壓力對微噴帶水量分布的影響研究

張 碩，王文娥，胡笑濤

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

微噴帶是在薄壁塑料軟管(盤卷后呈扁平帶狀)的管壁上直接加工以組為單位循環(huán)排列的噴孔，通過這些噴孔出水進(jìn)行灌溉的一種節(jié)水灌溉器材。與其他灌溉設(shè)備相比，微噴帶具有投資低廉、作用壓力較低、出水量大、對供水供電要求不高、維護(hù)保養(yǎng)方便、對作物和土壤沖擊力小等突出優(yōu)點(diǎn)。中國從20世紀(jì) 90年代開始引入、研制和推廣微噴帶節(jié)水灌溉技術(shù)，在日光溫室和塑料大棚、連棟溫室、大田種植中獲得大量應(yīng)用。

灌水均勻度直接影響作物生長和產(chǎn)量，是評價(jià)灌水質(zhì)量的一個重要參考指標(biāo)。張芳[1]對微噴帶噴灑均勻度的影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)影響微噴帶噴灑均勻度的因素有工作壓力、單孔的結(jié)構(gòu)特性及制造工藝、單孔的布置形式和風(fēng)速風(fēng)向等。張學(xué)軍和吳政文[2]發(fā)現(xiàn)微噴帶的水量分布均勻系數(shù)Cu總體水平較低，微噴帶的水量分布均勻系數(shù)及噴灑寬度受工作壓力的影響很大。已有研究表明工作壓力是控制微噴帶噴灑均勻度的主要參數(shù)。本文通過不同首部壓力條件下微噴帶流量、沿程壓力和水量分布試驗(yàn)，對微噴帶噴灑水量分布的影響因素進(jìn)行分析，探索微噴帶最佳噴灑均勻度下的壓力值，為微噴帶節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)水工廳內(nèi)進(jìn)行。水工廳內(nèi)無風(fēng)，試驗(yàn)設(shè)備有變頻恒壓供水裝置、過濾器、閘閥、水表、精密壓力表(量程0.2 MPa，精度0.25級)、自制雨量筒等。試驗(yàn)使用管徑32 mm和28 mm的微噴帶，兩種微噴帶都采用機(jī)械打孔，結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)微噴帶長度為20 m，從微噴帶首端到末端共設(shè)置5個測量點(diǎn)，測量點(diǎn)間距為5 m。自制的水量分布量水裝置由木板格子和雨量筒構(gòu)成，裝置寬80 cm，長240 cm，沿長度和寬度方向每格的長度和寬度均為20 cm，雨量筒直徑為14 cm，將塑料布放置在木格子上，每個雨量筒上的塑料布在對應(yīng)雨量筒中心的位置剪下直徑為10 mm的孔，并留取一定的凹陷深度以便噴出水流匯集流入雨量筒中，放置在距微噴帶20 cm處。試驗(yàn)裝置見圖2。

圖1 Φ32和Φ28微噴帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of 32 mm and 28 mm micro jet

注：1-水源；2-恒壓供水設(shè)備；3-閘閥；4-水表；5-首部壓力表；6-微噴帶；7-壓力測量點(diǎn)之一；8-尾部壓力表；9-雨量筒；10-木格圖2 微噴帶水量分布特性試驗(yàn)裝置示意圖(單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of the test device for water distribution characteristics of micro jet

1.2 試驗(yàn)方法

先測取各個壓力下的壓力分布情況和壓力流量關(guān)系，流量值通過水表讀出。調(diào)節(jié)壓力，選取不同首端壓力值。噴灌的均勻度常用均勻系數(shù)Cu表示：

(1)

