滚球内驱动喷头水力性能试验与工作参数确定

惠 鑫，朱能杰，檀海斌，谢树华，庞钧儒，严海军

(1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2.中国农业大学理学院，北京 100083；3.国家半干旱农业工程技术研究中心，石家庄 050000)

0 引 言

喷灌因具有省水、省工、增产和对地形条件适应能力强等诸多优点，近年来在我国各地得到稳定推广[1,2]。据统计，截止2016年底，全国喷灌工程面积已达4.07×106hm2。喷头作为喷灌系统中的重要组成部件之一，其水力性能好坏将直接影响喷灌工程质量[3]。目前大田粮食作物和经济作物的喷灌仍采用管道式喷灌系统为主，使用ZY和PY系列摇臂式喷头，工作压力为0.35 MPa，系统运行费用较高、末端喷洒水滴直径偏大、喷头弹簧等运动部件易损坏是主要问题。因此，开发和应用能够低压工作且结构简单的喷头至关重要，这符合喷灌低压节能的发展趋势。近几年，在大田作物喷灌技术上试验推广了滚球内驱动喷头与塑料软管组合的经济型喷灌系统，所采用的喷头组合间距9 m×9 m，并获得了成功。使用的滚球内驱动喷头是一种利用金属旋球驱动喷嘴旋转的低压喷头，不能实现扇形喷洒，易于清洗，对水质没有要求。喷头结构简单，没有摇臂式喷头的摇臂驱动机构、旋转密封机构、换向机构等，其旋转速度仅取决于工作压力和结构参数，工作中不易控制，也不能调整。国内外关于滚球内驱动喷头的报道主要以专利成果为主[4-7]，如张国华等[4]设计开发了一种基于钢珠驱动的全地埋式喷灌装置，将喷头直接埋入耕作层以下，有利于田间耕作。Rosenberg[5]优化了传统滚球内驱动喷头，降低了喷头的生产和组装成本。但是有关滚球内驱动喷头的水力性能测试、工作技术参数和田间应用等研究报道尚不多见。

综上所述，以进水口直径为1/2″的滚球内驱动喷头为研究对象，在室内无风条件下对其进行水力性能试验，探讨其导流体设置小孔是否影响喷头流量、运转速度和径向水量分布；并以无孔导流体为参照，设计并3D打印不同进水口角度的导流体，研究导流体进水口角度对喷头组合喷灌均匀度和末端水滴直径分布的影响，提出滚球内驱动式喷头的运行工作参数，为喷头今后在工程上的推广和应用提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验喷头

试验所用喷头为进水口直径为1/2″的滚球内驱动式喷头，如图1(a)所示。其部件主要由喷嘴(出水孔直径为1.9 mm)、腔室(由上喷体和下喷体组成)、导流体(分为有孔和无孔2种)、不锈钢珠(直径为7.8 mm)和旋转元件等5部分组成，其中有孔(圆孔孔径为1.8 mm)和无孔导流体进水口角度均为18.5°。试验时，压力水经由导流体(图1(b))进入腔室后形成高速旋转水流冲击不锈钢珠在腔室内做圆周运动，并不断撞击与喷嘴相连的凸缘，从而使喷嘴旋转射流。喷头设计工作压力范围为0.25～0.40 MPa。

图1 试验所用喷头Fig.1 Sprinkler used in the experiment

1.2 工况设置

试验共设置2种工况：工况1，对有孔和无孔2种导流体下的喷头流量、运转速度和径向水量分布等指标进行测试分析，探讨导流体在有孔和无孔条件下的喷头水力性能情况；工况2，以无孔导流体为参照，通过3D打印的方式设计出进水口角度为17°、19°和21° 3种导流体(打印材料为光敏树脂，精度0.10 mm)，以研究不同导流体进水口角度对喷头组合喷灌均匀度和末端水滴直径分布的影响，进而提出滚球内驱动喷头运行工作参数。

