水药一体化喷头结构设计与水力性能试验.pdf

年 月 第 卷 第 期 张 晴 水 药 一 体 化 喷 头 结 构 设 计 与 水 力 性 能 试 验 张 晴 刘 俊 萍 袁 寿 其 李 扬 帆 李 红 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心 江苏镇江 收 稿 日 期 修 回 日 期 网 络 出 版 时 间 网 络 出 版 地 址 基 金 项 目 国家重点研发计划项目 江苏省重点研发计划项目 江苏省六大人才高峰 项目 河南省节水农业重点实验室开放课题 第 一 作 者 简 介 张晴 女 河南周口人 硕士研究生 主要从事喷头设计研究 通 信 作 者 简 介 刘俊萍 女 辽宁海城人 副研究员 博士 主要从事流体机械及排灌机械研究 摘 要 将 水 药 一 体 化 技 术 应 用 于 喷 灌 系 统 中 设 计 了 一 种 新 型 水 药 一 体 化 喷 头 对 喷 头 结 构 及 工 作 原 理 进 行 分 析 采 用 五 因 素 四 水 平 正 交 试 验 研 究 在 低 压 和 中 压 下 喷 头 内 流 道 结 构 对 喷 头 流 量 射 程 喷 洒 净 高 度 喷 洒 均 匀 性 系 数 等 水 力 性 能 的 影 响 规 律 进 而 得 到 水 药 一 体 化 喷 头 的 最 佳 结 构 组 合 研 究 结 果 表 明 在 同 等 条 件 下 增 大 喷 头 出 口 直 径 可 有 效 提 高 喷 头 流 量 和 喷 洒 均 匀 性 系 数 在 相 同 喷 头 出 口 直 径 下 喷 头 喷 洒 净 高 度 随 流 量 的 增 大 而 增 大 喷 头 导 流 孔 和 导 流 斜 槽 结 构 能 有 效 影 响 喷 头 水 力 性 能 影 响 喷 头 水 力 性 能 的 结 构 因 素 依 次 为 喷 头 出 口 直 径 导 流 孔 直 径 导 流 斜 槽 数 量 导 流 斜 槽 宽 度 导 流 孔 数 量 喷 头 最 优 结 构 参 数 为 喷 头 出 口 直 径 导 流 孔 个 导 流 孔 直 径 导 流 斜 槽 个 导 流 斜 槽 宽 度 该 结 果 可 为 水 药 一 体 化 喷 头 的 设 计 研 制 以 及 工 程 应 用 推 广 提 供 一 定 的 理 论 数 据 关 键 词 喷 头 水 药 一 体 化 结 构 设 计 水 力 性 能 正 交 试 验 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 张 晴 刘 俊 萍 袁 寿 其 等 水 药 一 体 化 喷 头 结 构 设 计 与 水 力 性 能 试 验 排 灌 机 械 工 程 学 报 第 期 张 晴 等 水 药 一 体 化 喷 头 结 构 设 计 与 水 力 性 能 试 验 中国人口众多 幅员辽阔 但降雨量时空分布 不均 农业用水紧张 同时中国又是农药消耗大国 年农药用量高达 多万 是欧美国家平均水平的 倍 农药有效利用率仅为 左右 因而 采用 节水节药 减本增效的灌溉施药技术成为发展现代 农业的必然趋势 水药一体化是将灌溉与施药相结合的节水灌 溉技术 具有精准喷洒和节约水药等优点 部分 学者已将水药一体化技术应用在滴灌中 其思 路是将药剂随毛管内灌溉水按时 按需输送至作物 根系 有效减少作物根系处的病虫害和药剂损失 对 于果树类作物 叶片表面病虫害防治的常见措施为 人工喷药或喷雾机施药 施药方式存在农药飘逸损 失大 喷洒均匀性差等缺点 采用植保无人机进 行航空施药 具有施药灵活精准 农药利用率高等 优势 但存在无人机载重量有限 造价较昂贵 等问题 因此 探索将水药一体化与喷灌技术相结 