式中：n為每行雨量筒的序號，取值1，2，3,…，12；h為雨量筒中水的水量。

微噴帶水平放置、無彎曲，首末端安裝壓力表。打開水源，調(diào)節(jié)閥門以達(dá)到合適范圍內(nèi)的水壓，首端壓力從10～29 kPa、每1 kPa為一組試驗(yàn)，共測試20組首端壓力條件下，微噴帶沿程壓力及水量分布，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。每次試驗(yàn)待壓力穩(wěn)定后3 min開始，讀取測量點(diǎn)的壓力及水表讀數(shù)，測量誤差不大于2%，否則對該壓力點(diǎn)重新進(jìn)行測量。流量穩(wěn)定后用秒表、水表計(jì)算流量。

在每個測量點(diǎn)處放置木格子和雨量筒測定水量分布，微噴帶穩(wěn)定噴水10 min后，關(guān)閉壓力泵，按照雨量筒編號依次測量四列雨量筒內(nèi)的水量，記錄每個壓力值下雨量筒中的水量和高度。

2 結(jié)果與分析

2.1 微噴帶工作壓力與單位長度流量的關(guān)系

微噴帶的出流量隨著工作壓力的變化而變化。試驗(yàn)所用微噴帶極限工作壓力為50 kPa，適宜工作壓力不超過30 kPa，試驗(yàn)過程中通過分析水量分布可知，當(dāng)壓力在24～29 kPa范圍，微噴帶噴灑均勻度隨著壓力的增大而減小，29 kPa時(shí)的噴灑均勻度僅為65.1%，因此試驗(yàn)過程中主要測試了10～30 kPa首部壓力范圍內(nèi)微噴帶的水力性能。微噴灌與滴灌都屬于微灌技術(shù)，但沿管道水量出流特性差異很大，滴灌灌水器出流水量集中在灌水器出口下方，兩個灌水器的出流水量相互獨(dú)立，而微噴帶水量噴灑范圍大，每組多個噴孔噴出的水流會發(fā)生相互碰撞，破碎成水滴下落，每兩組噴孔噴射的水量也會發(fā)生重疊，所以文中采用某一首部壓力條件下單位長度(m)微噴帶平均流量進(jìn)行分析，圖3給出了兩種微噴帶單位長度流量與作用壓力之間的關(guān)系曲線。從圖3可以看出，對于Φ32微噴帶，當(dāng)壓力大于20 kPa時(shí)，流量隨著壓力的增大而增加的更快，且有上升的趨勢；對于Φ28微噴帶，當(dāng)壓力大于19 kPa時(shí)，流量隨著壓力的增大而增加的更快。整體上，這兩種微噴帶的工作壓力與單位長度流量存在正相關(guān)的關(guān)系。相同的工作壓力下，Φ28微噴帶的出流量要小于Φ32微噴帶。

圖3 Φ32和Φ28微噴帶單位長度流量與工作壓力關(guān)系曲線Fig.3 Relationship of unit length flow and pressure curve of 32 mm and 28 mm micro jet

在一定壓力范圍內(nèi)，單位長度微噴帶出流量與壓力的經(jīng)驗(yàn)公式可以用公式(2)來表示：

ql=kpx

(2)

式中：ql為單位長度出流量，L/(min·m)；p為工作壓力，kPa；k為流量系數(shù)，無量綱；x為流態(tài)指數(shù)，無量綱。

通過回歸處理，分別得出Φ32微噴帶和Φ28微噴帶壓力流量關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式：

Φ32微噴帶ql=0.502p0.885R2= 0.892

(3)

Φ28微噴帶ql=0.2p1.003R2= 0.904

(4)

經(jīng)驗(yàn)公式(3)和經(jīng)驗(yàn)公式(4)的相關(guān)系數(shù)R2值分別為0.892、0.904，說明公式(3)和(4)能夠可靠地反映微噴帶單位長度流量和壓力的關(guān)系。Φ32微噴帶的壓力與流量符合冪函數(shù)關(guān)系，Φ28微噴帶的壓力與流量接近線性關(guān)系；微噴帶單位長度流量大，沿程損失較大，尤其當(dāng)微噴帶較細(xì)時(shí)，沿程相對壓力降低大，出流量受壓力分布影響大，容易造成水量分布不均勻，需要根據(jù)微噴帶水力性能確定適宜的工作壓力及鋪設(shè)長度。