1.3 试验方法

喷头水量分布试验在中国农业大学水利与土木工程学院喷头水力性能自动测试平台上进行。试验参照标准GB/T50085-2007[8]。自动测试平台由雨量筒、挡水罩、试验控制柜、回水槽、供水系统等5部分组成[9]，其中雨量筒采用径向单列布置，第一个雨量筒与喷头水平距离为1 m，其余每隔0.5 m布置一个雨量筒(承水口直径为150 mm)。雨量筒收集的喷洒水量由其下方的BK-3A型称重传感器(精度为0.6 g)自动采集并换算成喷灌强度。喷头安装与雨量筒承水口的垂直高差为1 m，试验压力设置0.25、0.30和0.35 MPa 3个水平，采用0.4级精密压力表进行实时监测。试验过程中还测试了喷头流量、运转速度和末端水滴直径等水力性能指标。喷头流量和运转速度分别采用LDTH型电磁流量计(精度为0.2%)和TF307型电子秒表测得，每隔3 min测试一次，一共测试5次取平均值。喷洒末端水滴直径采用奥地利Joanneum Research公司生产的2D视频雨滴谱仪(Two-dimensional video disdrometer，简称2DVD)进行监测，并保证各测点收集水滴数不少于10 000 个[10,11]。

1.4 喷灌均匀度计算

喷灌均匀度是指喷灌面积上水量分布的均匀程度，是衡量喷灌质量的重要指标之一[12-14]。为了了解滚球内驱动喷头在不同工况下的组合喷灌均匀度情况，选用目前国际上通用的2种喷灌均匀系数(克里斯琴森均匀系数Cu[15]和分布均匀系数Du[16])作为评价标准。Cu描述的是各测点水深与平均水深偏差的绝对值之和，倾向于表征整个田间水量分布与平均值偏差的情况[17]，其计算公式为：

(1)

而Du则强调了喷水量较小1/4部分雨量筒中水的平均水深与整个田间平均水深的占比情况，有利于保证作物获得必要的最小灌水量[17]，其计算公式为：

(2)

式中：hm为喷水量较小1/4部分雨量筒中水的平均水深，mm。

2 结果与分析

2.1 导流体有孔或无孔对喷头流量的影响

图2给出了工作压力为0.25、0.30和0.35 MPa下导流体有孔或无孔时的喷头流量情况。从图2中可以看出，随着工作压力的逐渐增大，2种导流体下的喷头流量均呈递增趋势。当工作压力为0.25 MPa时，有孔和无孔下的喷头平均流量仅为0.452 m3/h，而当工作压力增至0.35 MPa时，其平均流量达到0.548 m3/h，增幅21.1%，说明工作压力对喷头流量的影响显著。从图中还可看出，在工作压力一定的情况下，导流体有孔和无孔时的喷头流量极为相近，如工作压力为0.25 MPa时，有孔和无孔下的喷头流量差值仅为0.004 m3/h。由此表明，导流体孔口对喷头流量的作用不大，工作压力才是影响流量的主要因素。

图2 导流体有孔或无孔下的喷头流量Fig.2 The flow rate of sprinkler with or without a hole in the guide structure

2.2 导流体有孔或无孔对喷头运转速度的影响

表1给出了工作压力为0.25、0.30和0.35 MPa下导流体有孔或无孔时的喷头运转速度情况。从表中可以看出，2种导流体下的喷头运转速度均随着工作压力的增大而增大，但随着工作压力的逐渐变大，喷头运转速度增幅有所减缓，这与刘中善等[18]的研究结论一致。以有孔导流体为例，当工作压力从0.25 MPa增大到0.30 MPa时喷头运转速度增幅高达40.8%，而从0.30 MPa增大到0.35 MPa时其增幅又下降至15.9%。另外，在工作压力一定时，导流体无孔下的喷头运转速度要比有孔时稍快。由以上分析可以看出，喷头运转速度受工作压力和孔口的影响均较大。表2给出了这两种因素对喷头运转速度影响的方差分析。可以看出，在95%的置信度下，工作压力对喷头流量的影响大于孔口。