合 使其兼容灌溉施药功能 实现高效灌溉施药 对 提高水资源和农药有效利用率 具有重要意义 文中设计一种适用于果树类作物的新型水药 一体化喷头 对该喷头内流场结构对外流场水力特 性的影响进行研究 并采用正交试验进一步对喷头 结构进行优化 以期为该型水药一体化喷头设计制 造和应用推广提供有益参考 试 验 材 料 与 方 法 水 药 一 体 化 喷 头 结 构 及 工 作 原 理 图 为水药一体化喷头结构示意图 其中剖面 为喷头体顶端剖面 喷头总体高度为 主 要由喷头帽 喷头体及管接头结构组成 喷头体顶端 边缘为圆形凸状结构 凸状结构上设有大小一致的 导流槽 喷头体靠近凸状结构的圆柱面上设有均匀 分布且直径相同的导流孔 喷头体与喷头帽通过螺 纹连接 连接处设有 型密封圈 图 喷头结构图 喷头工作原理 压力水进入喷头后 通过导流 孔 导流槽 进入喷头顶端与喷头帽之间的凹槽内 经凹槽内旋转加速后喷射到空气中 通过进口球阀 调节喷头工作压力至低压范围 大于 且小 于 时 喷洒高度较低 进行灌水作业 将喷 头工作压力调节至中压范围 大于 且小于 时 压力增大 喷洒高度增高 液滴喷至作 物叶片背面 进行施药喷洒 试 验 设 置 试验在江苏大学国家水泵及系统工程技术研 究中心喷灌大厅内进行 主要试验装置包括水泵机 组 电磁流量计 精度为 级 压力表 精度为 级 喷头样机 安装高度 雨量筒和测量杆 测 量 参 数 与 测 试 方 法 由于该水药一体化喷头在不同压力下应实现 不同喷洒功能 因此设计 个工作压力 低压 和中压 进行试验 前人研究表明水药 混合液的雾滴粒径 喷洒液膜破碎形式等特性与纯 水的雾滴特性大小差异较小 故喷洒介质均选 用自来水 测量参数包括 流量 和射程 分别采用电磁流量计和卷 尺测得 其中喷头射程指雨量筒收集的水量为 测点处到喷头中心的距离 排 灌 机 械 工 程 学 报 第 卷 喷洒净高度 试验中 设置垂直于地面的 测量杆 测量杆表面设有可上下移动试纸 试纸浸 湿最高点即为喷头喷洒净高度 如图 所示 图 试验布置简图 喷灌强度 试验在无风实验厅内进行 可以 近似认为各个方向的降水深度基本相同 因此选取一 条射线上的数据代替圆周内的各条射线 雨量筒 采 用内径 高 的塑料筒 沿径向线布置 测试 喷洒时间为 布置间距为 见图 喷洒均匀性系数 均匀性系数是衡量喷 灌质量的重要指标之一 文中采用克里斯琴森均匀 系数 计算 其公式为 k 其中 式中 为第 个测量点的降水深度 为整个喷洒 面积内的平均水深 为测量点的数量 试 验 因 素 和 方 案 设计优化水药一体化喷头以实现喷头射程较 远 喷洒均匀性系数较大且流量较小 并在低压条 件下喷洒高度较低 在中压条件下喷洒高度较高 因此文中选取流量 射程 喷洒高度和单喷头均匀 性系数等 个性能指标进行研究 根据微喷头设计 原理及经验 以因素 分别代表喷头 出口直径 导流孔数量 个 导流孔直径 导流斜槽数量 个 导流斜槽宽度 设 计喷头结构五因素四水平如表 所示 选用 正交试验表 试验方案如表 所 示 试验过程中保持导流孔均匀分布在圆柱形喷头 体上且圆心距喷头出口的竖直距离保持不变 为 表 喷 头 结 构 因 素 水 平 表 水平 因素 表 试 验 方 案 试验号 试验号 结 果 与 分 析 流 量 与 喷 洒 高 度 表 为试验测得的不同工作压力下水药一体化 喷头流量和喷洒净高度 表 不 同 工 作 压 力 下 喷 头 流 量 与 喷 洒 净 高 度 试 验 结 果 试验号 由表 可以看出 同等喷头出口直径下 喷头的 喷洒净高度随流量的增大呈增大趋势 在相同工作 压力下 喷头流量随喷头出口直径的增大而增大 在 压力下 相比出口直径为 时 