噴嘴直徑對旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水量分布特性的影響

高江永，張桐林，侯永勝，李軍葉

噴嘴直徑對旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水量分布特性的影響

高江永，張桐林，侯永勝，李軍葉

（1. 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083；2. 土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

為了深入理解噴嘴直徑對旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水量分布特性的影響規(guī)律，以R3000型旋轉(zhuǎn)折射式噴頭為研究對象，配備6槽噴盤，選用36種不同直徑（1.79～9.92 mm）的噴嘴，在室內(nèi)無風(fēng)環(huán)境下，采用雨量筒放射線布置法，開展了98、196和294 kPa 三種工作壓力下的旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水量分布特性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在98 kPa工作壓力下，噴嘴直徑1.79～7.54 mm噴頭的徑向水量分布形式為雙駝峰型曲線，噴嘴直徑7.94～9.92 mm噴頭的徑向水量分布形式為單駝峰型曲線；在196和294 kPa工作壓力下，噴嘴直徑1.79～9.92 mm噴嘴的徑向水量分布曲線均呈現(xiàn)單駝峰型曲線。旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的水量分布均勻性隨工作壓力增加而下降；在98 kPa工作壓力條件下，除個別噴嘴直徑（1.79、1.98 mm）以外，噴頭的水量分布均勻性均在60%以上。噴頭的噴灑半徑范圍為4～9 m。噴頭的噴灑半徑隨噴嘴直徑增加并非呈單調(diào)遞增趨勢；當(dāng)噴嘴直徑超過7.54 mm（對應(yīng)38#噴嘴），隨噴嘴直徑增加噴灑半徑呈下降趨勢。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，確定了噴灑半徑隨噴嘴直徑變化的拋物線模型。噴頭的噴灌強(qiáng)度最大值和平均值隨噴嘴直徑增大而增大，曲線擬合結(jié)果表明，噴灌強(qiáng)度最大值和平均值均與噴嘴直徑呈明顯指數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)2均在0.95以上。研究結(jié)果可為低壓旋轉(zhuǎn)折射式噴頭優(yōu)化設(shè)計、工程應(yīng)用及促進(jìn)產(chǎn)品國產(chǎn)化等提供技術(shù)依據(jù)和參考。

噴頭；噴嘴；噴灌；旋轉(zhuǎn)折射式噴頭；噴灑半徑；噴灌強(qiáng)度；水量分布

0 引 言

以圓形噴灌機(jī)為代表的大型噴灌裝備與技術(shù)，在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中發(fā)揮著重要作用[1]。低壓噴頭是大型噴灌裝備的關(guān)鍵灌水組件之一。為了滿足節(jié)水灌溉、變量灌溉和規(guī)?；r(nóng)場發(fā)展需求，對低壓噴頭需求日益增加[2-3]。除了搖臂式噴頭實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化以外，圓形噴灌機(jī)所使用的低壓噴頭大多依賴進(jìn)口，少部分為國內(nèi)仿制產(chǎn)品[4-5]。目前，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)已開展多種低壓噴頭[6-8]研發(fā)工作。旋轉(zhuǎn)折射式噴頭是一種典型的低壓噴頭，其工作壓力低、噴灑均勻性良好，應(yīng)用十分廣泛。旋轉(zhuǎn)折射式噴頭類型與型號多樣，目前尚缺乏全面而準(zhǔn)確的水量分布技術(shù)數(shù)據(jù)[5]。在噴頭配置和計算過程中常采用球體彈道模型[9-10]、曲線擬合[11]等方法對噴頭水量分布特性進(jìn)行模擬和預(yù)測。預(yù)測精度影響了大型噴灌機(jī)組噴頭配置和整機(jī)噴灑效果。因此，開展旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水量分布特征試驗(yàn)研究對完善水量分布技術(shù)數(shù)據(jù)、提高噴灌機(jī)組水利用率及推動噴頭產(chǎn)品國產(chǎn)化進(jìn)程等均具有重要意義。

