全圆旋转射流喷头设计与水力性能试验

王新坤 徐胜荣 樊二东 姚吉成 靳彬彬

(江苏大学流体机械工程技术研究中心， 镇江 212013)

0 引言

中国淡水资源短缺，有效利用率较低，为进一步缓解水资源供求压力，提高农田灌溉水利用系数，研制新型节水灌溉装备和推广高效节水灌溉技术是现代农业发展的新趋势[1-3]。喷灌技术是应用最为广泛的节水灌溉技术之一，喷头是喷灌系统中的核心设备，其水力性能很大程度上决定了整体的喷灌效果[4-5]。旋转式喷头边喷洒边旋转，水从喷嘴喷出时形成射流状，因此射程较远，是中远射程喷头的基本形式。由驱动机构的特点，旋转式喷头可分为摇臂式喷头、反作用式喷头和叶轮式喷头。目前，国内外应用最普遍的中低压喷头几乎都是摇臂式喷头，就摇臂运动方向来说主要有水平摇臂式喷头和垂直摇臂式喷头两种基本形式[6]。水平摇臂式喷头基本结构由喷管、旋转密封装置、驱动装置、换向装置等组成，驱动机构由摇臂、旋转轴、弹簧等组成，由于敲击和撞击的作用，对喷管、摇臂材料的刚性和弹簧稳定性要求较高。李星恕等[7]在水平摇臂式喷头原有结构基础上，设计了一种由撑杆、限位杆等组成的仰角可调节机构，研究了4种仰角的喷头水力性能，其中喷头在各象限的转动误差均小于10%，喷头的转动比较均匀。垂直摇臂式喷头靠改变水流运动方向产生的反作用力推动其间歇转动，其驱动机构由摇臂、导流器、平衡配重、摇臂轴等组成。汤跃等[8]基于ADAMS虚拟样机技术对垂直摇臂式喷头的旋转和碰撞过程进行了动力学仿真研究，并分析了喷头的结构强度和疲劳寿命。汤攀等[9]通过改变垂直摇臂式喷头配重与旋转中心的距离、工作压力和喷嘴直径，通过多目标优化得到了喷头的最优水力性能参数。反作用式喷头是依靠水射流偏离转轴平面对喷管产生反作用力矩驱动喷头旋转，反作用力矩可以连续施加，例如利用挡片、斜孔出流、单稳射流元件等方式，也可以间歇施加，例如利用互控射流元件、流控射流元件等方式。全射流喷头是一种反作用式喷头，利用射流附壁效应完成喷头的直射、步进和反向功能，具有结构简单、水力性能好等优点[10]，由于导管的插拔深度对全射流喷头的正常工作有较大影响，并且射流附壁力较小，该喷头也存在工作不稳定的情况。朱兴业等[11]对PY130型摇臂式喷头和30PXH型全射流喷头进行水力性能试验对比，发现全射流喷头可以通过改变导管长度来改变步进角度，可调节性较好。刘俊萍[12]对全射流喷头进行内部流场计算，重点研究了动静片下游及上游压差和速度在不同喷头转动角度时的变化规律。

正交试验设计是利用正交表科学合理安排试验，通过部分试验得到影响试验指标的最优因素水平组合[14]，正交试验法在结构优化设计中有广泛应用[15]，能够得到很好的效果，具有科学性、合理性。本文设计一种反作用式喷头——全圆旋转射流喷头[13]，该喷头通过射流的附壁切换特性实现喷头的步进和直射过程，在副喷嘴出口安装驱动板为喷头旋转提供驱动力，并采用正交试验对喷头内流道进行结构优化，以实现喷头旋转稳定、水力性能较好的目的。

1 全圆旋转射流喷头结构与原理

1.1 喷头结构

图1 全圆旋转射流喷头剖面图Fig.1 Structure diagram of round rotatory jet sprinkler1.旋转密封机构 2.喷头进口 3.空心轴 4.轴套 5.弹簧罩6.弹簧 7.橡胶垫片 8.导流段 9.射流元件进口 10.反馈口Ⅰ11.反馈口Ⅱ 12.射流空间 13.左侧壁面 14.右侧壁面 15.右侧流道 16.左侧流道 17.分流劈 18.射流元件 19.主喷体 20.副喷体 21.副喷管 22.主喷管 23.主喷嘴 24.副喷嘴 25.驱动板

