工作压力及喷射角度对微喷带单孔喷水特性影响的试验研究

王建军，杨筠晴，蔡九茂，翟国亮

(1. 河南水利与环境职业学院，郑州 450003；2.中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室，河南 新乡 453002)

微喷带是在薄壁塑料软管(盘卷后呈扁平带状)的管壁上直接加工以组为单位循环排列的微孔，在一定压力条件下通过这些喷孔喷水进行灌溉的一种节水灌溉管材[1]，具有灌水效果好、抗堵塞性能强、操作管理简单等优势[2,3]。微喷带灌溉性能主要取决于微喷带喷水孔分布及其单孔喷水性能[4]。

微喷带有效喷洒宽度、水分分布均匀性、灌溉强度以及雾化指标(水滴直径)是评价微喷带灌溉性能的重要指标。众多研究者通过定性及定量的方式对微喷带展开了系统研究，主要研究了不同压力、不同喷射角度下的喷水量分布规律[2]，不同微喷带长度对沿程土壤水分的影响[3]；针对实际应用条件，研究了风对微喷带灌溉的影响[4]；不同类型微喷带及不同应用条件下微喷带的沿程水头损失等。众多的研究结果揭示了微喷带灌水均匀度、射程、喷洒宽度和灌水强度等性能指标随工作压力、铺设长度、喷射角度、风速等的变化规律。微喷带是由一定数量的微喷孔组成，因此，单喷孔的工作特性决定了微喷带的整体工作性能。目前对于微喷带单喷孔特性的研究还不多见。因此，本文重点开展了微喷带单孔试验，通过理论及试验的方法，研究了工作压力、喷射角度两参数对微喷带单孔喷洒特性、水滴直径的影响，同时研究了不同工作压力对微喷带直径的影响。

1　试验测试参数

微喷带灌溉与普通的滴灌、喷灌有较大差异，根据微喷带的喷水特点，将微喷带单孔喷水特性测试参数概括总结如下。

1.1　射程R

根据喷灌的国家标准[10]，喷头的射程是指积雨量筒中收集的水深为0.3 mm/h(喷头流量低于0.25 mm/h的喷头为0.15 mm/h)的那一点至喷头旋转中心的距离[5]。本试验中，将微喷带射程R定义为雨量筒中的水深为0. 15 mm/h的最远点到微喷带中心的平面距离，如图1所示。

图1　微喷带喷洒基本特征示意图

1.2　湿润区及干燥区

参照射程的定义，微喷带灌溉时的湿润区是指喷孔喷洒区域内灌水强度大于及等于0.15 mm/h的点所围成的区域S。与微喷带轴线平行的方向上，灌水强度为0.15 mm/h的两点之间的最大距离称为湿润区宽度D。干燥区这一特定的概念，只存在于微喷带灌溉时。将干燥区宽度定义为灌水强度为0.15 mm/h的最近点到微喷带的平面距离W，如图1所示。

1.3　水滴直径

水滴直径是指落在地面或作物叶面上的水滴的直径(mm)，本文采用水滴平均直径来评价这一随机分布的水滴群。水滴平均直径是指在喷洒范围内某一点观测到的所有水滴直径的平均值。

1.4　微喷带直径

微喷带直径即在工作状态下的微喷带直径。

本文主要研究不同工作压力及喷射角度对于工作状态下微喷带单孔喷洒的射程、干燥区宽度、湿润区面积、水滴直径以及微喷带直径的影响。

2　试验装置及测定方法

2.1　试验装置及测试方法

试验装置如图2所示。该装置包括水泵(1.5 kW,额定流量10 m3/h，扬程45 m)、截止阀、稳压分流阀、调压阀、叠片过滤器(0.125 mm)、精密压力表(精度0.4%，量程0.25 MPa)、微喷带、积雨量筒、连接管路等。稳压分流阀以及调压阀用于调节和稳定微喷带的工作压力，调节范围可以到达0.005～0.15 MPa；用精密压力表检测工作压力；积雨量筒按照横、纵中心距各11.5 cm布置(如图2所示)，保证积雨量筒的面积大于喷孔喷水的水量分布区域，积雨量筒的容积为1 350 mL。试验过程中，用游标卡尺测量微喷带工作时不同时间点的直径，测量时确保微喷带不因测量产生变形；用滤纸法测量微喷带喷洒水滴直径；实验结束后用量筒测量积雨量筒内水的体积。