噴頭的水量分布特性主要包括徑向水量分布曲線、噴灑半徑、噴灌強(qiáng)度、單噴頭均勻性以及組合均勻性等指標(biāo)。通常，當(dāng)研究噴頭水量分布特性時，需要考慮和考察影響水量分布特性的一些因素。這些因素有：噴頭結(jié)構(gòu)形式、噴嘴直徑、工作壓力、安裝高度、風(fēng)速與風(fēng)向、液滴分布等。當(dāng)噴頭結(jié)構(gòu)和外部安裝條件確定后，噴嘴直徑則是影響噴頭水量分布特性的關(guān)鍵因素。Kincaid等[12-13]研究了不同結(jié)構(gòu)形式低壓折射式噴頭的水量分布、液滴直徑分布及液滴能量相關(guān)特征，每種噴頭所采用的噴嘴直徑規(guī)格為2～6種，比如型號為Nelson Rotator D6的噴頭，使用了4種噴嘴直徑，分別為4.63、6.16、6.22、9.24 mm。DeBoer等[14]以旋轉(zhuǎn)折射式噴頭對象，采用R3000-R4（4槽）、R3000-R6（6槽）、S3000-S6（6槽），配置4種噴嘴直徑，分別為4.8, 6.4, 7.9 and 9.9 mm，在50、100、150、200 kPa工作壓力下，研究了噴頭的水量分布、液滴能量等方面的特性。Faci等[15]研究對比了旋轉(zhuǎn)折射式噴頭和固定折射式噴頭在安裝高度、水量分布均勻性、不同風(fēng)速等方面的特性，這兩種噴頭均配置了直徑3.8、6.7、7.9 mm 3種噴嘴；研究結(jié)果表明，相同條件下，旋轉(zhuǎn)折射噴頭的均勻性要高于固定折射噴頭；旋轉(zhuǎn)折射噴頭使用6.7、7.9 mm噴嘴產(chǎn)生的噴灑區(qū)域比固定折射噴頭的要寬。國內(nèi)的學(xué)者也開展了相關(guān)研究工作。嚴(yán)海軍等[16]采用直徑2.98、4.96、和6.95 mm的噴嘴，對R3000噴頭和A3000噴頭的液滴直徑特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。張以升等[10]以D3000噴頭為研究對象，采用15#、20#、24#、36#、44#噴嘴，模擬計算了單噴頭的噴灑水力特性以及多噴頭組合疊加后的噴灌均勻性。朱興業(yè)等[8,17]以自制的R3000噴頭為研究對象，配備直徑2.98、3.37、3.77 mm的噴嘴，在100、200、300 kPa工作壓力下，研究了噴頭流量系數(shù)、噴灑半徑、徑向水量分布以及不同安裝間距的組合均勻性系數(shù)。從上述研究來看，對低壓折射式噴頭所開展的水量分布特性研究，通常采用5種左右或者更少數(shù)量的噴嘴來完成試驗(yàn)和研究任務(wù)。目前，關(guān)于低壓折射式噴頭的研究大多如此。又例如Ahmed[18-19]等的研究采用了2種直徑的噴嘴，Espinosa[20-22]等的研究采用3種，Sayyadi[23]采用4種，Robles[24]所作的研究涉及6種噴嘴直徑。但是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，噴嘴是系列產(chǎn)品，噴嘴直徑范圍較大，與之對應(yīng)的流量和壓力范圍也較大。例如，根據(jù)Nelson公開的產(chǎn)品信息，3TN系列噴嘴的噴嘴編號從9#至50#，共計42種規(guī)格，噴嘴的壓力范圍為40～340 kPa，全系列噴嘴對應(yīng)流量范圍0.072～7.063 m3/h，但是供應(yīng)商未公開全部系列噴嘴對應(yīng)的水量分布曲線。因此，在進(jìn)行機(jī)組噴頭配置時，缺乏全系列的水量分布特征，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確開展機(jī)組噴頭配置計算和工程應(yīng)用。另一方面，現(xiàn)有研究采用噴嘴直徑規(guī)格較少，所得相關(guān)成果不足以全面反映噴嘴對水量分布特征的影響規(guī)律。

綜上所述，為了獲得系列噴嘴的噴頭水量分布特性，并深入理解噴嘴直徑對噴頭水量分布特征的影響，為低壓旋轉(zhuǎn)噴頭設(shè)計、應(yīng)用與國產(chǎn)化等提供技術(shù)依據(jù)，亟待開展全系列噴嘴的旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的水量分布試驗(yàn)研究?；诖耍疚牟捎靡詧A形噴灌機(jī)機(jī)組常用的低壓旋轉(zhuǎn)折射式噴頭Nelson R3000噴頭為研究對象，選用6槽-12°噴水盤，在98、196、294 kPa 這3種工作壓力下，開展配置36種噴嘴直徑的噴頭徑向水量分布特征、噴灑半徑以及單噴頭均勻性等室內(nèi)試驗(yàn)，分析研究了噴嘴直徑對低壓旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水量分布特征的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料選擇Nelson公司的R3000型低壓旋轉(zhuǎn)折射式噴頭，主要結(jié)構(gòu)為：接頭、噴嘴、支架、噴水盤、噴水盤支座、阻尼器。選用的噴水盤為紅色噴盤，6槽均布，噴射角為12°，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1～10 r/min。考慮到國內(nèi)圓形噴灌機(jī)應(yīng)用的實(shí)際情況[5,16]，本文采用噴嘴號為9#～38#，40#、42#、44#、46#、48#、50#，共計36種噴嘴，噴嘴直徑范圍1.79～9.92 mm（噴嘴直徑為編號數(shù)與0.198 4 mm的乘積）。所使用旋轉(zhuǎn)折射式噴頭結(jié)構(gòu)、噴水盤以及噴嘴實(shí)物如圖1所示，噴嘴直徑詳見表1。

1.2 試驗(yàn)裝置

本文所有試驗(yàn)在土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)裝置由水池、潛水電泵、電動閥門、電磁流量計，壓力傳感器、過濾器、雨量筒等組成。試驗(yàn)設(shè)備和測量儀器的規(guī)格參數(shù)和精度詳見文獻(xiàn)[25]。雨量筒的布置采用放射線布置法[26]，將雨量筒布置在一條由噴頭所在位置引出的放射線上；首個雨量筒中心距噴頭0.5 m，后續(xù)雨量筒中心間距0.5 m，共計26個。試驗(yàn)裝置簡圖如圖2所示。試驗(yàn)過程中，流量、壓力、時間、雨量筒水量等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集，并通過計算獲得噴灌強(qiáng)度以及噴灑半徑等水量分布數(shù)據(jù)。所使用的采集和處理軟件為中國農(nóng)機(jī)院開發(fā)的噴頭測試軟件SWCAT系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)束后，SWCAT系統(tǒng)將原始數(shù)據(jù)、水量分布計算數(shù)據(jù)等生成excel格式文件。