2.2 沿程壓力分布

微噴帶灌溉屬于沿程泄流管道，隨著沿程泄流管道長度的增加，微噴帶沿程的壓力將逐漸降低，從圖3可知沿程泄流量逐漸減小，管道中輸水量逐漸減小，相同長度微噴帶產(chǎn)生的水頭損失將逐漸減小，因此微噴帶運(yùn)行過程中沿程壓力分布不是均勻降低的，直接影響到微噴灌的灌水均勻性。本文對30 kPa以下壓力范圍內(nèi)20組不同首部壓力條件下微噴帶的沿程壓力分布進(jìn)行了測試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，不同首部壓力條件下，沿程壓力分布變化規(guī)律類似，圖4給出其中5組(11、15、18、23、29 kPa)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖4 Φ32微噴帶不同管首壓力下沿程壓力分布Fig.4 Pressure distribution along the path of 32 mm micro jet with different tube head pressure

圖5 Φ32微噴帶5種工況下的能坡線Fig. 5 Five kinds of working conditions of the slope line of 32 mm micro jet

由圖4可知，五種管首壓力下的沿程壓力分布隨管長的增加有相似的變化規(guī)律，即呈現(xiàn)遞減的曲線形式。首端壓力越大，首末兩端壓差越小，且首末兩端的壓差值均在3～5 kPa之間。除了首部壓力11 kPa的情況，5 m間隔下的水頭損失值均為1 kPa，說明沿程水頭損失分布較為均勻。水頭損失比是管首壓力值與測量點(diǎn)壓力值差值跟管首壓力值的比值，水頭損失比曲線越接近于直線，說明水頭損失變化越穩(wěn)定。圖5給出了Φ32微噴帶在五種管首壓力條件下的能坡線，從圖中可以看出，首端壓力越大，水頭損失變化越均勻。工況二至工況五的水頭損失比分布均勻，水頭損失最大占管首壓力的25%以下，但工況一的水頭損失較大，總水頭損失達(dá)到管首壓力的45%，沿程流量變化將超過25%。文獻(xiàn)[3]給出的微噴帶沿程水頭損失經(jīng)驗(yàn)公式為：

(5)

式中：q為流量，L/h；d為管徑大小，mm；L為長度，m。

適合管徑20～40 mm、工作壓力0.5～9 m水柱的微噴帶沿程水頭損失的計(jì)算。

對Φ28微噴帶的研究發(fā)現(xiàn)，相同的管首壓力下，首末兩端的壓力差比Φ32微噴帶的壓差大。這與公式(5)的結(jié)果是一致的。另外，首末兩端的壓差還與微噴帶的鋪設(shè)長度有關(guān)，微噴帶的鋪設(shè)長度越長，首末壓差就越大。故在微噴帶的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)慎重選擇首端壓力值的范圍和微噴帶的長度，以避免過多的水頭損失。

2.3 水量分布

沿微噴帶輸水方向，每隔5 m設(shè)置一測量點(diǎn)測量噴灑水量，每個壓力下共設(shè)置5個噴灑水量測量點(diǎn)，且在垂直微噴帶方向上距微噴帶20 cm以內(nèi)無噴灑水量。通過這5個測量點(diǎn)水量分布曲線觀察沿微噴帶方向上的水量分布情況，垂直微噴帶方向上的水量分布情況由每行量筒內(nèi)的水量分布曲線決定。不同管首壓力下微噴帶沿管長5個測點(diǎn)噴灑水量分布情況如圖6。

Φ32微噴帶首部壓力為23 kPa時(shí)，整體的水量分布最為均勻。但具體哪個壓力下的水量分布情況最好，還需要通過公式(1)計(jì)算得出水量分布均勻系數(shù)數(shù)值來判定。將雨量筒雨量用高度來表示，運(yùn)用公式(1)，計(jì)算各個首端壓力下的5個測量點(diǎn)水量分布均勻系數(shù)Cu，見表1。

