開(kāi)發(fā)出一種低壓力噴頭，并減小單流道峰值水量和能量過(guò)于集中的問(wèn)題。
　　(2)針對(duì)折射式噴頭水量分布模擬軟件較少的問(wèn)題，基于彈道軌跡理論，在考慮有風(fēng)時(shí)水滴運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)

4、條件下，以Java—Eclipse作為開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)出有風(fēng)條件下適用于折射式噴頭的噴灌水量分布計(jì)算軟件。在模型求解過(guò)程中，通過(guò)回歸分析建立了不同壓力及噴嘴直徑下Nelson D3000型噴頭出流速度及角度模型，并基于折射式噴頭噴灑模型、彈道軌跡方程和水滴蒸發(fā)模型，編寫(xiě)出了的噴灌水量分布的計(jì)算程序;該軟件在已知噴頭工作壓力、噴嘴直徑、噴頭安裝高度及環(huán)境條件條件下，可以計(jì)算出噴灑粒徑分布、單噴頭水量、能量分布及蒸發(fā)損失，并通過(guò)與實(shí)測(cè)值對(duì)比，驗(yàn)

5、證了該計(jì)算軟件的精準(zhǔn)性。
　　(3)為了改善現(xiàn)有的低壓折射式噴頭噴灑峰值水量過(guò)大的問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)出新型低壓折射式噴頭。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇了較為常見(jiàn)的矩形、Y形、V形，埡口形和五邊形5種流道出口截面形式的噴盤(pán)，通過(guò)對(duì)五種類(lèi)型噴盤(pán)單條流道峰值水量和噴灑射程進(jìn)行測(cè)試，以峰值水量最小、噴灑射程最大為優(yōu)選目標(biāo)，甄選出Y形截面噴盤(pán)水力性能最優(yōu)。選擇Y型噴盤(pán)截面形式，以噴盤(pán)流道個(gè)數(shù)和流道出射角為設(shè)計(jì)因素，采用激光快速成型技術(shù)開(kāi)打印出5種流道個(gè)數(shù)

6、、5種出射角度（2因素5水平）共25個(gè)噴盤(pán)。通過(guò)對(duì)25種噴盤(pán)在不同工況下的水力性能試驗(yàn)，建立了噴灑射程和峰值強(qiáng)度分別與流道角度、流道個(gè)數(shù)的函數(shù)模型，以最小峰值強(qiáng)度和最大噴灌射程為優(yōu)選目標(biāo)，計(jì)算了噴盤(pán)最優(yōu)流道個(gè)數(shù)27個(gè)和最佳挑射角度為18.9°。并對(duì)低壓噴盤(pán)單流道水量峰值強(qiáng)度、噴灑射程進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果顯示，峰值強(qiáng)度、噴灑射程的測(cè)量值與計(jì)算值差異性較小，表明建立的峰值強(qiáng)度模型和噴灑射程模型準(zhǔn)確度較高，優(yōu)化的流道個(gè)數(shù)和挑射角度等參數(shù)較為合

7、理，可以采用此參數(shù)開(kāi)發(fā)工作壓力小于100kPa的低壓噴頭。固定流道個(gè)數(shù)27個(gè)，挑射角度18.9°，采用等流道夾角設(shè)計(jì)的方法開(kāi)發(fā)出一種噴盤(pán)，通過(guò)對(duì)該噴盤(pán)移動(dòng)水量分布的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，任一工況下該噴頭水量在垂直于移動(dòng)方向上的分布不均勻，應(yīng)對(duì)該噴盤(pán)流道夾角進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化分析。
　　(4)在對(duì)流道夾角的優(yōu)化過(guò)程中，以雨量筒收集的折射式噴頭單流道水量作為原始數(shù)據(jù)，建立基于單流道水量分布數(shù)據(jù)的移動(dòng)式單噴頭移動(dòng)水量分布計(jì)算方法，以不同流道夾角下單流

8、道水量在垂直于噴灌機(jī)行走方向上的投影分布進(jìn)行累加，計(jì)算出單噴頭在垂直于行走方向的水量分布。根據(jù)折射式噴頭不同流道噴灑水量累積理論，采用Java—Eclipse作為開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)了折射式噴頭設(shè)計(jì)程序，并采用該軟件，結(jié)合優(yōu)化出的流道水量分布數(shù)據(jù)，以移動(dòng)單噴頭水量呈三角形分布為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)試算的方法，計(jì)算出噴頭27條流道的最佳布置角度，27條流道設(shè)計(jì)角度分別為24°、35°、46°、57°、68°、79°、90°、101°、112°、123°

9、、134°、145°、156°、191°、202°、220°、240°、252°、264°、276°、288°、300°、320°、338°、349°和360°。并采用激光快速成型的方法制作出了噴頭樣件，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得了移動(dòng)條件下噴頭單側(cè)水量分布特性，通過(guò)與計(jì)算值的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)新開(kāi)發(fā)出的噴頭水量分布形式與預(yù)期基本相符，該噴頭可裝配在移動(dòng)式噴灌設(shè)備上實(shí)施噴灌作業(yè)。
　　(5)為了測(cè)試新型低壓噴頭其他的性能參數(shù)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定了

10、不同安裝高度下該單噴頭的水滴粒徑分布范圍、峰值噴灌強(qiáng)度以及噴灑射程，并與Nelson D3000噴頭進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，任意工況下，新型噴頭噴灑的水滴直徑普遍小于Nelson D3000型噴頭，峰值噴灌強(qiáng)度較低，噴灑射程較大，采用該噴頭實(shí)施低壓噴灌作業(yè)時(shí)，一定程度上會(huì)降低噴灌水滴對(duì)作物和土壤的打擊傷害概率，減小土壤侵蝕。采用開(kāi)發(fā)出的折射式噴頭水量分布與均勻度計(jì)算軟件，對(duì)有風(fēng)條件下設(shè)計(jì)的噴頭和Nelson噴頭的組合噴灌均勻度進(jìn)行了模擬，與