1.接頭 2.噴嘴 3.支架 4.噴水盤 5.噴水盤支座 6.阻尼器

表1 試驗(yàn)條件

1.潛水電泵 2.過濾器 3.電磁流量計 4.電動閥門 5.擋雨罩 6.壓力傳感器 7.噴頭 8.雨量筒

1.3 試驗(yàn)條件

低壓旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的水量分布試驗(yàn)，需要確定噴頭安裝高度、工作壓力、流量、噴灑時間等關(guān)鍵試驗(yàn)條件。本文試驗(yàn)在室內(nèi)無風(fēng)條件下完成。噴頭安裝高度為1.0 m。工作壓力采用噴頭常用試驗(yàn)壓力98 kPa（10 m）、196 kPa（20 m）、294 kPa（30 m）。在試驗(yàn)過程中，通過調(diào)整電動閥門開度，來調(diào)整噴嘴的工作壓力，達(dá)到工作壓力后，開始試驗(yàn)，并記錄流量。試驗(yàn)噴灑持續(xù)時間為30 min。噴嘴編號、噴嘴直徑、噴頭工作壓力、試驗(yàn)流量等試驗(yàn)條件見表1所示。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 噴灑半徑

使用噴頭進(jìn)行灌溉作業(yè)，噴頭水射流破碎霧化，形成圓形濕潤區(qū)域。該濕潤區(qū)域的半徑，稱為噴頭的濕潤半徑。噴灑半徑是噴頭在正常工作條件下，噴頭中心線距測出的灌水強(qiáng)度為某一數(shù)值的最遠(yuǎn)點(diǎn)距離[26]，也稱為噴頭的射程。本文試驗(yàn)中噴灑半徑所對應(yīng)的灌水強(qiáng)度值為0.25 mm/h[27]。

噴頭噴灑半徑是灌溉噴頭的主要性能指標(biāo)，Kincaid[12]、蔡振華[28]、Liu等[17]在試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上獲得了相應(yīng)的低壓旋轉(zhuǎn)折射式噴頭噴灑半徑預(yù)測模型，張以升等[10]則提出了基于D3000固定折射式噴頭的噴灑半徑預(yù)測模型。預(yù)測模型如式（1）～（4）。

Kincaid公式[12]：

蔡振華公式[28]：

Liu公式[17]：

張以升公式[10]（固定式折射噴頭）

式中為噴灑半徑，m；為噴嘴直徑，mm；為噴頭安裝高度，m；為噴頭工作壓力，m；為噴頭流量，L/s。

1.4.2 噴灌強(qiáng)度與徑向水量分布

噴灌強(qiáng)度是灌溉區(qū)域內(nèi)某一位置，在單位時間內(nèi)的平均灌水深度。徑向水量分布是評價噴頭噴灑性能與指導(dǎo)工程應(yīng)用的重要特征指標(biāo)。依據(jù)距離噴頭的徑向距離遠(yuǎn)近，將距離噴頭不同位置的噴灌強(qiáng)度繪制在一起，形成噴頭徑向水量分布圖[26]。

本文中，假設(shè)噴頭噴灑試驗(yàn)的時間為。在時間內(nèi)，雨量筒收集到的水量質(zhì)量為，那么在該位置的單位時間的水深即噴灌強(qiáng)度為

式中WAR為噴灌強(qiáng)度，mm/h；為雨量筒收集的水的總量，kg；為水密度，kg/m3；d為雨量筒開口直徑，m，本試驗(yàn)中雨量筒開口直徑d為0.15 m。

1.4.3 水量分布均勻性

在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27612.3-2011[26]中，給出了4個評價指標(biāo)，分別為：克里斯琴森均勻系數(shù)（UCC）、統(tǒng)計均勻系數(shù)（UCS）、水量分布均勻性（DU）、時序系數(shù)（SC）。考慮到本試驗(yàn)特點(diǎn)，本文采用前2個指標(biāo)評價單噴頭的水量分布特性，計算方法[26]如下。

式中為平均值，mm/h；為標(biāo)準(zhǔn)差，mm/h；為平均絕對偏差，等于各個絕對偏差的平均值，mm/h；、、分別為

式中為用于分析均勻性的網(wǎng)格數(shù)；x為用于分析均勻性的網(wǎng)格中的一個數(shù)值，mm/h；D為單個絕對偏差，等于x與之差的絕對偏差值，mm/h。