全圆旋转射流喷头是指利用射流的附壁切换效应实现喷头旋转喷洒过程的射流喷头。图1为喷头结构剖面图，喷头中间部分为射流元件，为了能让水流和射流元件壁面充分接触，流道壁面设计为方形结构，进口段包括一定长度的导流段，由圆形进口过渡到方形进口，然后通过喷体部分过渡到喷管的圆形结构，图1中w、s、β、H是射流元件的主要结构尺寸，分别为进口宽度、位差、侧壁倾角、分流劈距，不同结构尺寸的射流元件工作效果不同，k为喷头进口深度，d为喷头进口直径，α为喷头进口收缩角[16]。与射流元件连接的为喷头的旋转密封机构，该机构主要包括轴套、空心轴、密封圈等，射流元件进口两侧为控制道，通过控制管连接，射流元件一端出口通过主喷体与主喷管连接，主喷管连接主喷嘴，另一端出口通过副喷体与副喷管连接，副喷管连接副喷嘴，副喷嘴出口安装固定驱动板。

1.2 喷头工作原理

压力水流进入喷头射流元件时，高速射流在Coanda效应[17]的作用下会附着于一侧壁面，此时射流和左侧壁面的封闭空间为低压旋涡空间，当主射流附着于左侧壁时，水流主要从主喷嘴中射出，此时，喷头处于直射状态，在射流附壁一段时间后，负压通过反馈控制管传递到另一侧空间，切换射流附壁方向，水流转而从副喷嘴中射出，并击打驱动板，使喷头获得旋转力矩，喷头开始旋转，此时喷头处于步进状态。主喷嘴和副喷嘴交替喷洒，实现射流喷头的直射和步进动作，在不增加喷洒强度的情况下，解决了喷头近处喷洒均匀度问题。全圆旋转射流喷头是用射流元件取代了摇臂式驱动的一套复杂机构，射流元件结构简单，省去了现有摇臂式喷头的弹簧与摇臂，简化了驱动与换向结构，通过驱动板分散喷洒水流，与直射流的喷洒水量相互补。

1.3 喷头的射流附壁切换特性

射流喷头正常工作时，其流道内的射流需要进行附壁切换，反映其工作性能的参数主要有附壁切换频率和流量振幅等。附壁切换频率为单位时间内射流附壁切换的次数，频率越高说明射流附壁特性越稳定，流量振幅为射流喷头出口流量的差值，流量振幅越大，单边的出口流量越大，射流的附壁偏转效果越好。

2 关键结构正交试验

2.1 CFD数学建模和参数设置

在Pro/E软件中画出喷头的三维水体模型，如图2a所示，导入CFD软件ICEM中进行网格划分，如图2b所示，由于喷头过渡段等结构不规则，因此采用四边形非结构网格对三维模型进行网格划分，消除结构网格中节点的结构限制，节点和单元的可控性较好，能更好地处理边界问题[18]，在喷头过渡段对网格进行局部加密，以提高网格整体质量，网格数量为77 047，网格质量在0.37以上。

图2 全圆旋转射流喷头三维模型和网格划分Fig.2 Three-dimensional model and mesh generation of round rotatory jet sprinkler

应用CFD软件Fluent对射流喷头水体模型进行模拟，射流喷头内部流型包括湍射流、涡流，采用三维不可压缩N-S方程来描述射流喷头内部的流动。RNGk-ε模型可以很好地计算强旋流和带有弯曲壁面的流动，由于射流喷头中存在此类流动，因此选用RNGk-ε模型进行计算。采用压力进口，喷头进口压力设置为0.1～0.3 MPa，主喷嘴和副喷嘴出口压力为一个大气压，均采用瞬态模拟，时间步长为0.001 s，流体介质为水，收敛精度为10-4。

2.2 喷头的正交试验设计

2.2.1试验因素

全圆旋转射流喷头中，选取深宽比k/w、位差比s/w、劈距比H/w、侧壁倾角β作为试验因素，A、B、C、D分别代表k/w、s/w、H/w、β，喷头进口直径为10 mm，工作压力0.25 MPa，因素水平选择如表1所示，选用L9(34)正交表，通过9组试验得到上述结构参数对附壁切换频率f和流量振幅ΔQ的影响规律，A取2～3，B取0.375～0.525，C取7～9，D取10°～12°。

表1 因素水平Tab.1 Level of factors in orthogonal experiments

2.2.2试验结果

试验结果见表2(x1、x2、x3、x4分别为A、B、C、D水平值)，可以看出7组喷头具有较好的射流附壁切换特性，其中喷头6、8的射流不能附壁切换，主要是因为劈距太小而位差太大。