表1給出了Φ32微噴帶5組首端壓力(11、15、18、23、29 kPa)下每個測量點(diǎn)的水量分布均勻系數(shù)，由于缺少壓力值為8 kPa和24 kPa的水量分布，因此補(bǔ)充進(jìn)行了首端壓力值為8 kPa和24 kPa的水量分布測試，測得Φ32微噴帶水量分布均勻系數(shù)分別是56.9%和75.5%，Φ28微噴帶水量分布均勻系數(shù)分別為54.1%和69.1%。將Φ32和Φ28兩種微噴帶壓力值與水量分布均勻系數(shù)繪制成壓力與Cu值關(guān)系曲線，見圖7。

從整體看，Φ32微噴帶噴灑均勻性優(yōu)于Φ28微噴帶。兩種微噴帶的噴灑均勻系數(shù)先隨著壓力的增加而增加，首端壓力為23 kPa情況下，水量分布均勻系數(shù)Cu值最大，然后隨著壓力的增加噴灑均勻系數(shù)逐漸下降，說明微噴帶存在水量分布均勻的最優(yōu)運(yùn)行壓力，并不是壓力越大水量分布越均勻。首端壓力為

圖6 Φ32微噴帶不同管首壓力下沿管長5個測點(diǎn)噴灑水量分布Fig.6 Spraying water distribution of 5 measuring points along the length of 32 mm micro jet under different pressure

管首壓力/kPa各測點(diǎn)壓力及水量分布均勻系數(shù)0m壓力/kPaCu/%5m壓力/kPaCu/%10m壓力/kPaCu/%15m壓力/kPaCu/%20m壓力/kPaCu/%111160．81058．4957．1756．7654．6151567．61465．91364．51263．11160．8181871．91775．11669．61567．61465．9232379．42276．62174．92074．11972．2292965．12868．92769．32671．62572．4

圖7 壓力值與Cu值關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between pressure value and Cu value

23 kPa時(shí)，5個壓力測量點(diǎn)的水量分布均勻系數(shù)Cu平均值均為最高，即水量分布情況是五種情況下最好的；每種微噴帶都存在某個壓力值使得水量分布均勻系數(shù)值最大。在本文試驗(yàn)微噴帶長度為20 m的情況下，為使其水量分布情況最優(yōu)，微噴帶運(yùn)行壓力應(yīng)在23 kPa上下。故在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)保持微噴帶的工作壓力在最優(yōu)均勻度壓力值附近，以實(shí)現(xiàn)較高的噴灑均勻性。

3 結(jié) 語

微噴帶水量分布均勻性直接影響灌溉效果，本文通過對兩種不同管徑微噴帶壓力流量及水量分布試驗(yàn)，對其水力性能和水量分布均勻性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)微噴帶單位長度出流量隨著壓力的增加而增大。Φ32微噴帶的壓力與流量符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，Φ28微噴帶的壓力與流量接近線性關(guān)系。

(2)首端壓力越大，首末兩端壓差越小，水頭損失變化越均勻。微噴帶的沿程壓力分布是研究沿微噴帶方向上水量分布的首要條件，壓力受沿程水頭損失的影響而逐漸減小，但5 m間隔下壓力減小的數(shù)值不都一樣。在微噴帶的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)慎重選擇首端壓力值的范圍和微噴帶的長度，以避免過多的水頭損失。

(3)水量分布均勻系數(shù)與其測量點(diǎn)的壓力值密切相關(guān)，微噴帶存在水量分布均勻的最優(yōu)運(yùn)行壓力，并不是壓力越大水量分布越均勻。微噴帶在管首壓力為23 kPa時(shí)水量分布均勻系數(shù)值最大，沿微噴帶方向上，為使微噴帶的整體噴灑均勻度較好，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)使微噴帶工作壓力保持在最優(yōu)均勻度對應(yīng)的壓力值左右。

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