UCC與UCS二者的關(guān)系式[26]為

2 結(jié)果與分析

2.1 徑向水量分布

在本文中，通過試驗(yàn)獲取了量雨筒采集的雨量數(shù)據(jù)，并采用曲線擬合，得到了不同工作壓力下使用36種噴嘴的噴頭徑向水量分布曲線。在此僅列出直徑為1.79、2.38、2.78、3.97、4.76、5.95、7.14、7.94、9.13、9.92 mm噴嘴在不同壓力下的噴頭徑向水量分布曲線，如圖3所示。

a. 1.79 mmb. 2.38 mm

c. 2.78 mmd. 3.97 mme. 4.76 mmf. 5.95 mm

從圖3不同直徑噴嘴的徑向水量分布圖可知，對于同一噴嘴來說，隨著工作壓力的增加，噴頭濕潤半徑隨之增加；由于隨著工作壓力增加，噴灌的流量亦隨之增加，也導(dǎo)致相同徑向位置的噴灌強(qiáng)度隨之增加。對于同一噴嘴來說，隨著噴頭工作壓力的增加，噴灌強(qiáng)度最大值的增幅超過150%，產(chǎn)生最大增幅的噴嘴直徑為2.78 mm（14#噴嘴）。在相同的工作壓力下，噴灌強(qiáng)度最大值隨噴嘴直徑增加呈遞增趨勢。在98 kPa工作壓力下，直徑1.79 mm噴嘴的噴灌強(qiáng)度最大值為5.0 mm/h，噴灌強(qiáng)度平均值為1.79 mm/h；直徑9.92 mm噴嘴的噴灌強(qiáng)度最大值為69.6 mm/h，噴灌強(qiáng)度平均值為33.91 mm/h。在196、294 kPa工作壓力下，直徑1.79 mm噴嘴的噴灌強(qiáng)度最大值分別為4.80、7.36 mm/h，噴灌強(qiáng)度平均值分別為2.31、3.61 mm/h；直徑9.92 mm噴嘴的噴灌強(qiáng)度最大值分別為70.64、83.16 mm/h，噴灌強(qiáng)度平均值為38.69、44.56 mm/h。

在98 kPa工作壓力下，噴嘴直徑小于7.54 mm（對應(yīng)38#噴嘴）時，噴頭的徑向水量分布形式呈雙駝峰曲線，徑向分布曲線存在2個峰值點(diǎn)，兩個峰值噴灌強(qiáng)度基本相當(dāng)，靠近噴頭安裝的峰值點(diǎn)位于距噴頭安裝位置約1/4～1/2的濕潤半徑之間，另一個峰值點(diǎn)位置位于3/4濕潤半徑處，波谷位置則位于約1/2濕潤半徑處。當(dāng)噴嘴直徑超過7.94 mm（40#噴嘴），第二峰值基本消失，所形成徑向水量分布形式與196、294 kPa壓力條件下的水量分布形式一致。在196、294 kPa工作壓力下，徑向水量分布形狀呈現(xiàn)單駝峰形狀；最大噴灌強(qiáng)度位置位于距噴頭安裝位置約1/4～1/2濕潤半徑之間。在196、294 kPa工作壓力下，配置不同噴嘴直徑噴嘴，所形成徑向水量分布曲線的最大值位置基本一致，該位置與98 kPa工作壓力下的第一波峰位置基本相同，距噴頭的距離在1.3～3.5 m區(qū)間內(nèi)。R3000旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的水量分布呈近似三角形分布（單駝峰曲線）或者三角形組合分布（雙駝峰曲線）。為了提升噴頭噴灑性能，如何通過噴嘴與噴水盤結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得扁平化或者多峰化的水量分布，可作為旋轉(zhuǎn)折射式噴頭國產(chǎn)化的關(guān)鍵設(shè)計目標(biāo)之一。

噴灌強(qiáng)度最大值和平均值是噴頭水量分布特征的關(guān)鍵信息。為了深入分析噴嘴直徑對水量分布的影響規(guī)律，進(jìn)一步對本試驗(yàn)所獲得的不同壓力和噴嘴的噴灌強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同工作壓力下的噴嘴直徑與噴灌強(qiáng)度最大值及噴灌強(qiáng)度平均值的關(guān)系，如圖4所示。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在不同工作壓力下，隨著噴嘴直徑增加，對應(yīng)的噴灌強(qiáng)度最大值和平均值均也增加。這也是隨著噴嘴直徑的增加，流量增加后產(chǎn)生的必然結(jié)果。通過數(shù)據(jù)曲線擬合，獲得了不同工作壓力下R3000噴頭水量分布圖的噴灌強(qiáng)度最大值、平均值與噴嘴直徑的指數(shù)關(guān)系式，即

擬合結(jié)果表明：在不同工作壓力下，噴灌強(qiáng)度最大值和平均值的擬合決定系數(shù)2均大于0.95，表明指數(shù)函數(shù)關(guān)系的擬合精度較高。此外，噴灌強(qiáng)度最大值的擬合決定系數(shù)值整體高于均值的擬合決定系數(shù)。

圖4 噴嘴直徑d與噴灌強(qiáng)度最大值yM及平均值yA的關(guān)系

為了進(jìn)一步核實(shí)低壓折射噴頭的噴嘴直徑與噴灌強(qiáng)度最大值以及平均值之間的指數(shù)關(guān)系是否具有一般性，對文獻(xiàn)[29]中公開的Nelson D3000噴頭相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該研究以D3000為研究對象，采用固定式36齒噴水盤，在20 PSI （137 kPa）壓力下，使用直徑1.79～6.55 mm系列噴嘴，對應(yīng)噴嘴號為9#～33#，該文獻(xiàn)公開了不同直徑噴嘴對應(yīng)的噴灌強(qiáng)度最大值和平均值數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)，噴嘴直徑與噴灌強(qiáng)度最大值以及平均值之間的也存在近似指數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)系式為