图2　实验装置示意图(单位：cm)1-水泵；2-截止阀，3-叠片过滤器；4-稳压分流阀；5-调压阀；6-精密压力表；7-微喷带；8-集雨量筒；9-堵头

2.2　试验条件及试验步骤

该试验是在室内无风条件下进行的，试验操作遵循以下步骤，且满足以下的条件：

(1)试验前调整好积雨量筒的位置，保证从喷孔喷出的水量全部落入积雨量筒的分布区域内。

(2)试验用的微喷带每组喷孔14个孔，折径为52 mm，经测量喷孔直径为0.4 mm。微喷带工作时压力恒定，每次试验时间为30 min。

(3)喷射角度通过转动微喷带来调整，喷射角是喷射水流的初始段与地面的夹角。从10°～90°，每间隔10°进行一组试验。

(4)试验前，对积雨平台上的积雨量筒进行编号，记录其积雨面积和位置。喷水结束后，测出积水量。最后采用3次的平均值来表示该位置的喷水量。

(5)试验时，用游标卡尺分别测量微喷带开始工作后4、6、11、16、21 min时微喷带的直径，测量时确保微喷带无变形；用滤纸接取微喷带喷洒区域不同位置下落的水滴共10滴；用米尺测量微喷带单孔喷洒出射流最高点的高度。

(6)试验后，用米尺测量微喷带射程、干燥区宽度、湿润区长度及宽度；用游标卡尺测量滤纸上水滴水印的直径。

3　实验结果及分析

3.1　射　程

经试验测得不同压力及喷射角度对微喷带单孔喷洒射程影响的曲线如图3所示。

图3　压力及角度对射程的影响

可见，总体上微喷带单孔喷洒的射程随工作压力的升高而增大，但在喷射角度为40°时，60 kPa的射程小于50 kPa的射程；当压力小于50 kPa时，射程出现波动；喷射角度在10°～30°之间时，射程随角度的增大而增大，随喷射角度在40°～90°之间时，射程随角度的减小而减小；在喷射角度为10°时，射程最为接近，在喷射角度为30°时，射程相差最大；当工作压力为20 kPa，喷射角度为10°时，射程出现最小值10 cm，当工作压力为80 kPa，喷射角度为30°时，射程出现最大值256 cm。

3.2　湿润区宽度

经试验测得不同压力及喷射角度对微喷带单孔喷洒湿润区宽度影响的曲线如图4所示。

图4　压力及角度对湿润面宽的影响

可见微喷带单孔喷洒的湿润区宽度随喷射角度的增大而增大，且随工作压力的增大而增大；在工作压力为80 kPa，喷射角度为90°时，湿润区宽度最大，为100 cm；在工作压力为20 kPa，喷射角度为10°时，湿润区宽度最小，为20 cm。

在设计制造微喷带时，可根据湿润区宽度随喷射角度的变化关系，将湿润区设计为沿微喷带轴线方向及垂直于轴线方向搭接两种模式。例如：已知当喷射角度在90°左右时，湿润区宽度为100 cm，假设在微喷带上打孔，孔间距为100 cm，则当喷射角度为90°时，其湿润区将会相接触，形成一个湿润带。同理，工作压力对微喷带单孔喷洒湿润区宽的影响规律也会在微喷带使用规程制定的过程中起到重要作用。湿润区宽度随工作压力的增大而增大，当压力过大(在微喷带适宜工作压力范围内)时，相邻两个喷孔湿润区就会出现重叠现象，且重叠区域的面积会随着压力的增大而增大，这就会造成灌溉水的浪费或喷洒均匀系数的降低，因此适合的工作压力不仅可以延长微喷带管材的使用寿命，更可以增大微喷带喷洒均匀系数。根据工作压力及喷射角度对微喷带单孔喷洒湿润区宽度影响的规律，可将微喷带喷孔间距设计的更为合理，并为微喷带适宜工作压力的制定提供依据。