直 径为 的喷头流量均值的增加幅度分 第 期 张 晴 等 水 药 一 体 化 喷 头 结 构 设 计 与 水 力 性 能 试 验 别为 由于喷头出口直径 导流孔和导流斜槽结构参 数的变化 喷头的流量和喷洒净高度没有显示明显 函数关系 如在 工作压力下 流量最大值和 喷洒净高度最大值没有出现在同一试验方案 流量 最大值 出现在 号方案 喷洒净高度 最大值 出现在 号方案 说明喷头出口直径 导流孔和导流斜槽结构参数能够有效地影响喷头 的喷洒高度 径 向 水 量 分 布 与 射 程 图 为水药一体化喷头径向水量分布 图中横 坐标 为距喷头距离 纵坐标 为点喷灌强度 图 喷头径向水量分布 由图 可以看出 喷头的径向水量分布近似呈 三角形或倒 形 当喷头出口直径为 试验号为 时 最大点喷灌强度均在 处 且喷灌强度沿径向分布的趋势相似 距喷头距离的 增大呈近线性减小 减小趋势较为平滑 径向水量 分布近似于三角形 喷洒均匀性较好 当喷头出口 直径为 试验号为 时 除 号方案 外 点喷灌强度最大值依然在 处 且喷灌强度沿 径向呈减小趋势 造成 号试验现象的原因可能是 该方案结构下的喷头体内水流流速较大 水流喷出 排 灌 机 械 工 程 学 报 第 卷 后分裂加剧 破碎变快 过多的水量落在了喷头附 近 在 压力下 距喷头 出现不规则 的小幅度波动 在 压力下 点喷灌强度呈小 幅度波动下降 喷洒均匀性与 试验方案相比较 差 当喷头出口直径为 试验号为 时 沿径水量分布趋势为倒 形 呈先增大后减小 趋势 降水量主要集中在喷头射程的中部区域内 在 压力下 点喷灌强度最大值分布在距喷 头 处 在 压力下 点喷灌强度最 大值分布在距喷头 处 在 工作 压力下 各试验方案的最大点喷灌强度值随喷头出 口直径的增大呈减小趋势 出现这种趋势的原因可 能是在相同工作压力下 喷头射程随喷头出口直径 的增大而增大 喷射出的液滴不再集中于近喷头处 而是逐渐向远处扩散 径向水量分布的最大点喷灌 强度值减小 这一现象在 工作压力下并不 明显 可能是由于工作压力较小 液滴破碎不完全 造成的 综上所述 该水药一体化喷头的径向水量分布 主要呈较为理想的 三角形 有利于提高组合喷洒 的均匀性 表 为试验测得水药一体化喷头在 和 工作压力下的射程 表 不 同 工 作 压 力 下 的 喷 头 射 程 试验号 试验号 由表 可以看出 除 号试验外 喷头在 下的射程要大于 的射程 出现 号试验 现象的原因可能是 号试验的喷头出口直径过小 喷头出口直径为 使其在中压 工 作压力下雾化程度较高 液滴直径较小 液滴动能 较小 漂移蒸发损失较大造成 当喷头出口直径为 试验号为 时 中压与低压条件下的喷 头射程差值较小 约为 这可能是由于喷头在 出口直径为 时的极限射程较小 喷头射程随 工作压力的增大而缓慢增加且逐渐趋于不变 在相 同工作压力下 喷头出口直径为 试验号为 的射程约为喷头出口直径为 试验 号为 的 倍 说明该水药一体化 喷头的射程随喷头出口直径的增大而增大 因此 适 当选取较大喷头出口直径的喷头 有利于减少水药 一体化系统的喷头数量 减少工程成本 喷 洒 均 匀 性 系 数 图 为根据公式 计算所得单喷头在 工作压力为 和 下的喷洒均匀性系 数 可以看出 当喷头出口直径为 和 试验号为 时 喷洒均匀性系数大多低于 喷洒均匀性较差 当喷头出口直径为 和 试验号为 时 均匀性系数均大于 部分 大于 说明喷洒均匀性系数随喷 头出口直径的增大而增大 在 压力下 最大 均匀性系数值出现在 号试验 喷头出口直径为 为 在 压力下 最大值出 现在 号试验 喷头出口直径为 为 因此对于该水药一体化喷头 选择较大的喷 头出口直径有利于提高喷头喷洒均匀性系数 