噴灌強(qiáng)度最大值M：

噴灌強(qiáng)度平均值A(chǔ)：

根據(jù)本文與文獻(xiàn)[29]的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，初步判定，對于低壓折射式噴頭，不論為固定噴水盤還是旋轉(zhuǎn)噴水盤，噴嘴直徑與噴灌強(qiáng)度最大值和平均值之間均存在一定的指數(shù)關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，工程技術(shù)人員可以根據(jù)選用噴嘴號，利用本文給出的指數(shù)關(guān)系模型及相關(guān)噴灑半徑預(yù)測模型，估算噴灌強(qiáng)度最大值和噴灑半徑，獲得噴頭的簡化三角形的水量分布特征，繼而進(jìn)行噴頭配置、機(jī)組組合水量分布均勻性的預(yù)測和估算。但是該指數(shù)關(guān)系是否具有普遍性，還需對其他結(jié)構(gòu)形式噴水盤進(jìn)一步開展試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 噴灑半徑

根據(jù)式（1）～（4）可獲得對應(yīng)噴嘴直徑的噴灑半徑預(yù)測值。本文試驗(yàn)噴灑半徑及預(yù)測值與噴嘴直徑關(guān)系如圖5所示。

a. 98 kPab. 196 kPac. 294 kPa

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用6槽、12°噴射角度噴水盤的R3000噴頭，在98、196、294 kPa工作壓力條件下，噴灑半徑分別為4～7 m、5.5～9 m、5～9 m。相同工作壓力下，噴嘴直徑在1.79～7.54 mm范圍內(nèi)，隨著噴嘴直徑增大，噴灑半徑逐漸增大；在噴嘴直徑7.94～9.92 mm范圍內(nèi)，隨著噴嘴的直徑增大，噴灑半徑呈下降趨勢或略有下降后平穩(wěn)趨勢。本文試驗(yàn)結(jié)果顯示，下降幅度在0.5～1 m之間。上述噴灑半徑的變化趨勢，與文獻(xiàn)[14]中試驗(yàn)結(jié)果一致。在噴嘴直徑增大到一定程度后，噴頭的噴灑半徑出現(xiàn)下降趨勢的原因?yàn)椋簩τ谡凵涫絿婎^，需要在合適的工作壓力下，才能獲得良好的液滴分布和最大噴灑半徑[30]。當(dāng)壓力過大，則造成噴濺、折射后，液滴反而變小，不能實(shí)現(xiàn)最大的噴灑半徑；壓力過小，則對于液滴破碎不利，造成液滴過大，射流范圍小。所以旋轉(zhuǎn)折射式噴頭在實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化過程中，如何控制射流液滴破碎是設(shè)計和科研人員需要深入研究方向之一。

根據(jù)圖5可知，與試驗(yàn)數(shù)值對比，式（4）預(yù)測噴灑半徑值整體較低；說明在同等安裝條件下，旋轉(zhuǎn)折射式噴頭比固定折射式噴頭的噴灑半徑要大，此結(jié)果與文獻(xiàn)[15]等研究成果吻合；因此，固定折射式噴頭的預(yù)測公式不適用于旋轉(zhuǎn)折射式噴頭的噴灑半徑預(yù)測，后續(xù)不予討論。從整體趨勢上，式（1）～（3）這3個經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型獲得的噴灑半徑預(yù)測值隨噴嘴直徑增加而增加，噴灑半徑整體趨勢遞增并無中間拐點(diǎn)；而本文試驗(yàn)中，直徑1.79～7.54 mm噴嘴的噴灑半徑值與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測值整體趨勢基本相同，噴灑半徑隨噴嘴直徑增大而增加；以直徑7.54 mm（對應(yīng)38#噴嘴）為分界點(diǎn)，噴灑半徑呈略微下降趨勢。上述結(jié)果表明，3個預(yù)測模型不能有效預(yù)測旋轉(zhuǎn)折射式噴頭噴灑半徑隨噴嘴直徑變化趨勢，3個預(yù)測模型相對誤差值如表2所示。

表2 噴灑半徑經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測值與實(shí)測值相對誤差

注：為噴頭安裝高度，m；為噴頭工作壓力，m；為噴頭流量，L/s。

Note:is height of sprinkler, m；is working pressure of sprinkler, m;is flow rate of sprinkler, L/s.

從圖5及表2可以發(fā)現(xiàn)，整體上，對于直徑1.79～7.54 mm噴嘴，公式（1）的預(yù)測精度較高，誤差最大值為30.3%，平均誤差最大值為6.9%。對于直徑超過7.54 mm的噴嘴，3個經(jīng)驗(yàn)公式對噴灑半徑的預(yù)測精度和整體趨勢均不能正確反映試驗(yàn)結(jié)果及趨勢。

將噴灑半徑試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，可獲得不同壓力條件下，噴嘴直徑與噴灑半徑之間的關(guān)系，呈拋物線分布，采用二次多項式擬合，決定系數(shù)均為0.8以上，說明擬合精度較高，擬合關(guān)系式可很好反映二者關(guān)系。

對于低壓旋轉(zhuǎn)折射式噴頭，研究試驗(yàn)常采用的安裝高度有1.0、1.2、1.5、2.0、2.5 m。該類型噴頭的噴灑半徑范圍為5～10 m。在相同壓力和噴嘴的條件下，隨著安裝高度的變化（1.0～2.5 m范圍內(nèi)），噴灑半徑的變化量基本在0.5～1.5 m范圍內(nèi)[18,21,31]。因此，對于圖5中的噴灑半徑與噴嘴直徑相互關(guān)系的擬合公式，雖然在安裝高度1.0 m條件下獲得，但是可以將其作為其他常用安裝高度（1.0～2.5 m）噴頭研究的技術(shù)或工程應(yīng)用依據(jù)。