3.3　干燥区宽度

因为喷射角度为90°时，微喷带喷孔喷射水流垂直地面向上，水向微喷带两侧洒落，湿润微喷带两侧地面，即喷射角度为90°时，干燥区宽度为0 cm。因此仅研究微喷带喷射角度为10°～80°时的干燥区宽度规律。经试验测得不同压力及喷射角度对微喷带单孔喷洒干燥区宽度影响的曲线如图5所示。

图5　压力及角度对干燥区宽度的影响

可见干燥区宽度在喷射角度为30°时达到最大；当工作压力为20 kPa时，干燥区宽度曲线波动明显，说明此压力下微喷带的喷洒性能稳定性差；当喷射角度为30°时，工作压力为50和80 kPa时的干燥区宽度均为91 cm。射程与干燥区之间即为微喷带单孔喷洒的湿润区长度。

同湿润区一样，根据微喷带单孔喷洒干燥区的规律，可以为微喷带的设计生产提供依据。根据用户需求定制微喷带及微喷带配置模式(微喷带工作压力、带与作物之间的布置间距等)，使灌溉水直达作物根部，实现定点局部灌溉。这样既可以实现只灌溉作物根区、节约水资源的目的，又具备易安装拆卸、省工省时、成本低廉的优势，为实际生产应用提供一种新的灌溉思路。

3.4　水滴直径

经试验测得不同压力及喷射角度对微喷带单孔喷洒水滴直径影响的曲线如图6所示。

图6　工作压力及喷射角度对水滴直径的影响

可见，微喷带喷洒水滴直径随着工作压力的变化而有明显波动；在工作压力为20 kPa、喷射角度为90°时，水滴直径出现最大值3.64 mm，这是因为工作压力为20 kPa时，压力过小且微喷带喷洒性能不稳定，并不能将出射水流完全打散，且喷射角度为90°时喷射水流垂直地面向上，达到最高点后散落在地面，已经被打散的水滴在空中汇聚，水滴直径变大。工作压力为50 kPa、喷射角度为70°时出现最小值1.82 mm，说明工作压力为50 kPa、喷射角度为70°有助于打散水滴，加强微喷带喷洒的雾化效果。

3.5　微喷带直径

由于微喷带是薄壁软管，管径会随着管内压力的变化而变化。试验过程中发现微喷带管径在喷洒过程中呈现先增大、稳定、再增大的变化趋势为了研究工作压力对微喷带直径的影响，测量微喷带喷洒过程中不同时间点微喷带的直径。试验中每个工作压力选取5个时间点，每个时间点用游标卡尺测试3次直径，求平均值，并绘制工作压力对微喷带直径影响的曲线图。不同压力对微喷带工作带宽影响的曲线如图7所示。

图7　工作压力对带宽的影响

可见，微喷带平均直径在工作过程中随着压力增大；其中当工作压力在50～60 kPa之间时，微喷带的直径稳定。对比图1、2、3发现微喷带参数变化曲线较接近，即50～60 kPa时，微喷带性能相对稳定，说明微喷带直径保持稳定有助于提高微喷带喷洒性能的稳定性。

4　结　语

通过对微喷带单孔喷洒特性进行试验研究得出以下结论：

(1)喷射角度为30°时，微喷带单孔喷洒射程最大，为256 cm，即实际工作过程中微喷带的喷洒半径应小于250 cm。

(2)在试验条件下，湿润区宽度随着喷射角度和工作压力的增大而增大，最大值100 cm，在生产设计过程中应注意使孔间距与工作压力相适应，提高微喷带喷洒均匀系数。

(3)干燥区宽度最大值为91 cm，最小值为0 cm。若要实现定点灌溉，作物与微喷带间的垂直距离应大于91 cm。

(4)工作压力小于20 kPa时，微喷带的射程、湿润区宽度及干燥区宽度曲线均呈现剧烈波动现象，说明此时微喷带喷洒性能并不稳定，不适宜应用到实际当中。

(5)工作压力为50 kPa、喷射角度为70°时水滴直径最小，为1.82 mm，即工作压力为50 kPa、喷射角度为70°有助于加强微喷带喷洒的雾化效果。当然试验中存在取样不全，不能完全反映工作压力及喷射角度对微喷带雾化效果的影响规律，有待进一步研究。

(6)保持工作状态下微喷带的直径稳定有助于保障微喷带喷洒性能稳定。

参考文献：

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