进而 提高喷灌系统中水药的有效利用率 减少水药消耗 和系统成本 图 均匀性系数 基 于 正 交 试 验 的 喷 头 结 构 参 数 多 指 标 优 化 该水药一体化喷头结构参数优化目标为多指 标优化 各因素及水平对性能指标的影响程度不 同 因此本研究采用综合评分法对试验结果进行分 析 采用归一化方法对指标进行数据标准化处理 即 L 式中 为数据标准化处理后的数值 为每个 指标中的最小值 为每个指标中的最大值 第 期 张 晴 等 水 药 一 体 化 喷 头 结 构 设 计 与 水 力 性 能 试 验 为各项指标的权重 为综合评价的综 合值 越大越优的指标采用公式 如射程 均匀性 系数和中压 下的喷洒高度 越小越优的指 标采用公式 如流量和低压 下的喷洒 高度 基于熵权法具有客观性较强 适应性好等特 点 选取熵权法评价各个指标的权重 计算得到 的权重值如表 所示 表 各 指 标 权 重 值 将各指标的权重值和试验结果代入公式 中 计算得到综合评价的综合值 如表 所示 表 数 据 处 理 结 果 试验号 试验号 为了获取各因素对喷头性能影响的主次顺序 以及各水平对喷头性能指标的影响程度 选取极差 分析法对数据进行分析 即 式中 为第 因素的极差 为第 因素 水平对应 数据平均处理后的结果 以综合值 为试验结果进行指标计算分析 结 果如表 所示 表 多 指 标 试 验 结 果 分 析 由表 中数据可知 根据极 差分析法中因素极差越大对喷头的指标影响越明 显的原理 得到影响水药一体化喷头流量 射程 喷 洒高度和喷洒均匀性系数等性能指标的主次因素 依次为 喷头出口直径 导流孔直径 导 流斜槽数量 导流斜槽宽度 导流孔数量 最优水平组合为 即水药一体化喷头的 结构参数为喷头出口直径 导流孔数量 个 导流孔直径 导流斜槽数量 个和导流 斜槽宽度为 为最优结构参数 结 论 提出了一种新型水药一体化喷头 采用五因 素四水平正交试验设计对喷头进行水力性能试验 得到了喷头流量 射程 喷洒净高度和喷洒均匀性 系数等水力特性 结果表明喷头径向水量分布较 好 均匀性系数较高 有利于提高水药利用率 具有 较好的社会价值和发展前景 水药一体化喷头的流量 喷洒均匀性系数随 喷头出口直径的增大而增大 同一工作压力和喷头 出口直径下 喷头喷洒净高度随流量的增大呈增长 趋势 喷头导流孔和导流斜槽结构能有效影响喷头 的外流场特性 通过熵权法和极差分析法 得到在低压 和中压 工作压力下 影响喷头水力性 能的结构参数主次顺序为喷头出口直径 导流孔直 径 导流斜槽数量 导流斜槽宽度 导流孔数量 该水药一体化喷头的最优结构尺寸分别为 喷头出口直径 导流孔 个 导流孔直径 导流斜槽 个 导流斜槽宽度 参 考 文 献 国家统计局农村社会经济调查司 中国农村统计年 鉴 北京 中国统计出版社 李仰斌 刘俊萍 中国节水灌溉装备与技术发展展望 排灌机械工程学报 排 灌 机 械 工 程 学 报 第 卷 周瑞琼 张慧春 周宏平 等 喷雾参数间互作效应对 农药雾滴飘移的影响 排灌机械工程学报 王晓坤 吡唑醚菌酯水药一体化防治番茄颈腐根腐 病应用技术研究 泰安 山东农业大学 张鹏 赵云贺 韩京坤 等 不同施药方式下噻虫嗪 和噻虫胺对韭菜迟眼蕈蚊的防治效果 植物保护 学报 何勇 肖舒裴 方慧 等 植保无人机施药喷嘴的发 展现状及其施药决策 农业工程学报 肖丽萍 刘木华 等 喷嘴喷施不同生 物农药雾滴特性研究 农业机械学报 中华人民共和国建设部 喷灌工程技术规范 北京 中国计划出版社 郑耀泉 刘婴谷 严海军 等 喷灌与微灌技术应用 北京 中国水利水电出版社 李兴斯 姜昱汐 潘少华 熵与最优化方法 大 连 大连理工大学出版社 责任编辑 陈 建 华