2.3 水量分布均勻性

將不同壓力下系列噴嘴的噴灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用式（6）～（11）對均勻性系數(shù)進(jìn)行計算，獲得噴嘴直徑與UCC之間的變化關(guān)系，如圖6所示。

單噴頭均勻性系數(shù)的計算結(jié)果表明，噴頭的克里斯琴森均勻系數(shù)UCC范圍為25%～75%。在98 kPa工作壓力下，除了直徑1.79、1.98 mm的噴嘴外，其余噴嘴的均勻性系數(shù)UCC在60%～75%之間。在196 kPa工作壓力下，則是只有直徑2.98、3.57 mm噴嘴的均勻性系數(shù)UCC低于40%，其余在40%～75%之間。在294 kPa工作壓力下，直徑小于3.57 mm的噴嘴，UCC范圍為25%～40%，直徑大于3.57 mm的噴嘴，UCC范圍為40%～67%。由于壓力的提高，在距離噴頭安裝位置比較近的區(qū)域獲得的小尺度的液滴增多，所以造成噴頭整體均勻性下降，特別是噴嘴直徑較小的條件下，霧化更為嚴(yán)重，以上分析待進(jìn)一步的液滴實(shí)測試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。總體而言，對于同一噴嘴，294 kPa工作壓力的均勻性要低于196 kPa工作壓力下的均勻性，98 kPa工作壓力的均勻性系數(shù)最高。

圖6 不同噴嘴的單噴頭克里斯琴森均勻系數(shù)

單噴頭的均勻性系數(shù)對于噴頭設(shè)計與制造的國產(chǎn)化，提供了參考和依據(jù)。UCC和UCS的對應(yīng)關(guān)系及擬合的直線，如圖7所示。

圖7 UCC與統(tǒng)計均勻系數(shù)（UCS）的關(guān)系

從圖7結(jié)果可知，UCC和UCS存在線性關(guān)系，但與GB/T 27612.3—2011推薦公式（式（12））有所差異。因此，在旋轉(zhuǎn)折射式噴頭設(shè)計和國產(chǎn)化過程中，可采用圖7中擬合關(guān)系式替代GB/T 27612.3—2011推薦關(guān)系式來衡量或確定噴頭產(chǎn)品水量分布均勻性。

3 結(jié) 論

本文以R3000型旋轉(zhuǎn)折射式噴頭為研究對象，配備6槽-12°紅色噴盤，噴頭安裝高度1 m，在98 、196和294 kPa 3種工作壓力下，采用36種噴嘴直徑，開展了噴頭水量分布特性試驗(yàn)，分析和研究了噴嘴直徑對噴頭水量分布特征的影響，得到如下結(jié)論：

1）在3種工作壓力和1 m安裝高度條件下，使用全系列噴嘴的噴頭噴灑性能參數(shù)為：噴灑半徑為4～9 m，噴灌強(qiáng)度最大值范圍為4.80～83.16 mm/h，噴灌強(qiáng)度平均值范圍為1.79 ～44.56 mm/h，單噴頭的克里斯琴森均勻系數(shù)UCC范圍為25%～75%。

2）R3000噴頭的噴灑半徑隨噴嘴直徑增加并非呈單調(diào)遞增趨勢，當(dāng)噴嘴直徑超過7.54 mm（對應(yīng)38#噴嘴）后，隨噴嘴直徑增加噴灑半徑呈下降趨勢；通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果表明在一定工作壓力下噴灑半徑與噴嘴直徑呈近似拋物線關(guān)系。

3）對于R3000旋轉(zhuǎn)折射噴頭，在3種工作壓力下，噴灌強(qiáng)度最大值和平均值隨噴嘴直徑增大而增大；噴灌強(qiáng)度最大值和平均值均與噴嘴直徑呈明顯指數(shù)關(guān)系，擬合決定系數(shù)2均在0.95以上。初步判斷，低壓折射式噴頭的噴灌強(qiáng)度最大值和平均值與噴嘴直徑的存在指數(shù)關(guān)系。

[1] 劉俊萍，朱興業(yè)，袁壽其，等. 中國農(nóng)業(yè)節(jié)水噴微灌裝備研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報，2022，40(1)：87-96.

Liu Junping, Zhu Xingye, Yuan Shouqi, et al. Research and development trend of agricultural water-saving sprinkler and micro-irrigation equipment in China[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2022, 40(1):87-96. (in Chinese with English abstract)

[2] 李仰斌，劉俊萍. 中國節(jié)水灌溉裝備與技術(shù)發(fā)展展望[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報，2020，38(7)：738-742.

Li Yangbin, Liu Junping. Prospects for development of water-saving irrigation equipment and technology in China[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2020, 38(7): 738-742. (in Chinese with English abstract)

[3] 趙偉霞，李久生，栗巖峰. 大型噴灌機(jī)變量灌溉技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(13)：1-7.

Zhao Weixia, Li Jiusheng, Li Yanfeng. Review on variable rate irrigation with continuously moving sprinkler machines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(13):1-7. (in Chinese with English abstract)

[4] Yan H, Hui X, Li M, et al. Development in sprinkler irrigation technology in China[J]. Irrigation and Drainage, 2020, 69: 75-87.