表2 试验方案和试验结果Tab.2 Test scheme and results in orthogonal experiments

采用直接分析法对正交结果进行分析，表3中Ki为每个因素i个水平的数值之和，ki为每个因素i个水平的平均值，反映各因素的优水平与优组合，R为极差，反映各因素的主次水平。

表3 正交试验结果分析Tab.3 Results analysis of orthogonal experiments

由表3可知，影响附壁切换频率的因素主次顺序为B、D、C、A，影响流量振幅的因素主次顺序为A、C、B、D，说明位差比对射流附壁切换频率的影响最大，深宽比对射流附壁切换频率的影响最小，但是深宽比对流量振幅影响最大，侧壁倾角对流量振幅影响最小。

根据各几何参数对射流附壁特性的影响可知，附壁切换频率的最佳组合为A2B2C1D1，流量振幅的最佳组合为A1B2C1D1，为了分析各因素对喷头附壁特性的影响程度，定义了相对影响指数[19]

E=R/(k1+k2+k3)×100%

(1)

E越大，说明因素对喷头的附壁特性影响越大，因素A对附壁切换频率和流量振幅的影响指数分别为3.7%和29.4%，说明因素A对流量振幅的影响较大，因此最优结构组合为A1B2C1D1，由正交试验得到的喷头射流元件最优结构为：深宽比2，位差比0.45，劈距比7，侧壁倾角10°。

喷头的喷管、喷体、喷嘴等结构参数参考摇臂式喷头的设计原理[20]，喷头的主要结构参数见表4。

表4 射流喷头主要结构参数Tab.4 Main structural parameters of jet sprinkler

注：D1为进水口公称直径，D2为控制管直径，Dcm为喷管直径，rcp/Dcm为相对弯曲半径，Lcm/Dcm为喷管相对长度，θ为喷射仰角，Dc为喷嘴直径，θ1为喷嘴内锥角。

3 喷头水力性能试验

对喷头的射流附壁特性和喷洒特性进行试验研究，射流喷头的射流附壁特性试验方法采用高速摄影法，通过高速摄影仪捕捉射流的附壁切换频率，通过喷洒试验对喷头的喷洒特性进行试验测试。

3.1 试验材料与试验方法

试验于2018年7月在江苏大学喷灌大厅进行，参照文献[21]，搭建喷灌试验测试系统，试验测试系统包括高速摄影仪、离心泵、输水管、阀门、0.25级精度压力表、0.2级精度流量计、精度为0.01 s的秒表、米尺、喷头和雨量筒等，雨量筒的开口直径为22 cm，雨量筒沿径向布置，间距1 m，一直延伸到射程之外，喷头安装高度1.2 m。图3为高速摄影试验的示意图，试验现场采用黑色幕布作为拍摄背景以保证图像的清晰度，采用i-Speed3型摄像机，帧率10 000 f/s，选用焦距为50 mm的定焦镜头，压力表安放在低于喷头0.5 m处，在喷灌系统泵出口安装流量计测量喷头的进口流量，射流喷头为有机玻璃材质。试验中，将副喷嘴的驱动板方向调为向下，使喷头保持静止，由于射流击打驱动板会分散水流，用套筒将副喷嘴套上，使水流朝着固定方向射出。进行喷洒试验时，对进水口公称直径10 mm、主副喷嘴直径均为4 mm的喷头模型进行试验研究，并且用PY210A型(4.5 mm×2.5 mm)摇臂式喷头进行水力性能对比试验，图4为试验模型，图5为试验场地，调节压力表压力为0.15、0.20、0.25 MPa，通过流量计记录喷头进口流量，米尺记录喷头射程，秒表记录喷头转过一周所用时间，雨量筒测量水深，喷头每次喷洒时间为20 min。

图3 高速摄影试验装置示意图Fig.3 Schematic of high-speed photography test device1.水泵 2.流量计 3.阀门 4.压力表 5.喷头 6.高速摄影仪 7.计算机 8.光源 9.黑幕

图4 摇臂式喷头和射流喷头试验样机Fig.4 Experimental prototypes of impact sprinkler and jet sprinkler

图5 试验场地Fig.5 Test site

3.2 高速摄影试验结果

3.2.1射流喷头流量-压力特性

进口流量和进口压力的关系是喷头的主要外特性曲线，通过对比试验和模拟所得到的关系曲线可以验证数值模拟的准确性，设置进口压力为0.1～0.3 MPa，图6为喷头的流量压力特性曲线。由图可知，在进口压力较小时，模拟误差较小，随着进口压力增大，模拟误差也相应增大，且模拟值大于试验值，主要是因为进口压力增大，流量损失增大，模拟值与试验值的相对误差为2.1%～4.0%，说明本研究建模合理，模拟方法准确，能够有效地对喷头的内部流动情况进行数值模拟。