[5] 侯永勝，董曉麗，嚴(yán)海軍，等. 圓形噴灌機(jī)噴頭選型及配置[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2021，11(10)：9-19.

Hou Yongsheng, Dong Xiaoli, Yan Haijun, et al. Nozzle select and configuration of center pivot sprinkler[J]. Agricultural Engineering, 2021, 11(10): 9-19. (in Chinese with English abstract)

[6] 劉俊萍，李紅，張前，等. 旋轉(zhuǎn)式噴頭空間流道設(shè)計及低壓水力性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(5)：65-71.

Liu Junping, Li Hong, Zhang Qian, et al. Space flow channel design of rotary sprinkler and hydraulic performance experiments at low pressure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(5): 65-71. (in Chinese with English abstract)

[7] Chen R, Li H, Wang J, et al. Effects of pressure and nozzle size on the spray characteristics of low-pressure rotating sprinklers[J]. Water, 2020, 12(10): 2904.

[8] 朱興業(yè)，萬景紅，Alexander Fordjour，等. 旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水量分布與噴灌均勻性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2018，49(8)：145-152.

Zhu Xingye, Wan Jinghong, Alexander Fordjour, et al. Experiment of water distribution and uniformity of rotating plate sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(8): 145-152. (in Chinese with English abstract)

[9] Robles O, Latorre B, Zapata N, et al. Self-calibrated ballistic model for sprinkler irrigation with a field experiments data base[J]. Agricultural Water Management, 2019, 223(12): 105711.

[10] 張以升，朱德蘭，張林，等. 基于彈道軌跡方程的折射式噴頭水量分布計算模型[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2015，46(12)：55-61.

Zhang Yisheng, Zhu Delan, Zhang Lin, et al. Water distribution model of fixed spray slate sprinkler based on ballistic trajectory equation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(12): 55-61. (in Chinese with English abstract)

[11] Zhang Y, Guo J, Sun B, et al. Modeling and dynamic-simulating the water distribution of a fixed spray-plate sprinkler on a lateral-move sprinkler irrigation system[J]. Water, 2019, 11(11): 2296.

[12] Kincaid D C. Application rates from center pivot irrigation with current sprinkler types[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2005, 21(4): 605-610.

[13] Kincaid D C, Solomon K H, Oliphant J C. Drop size distributions for irrigation sprinklers[J]. Transactions of the ASAE, 1996, 39(3): 839-845.

[14] DeBoer D W. Drop and energy characteristics of a rotating spray-plate sprinkler[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2002, 128(3): 137-146.

[15] Faci J M, Salvador R, Playán E, et al. Comparison of fixed and rotating spray plate sprinklers[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2001, 127(4): 224-233.

[16] 嚴(yán)海軍，肖建偉，李文穎，等. 圓形噴灌機(jī)低壓阻尼噴頭水滴直徑分布規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報，2014，45(4)：467-473.

Yan Haijun, Xiao Jianwei, Li Wenying, et al. Droplet size distributions of low-pressure damping sprinklers used in center-pivot irrigation systems[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(4): 467-473. (in Chinese with English abstract)

[17] Liu J, Zhu X, Yuan S, et al. Hydraulic performance assessment of sprinkler irrigation with rotating spray plate sprinklers in indoor experiments[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2018, 144(8): 06018005.

[18] Ahmed M A M, Awaad M A, El-Ansary M Y, et al. Performance of rotating spray plate sprinklers[J]. Misr Journal of Agricultural Engineering, 2010, 27(2): 565-585.

[19] Al-agele H A, Mahapatra D M, Prestwich C, et al. Dynamic adjustment of center pivot nozzle height: an evaluation of center pivot water application pattern and the coefficient of uniformity[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2020, 36(5): 647-656.

[20] Espinosa E R J, González M D. Caracterización del emisor Rotatortm r3000 en condiciones aisladas[J]. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 2009, 18(2): 53-56.

[21] Sourell H, Faci J M, Playán E. Performance of rotating spray plate sprinklers in indoor experiments[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2003, 129(5): 376-380.

[22] Friso D, Bortolini L. Influence of the trajectory angle and nozzle height from the ground on water distribution radial curve of a sprinkler[J]. Journal of Agricultural Engineering, 2012, 43(1): 16-25.

[23] Sayyadi H, Nazemi A H, Sadraddini A A, et al. Characterising droplets and precipitation profiles of a fixed spray-plate sprinkler[J]. Biosystems Engineering, 2014, 119: 13-24.

[24] Robles Rovelo C O, Zapata Ruiz N, Burguete Tolosa J, et al. Characterization and simulation of a low-pressure rotator spray plate sprinkler used in center pivot irrigation systems[J]. Water, 2019, 11(8): 1684.

[25] 高江永，侯永勝，李衛(wèi)星，等. 圓形噴灌機(jī)低壓阻尼噴頭水力性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2016，6(4)：54-58.

Gao Jiangyong, Hou Yongsheng, Li Weixing, et al. Hydraulic Performance Test of Low Pressure Damping Nozzle for Circular Sprinkler[J]. Agricultural Engineering, 2016, 6(4): 54-58. (in Chinese with English abstract)

[26] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備噴頭第3部分：水量分布特性和試驗(yàn)方法，GB/T 27612. 3- 2011 [S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[27] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備旋轉(zhuǎn)式噴頭第1部分：結(jié)構(gòu)和運(yùn)行要求，GB/T 19795. 1- 2005 [S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[28] 蔡振華. 中心支軸式噴灌機(jī)關(guān)鍵灌水組件開發(fā)及試驗(yàn)研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，2009.

Cai Zhenhua. Development of Center Pivot Irrigation System Sprinkler Package and Experimental Study on Low Pressure Spray-head[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, 2009. (in Chinese with English abstract)

[29] Yan H J, Jin H Z, Qian Y C. Characterizing center pivot irrigation with fixed spray plate sprinklers[J]. Science China Technological Sciences, 2010, 53(5): 1398-1405.

[30] Kranz B, Yonts C D, Martin D L. Operating characteristics of center pivot sprinklers[M]. Cooperative Extension, University of Nebraska-Lincoln, 2005.

[31] 張以升，朱德蘭，宋博，等. 基于彈道理論有風(fēng)條件下折射式噴頭噴灌均勻度研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2017，48(2)：91-97，81.

Zhang Yisheng, Zhu Delan, Song Bo, et al. Uniformity of fixed spray plate Sprinkler under windy condition based on ballistic simulation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(2): 91-97, 81. (in Chinese with English abstract)

Effects of nozzle diameter on water distribution for rotating spray-plate sprinkler

Gao Jiangyong, Zhang Tonglin, Hou Yongsheng, Li Junye

(1..,.,100083,; 2.--,100083,)

This study aims to deeply understand the influence of nozzle diameter on the water distribution characteristics of rotating spray plate sprinklers. The experiment was carried out in a windless indoor environment. An R3000 rotating spray plate sprinkler was selected as the research object with the 6-groove red spray plate and 36 nozzles (diameter 1.79-9.92 mm). The water distribution characteristics of rotating spray plate sprinkler under three working pressures of 98, 196, and 294 kPa were tested using radial collector arrays method. The results show that the radial water distribution patterns of 9#-38# nozzle (diameter 1.79-7.54 mm) presented a double hump curve under 98 kPa working pressure condition, while the patterns of 40#-50# nozzle (diameter 7.94-9.92 mm) was a single hump curve. The radial water distribution patterns of all nozzles showed a single hump curve under the working pressure of 196 and 294 kPa. The maximum was all the same as the radial position in the radial water distribution curves with the different diameter nozzles, which was basically the same as the first peak position under the working pressure of 98 kPa. The position was usually between 1.3 and 3.5 m away from the nozzle. The maximum and average values of water application rate increased with the increase of nozzle diameter. It was found that the maximum water application rate presented an exponential relationship with the nozzle diameter using curve fitting. An exponential relationship was found in the average value of water application rate with the nozzle diameter. The coefficients of determination (2) of the fitting formulas were above 0.95. There was exponentially related to the maximum and average value of water application rate and the nozzle diameter. However, the universal index relationship was further verified by the other structural forms of spray-plate. The spray radius was 4-7 m when the working pressure was 98 kPa. The spray radius was 5.5-9 m when the working pressure was 196 kPa. When the working pressure was 294 kPa, the spray radius was 5-9 m. There was no monotonic increase in the spray radius with the increase of nozzle diameter, while the nozzle diameter exceeded 7.54 mm (38# nozzle). The test showed that a parabolic model was established to determine the variation of the spray radius with the nozzle diameter under pressure. Three prediction models only applied to the rotating spray-plate sprinkler with a nozzle diameter of less than 7.54 mm. The prediction error was large after exceeding the diameter. There was a uniform decrease in the water distribution for the rotating spray plate sprinkler with the increase in working pressure. The water distribution uniformity of the single nozzle was more than 60%, under the pressure condition of 98 kPa, except for the 9# and 10# nozzle (diameter 1.79 and 1.98 mm). The water distribution of the R3000 rotating spray-plate sprinkler was approximately triangular (single hump curve) or a triangular combination distribution (double hump curve). The flow rate of nozzle was determined by the working pressure and nozzle diameter. The uniformity, the characteristics of the water distribution and the spraying radius depended on the structure and speed of the spray plate. Therefore, flat or multi-peak water distribution was the key goal to design the spray-plate structure in the rotating spray plate sprinkler for better spraying performance. The finding can provide the technical basis and reference for the optimization design, engineering application and product localization of low-pressure rotating spray plate sprinklers.

sprinkler; nozzle; sprinkler irrigation; rotating spray-plate sprinkler; wetted radius; water application rate; water distribution

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.010

S275.5

A

1002-6819(2022)-16-0090-08

高江永，張桐林，侯永勝，等. 噴嘴直徑對旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水量分布特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(16)：90-97.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.010 http://www.tcsae.org

Gao Jiangyong, Zhang Tonglin, Hou Yongsheng, et al. Effects of nozzle diameter on water distribution for rotating spray-plate sprinkler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 90-97. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.010 http://www.tcsae.org

2022-06-23

2022-08-06

河北省重點(diǎn)研發(fā)計劃（20327205D）；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2017YFD0201502)

高江永，博士，高級工程師，研究方向?yàn)樗C(jī)械與水動力學(xué)、節(jié)水灌溉技術(shù)等。Email：gao_jiangyong@163.com