图6 流量随压力的变化曲线Fig.6 Variation of flow rate with different pressures

3.2.2射流喷头的射流附壁特性

图7为射流喷头的射流附壁切换频率和进口压力的关系。可以看出，随着喷头进口压力的增大，模拟误差也相对增大，且模拟值大于试验值。模拟值与试验值的相对误差为7.7%～22.2%，喷头内流道结构和外部干扰会一定程度影响射流的附壁切换频率，试验结果表明模拟值和试验值的变化趋势基本相同且偏差较小，因此模拟值能较好地反映试验值。

图7 射流附壁切换频率随压力的变化曲线Fig.7 Variation of jet frequency of wall-attached switching with different pressures

3.3 喷洒试验结果

3.3.1喷头流量、射程、喷灌强度和转动周期

表5为摇臂式喷头和射流喷头在3个工作压力下的流量、射程、平均喷灌强度和转动周期，随着工作压力增加，喷头进口流量不断增加，摇臂式喷头流量为1.36～1.62 m3/h，射流喷头流量为1.19～1.53 m3/h，在两种的喷头进口压力和喷嘴直径相同时，喷头进口流量基本相同。随着工作压力增大，喷头射程逐渐增大，摇臂式喷头射程为13.2～14.2 m，射流喷头射程为13.0～15.7 m，射流喷头的射程较远，基本可以满足特定压力下的喷灌要求，因此具有较好的应用价值。当喷头进口流量基本相同时，摇臂式喷头平均喷灌强度为3.00～3.90 mm/h，射流喷头平均喷灌强度为2.85～3.63 mm/h，摇臂式喷头的平均喷灌强度较大。进口压力对摇臂式喷头的转动周期影响较小，摇臂式喷头转动周期为112～125 s，进口压力对射流喷头的转动周期影响较大，射流喷头转动周期相对较短，为81～105 s，由于射流喷头的旋转驱动力主要是副喷嘴水流间断性击打驱动板的结果，可以通过改变驱动板的倾角和喷管长度来改变喷头所受力矩，从而调整喷头的转动效果。

表5 摇臂式喷头与射流喷头在3种压力下的流量、射程、平均喷灌强度和转动周期Tab.5 Mass flow, range, irrigation intensity and rotation period of impact sprinkler and jet sprinkler at three working pressures

3.3.2喷头水量分布特性

图8为摇臂式喷头和射流喷头在0.15、0.20、0.25 MPa工作压力下的喷头喷洒水量分布图，由图可知，摇臂式喷头和射流喷头的喷洒水量分布有较大不同，相比之下，摇臂式喷头喷洒水量分布呈“马鞍形”，降水深为0.5～2.2 mm，其中喷头近处和远处的喷洒水量较多，中间喷洒水量较少，整体来说，喷头喷洒水量具有一定的波动性。对于射流喷头而言，降水深为0.4～2.0 mm，与摇臂式喷头不同，喷头水量分布呈“三角形”，射流喷头近处的喷洒水量较多，喷洒水量随喷头射程增加而减少，主要是因为副喷嘴处的射流击打驱动板导致水流破碎并滴落在射程较近处，水量分布比较均匀。但是在满足射程足够大和流量较小的条件下，可以通过进一步改进射流喷头的结构来改善喷头的水量分布效果，比如在主喷嘴处增加散水装置、将副喷嘴驱动板设计成齿形结构等，从而整体提高喷头的喷洒均匀性。

图8 不同压力下摇臂式喷头与射流喷头的喷洒水量分布Fig.8 Water distributions of impact sprinkler and jet sprinkler at different pressures

4 结论

(1)通过四因素三水平正交试验模拟得到了射流喷头的射流附壁特性最优结构，结合摇臂式喷头的设计要求初步设计了射流喷头的结构。

(2)通过高速摄影试验验证了射流喷头的流量压力特性和射流附壁切换特性，流量偏差不大于4.0%，频率偏差不大于22.2%。

(3)对摇臂式喷头和射流喷头进行喷洒试验，得到了喷头的射程、喷灌强度、转动周期和水量分布等特性，试验结果表明，射流喷头水力性能较优，具有较好的发展前景。