表1 导流体有孔或无孔下的喷头运转速度Tab.1 Sprinkler rotating speed with or without a hole in the guide structure

表2 工作压力和孔口对喷头运转速度影响的方差分析Tab.2 Variance analysis of the effects of working pressure and hole on sprinkler rotating speed

2.3 导流体有孔或无孔对喷头径向水量分布的影响

图3给出了工作压力为0.25、0.30和0.35 MPa下导流体有孔或无孔时的喷头径向水量分布情况。从图3中可以看出，2种导流体在不同工作压力下的径向水量分布具有一定的共性，即随着与喷头水平距离的逐渐增加，径向喷灌强度均呈递减趋势。当工作压力为0.25 MPa时，如图3(a)所示，有孔和无孔下的喷灌强度沿径向递减过程大致可分为2个阶段：第1阶段为急速下降阶段，第2阶段为缓慢下降阶段。即与喷头水平距离小于4 m时，随着与喷头水平距离的逐渐增加，2种导流体下的喷灌强度均急速下降，其平均下降幅度高达69.0%；而与喷头水平距离大于4 m时，喷灌强度沿径向下降趋势变缓，在与喷头水平距离为4～10 m处的喷灌强度主要集中在1.0～2.0 mm/h。当工作压力增至0.30 MPa时，如图3(b)所示，2种导流体下的径向喷灌强度整体有所上升，其中无孔上升幅度最为明显，其径向平均喷灌强度相较0.25 MPa时上升43.3%。当工作压力继续增至0.35 MPa时，如图3(c)所示，2种导流体下的径向喷灌强度进一步上升，其水量分布曲线大致呈三角形。此外，在3种工作压力下，导流体有孔和无孔下的喷头射程较为接近，均在11～12 m范围内。

图3 导流体有孔或无孔下的喷头径向水量分布Fig.3 Radial water distribution of sprinkler with or without a hole in the guide structure

从上述研究可以看出，孔口除了对喷头运转速度的影响较大以外，对喷头流量和径向水量分布的影响均不明显，因此以下将重点探讨导流体进水口角度对喷头水力性能的影响，进而提出喷头运行工作参数。

2.4 导流体进水口角度对组合喷灌均匀度的影响

以不同导流体进水口角度下的径向水量分布数据为基础，通过自编软件分别求得喷头矩形布置下7种组合间距(10 m×10 m～16 m×16 m)时的喷灌水量分布情况，并计算得到对应的喷灌均匀度。表3给出了工作压力为0.25、0.30和0.35 MPa下3种导流体进水口角度时的组合喷灌均匀度情况。从表3中可以看出，当工作压力为0.25 MPa时，进水口角度为19°的组合喷灌均匀系数Cu和分布均匀系数Du均要大于其他2种。当工作压力增至0.30 MPa时，19°的Cu和Du均有所下降，而17°的Cu和Du则迅速上升，并最终超过19°和21°下的组合喷灌均匀度。当工作压力继续增至0.35 MPa时，进水口角度为17°的Cu和Du继续上升，7种组合间距下其平均值分别达到86.8%和79.2%。由以上分析得知，导流体进水口角度为17°、工作压力为0.35 MPa和进水口角度为19°、工作压力为0.25 MPa的2种工况喷灌质量均较好，但是考虑其经济性，选择后者显然更符合要求。此外还发现，该工况(进水口角度为19°、工作压力为0.25 MPa)下，除了喷头组合间距为16 m×16 m时的喷灌均匀度未达到规定标准[8,15]以外，其他组合间距下的喷灌均匀性均能满足灌溉要求。综合喷灌质量和经济性两方面考虑，在实际工程设计时，建议喷头工作压力设置为0.25 MPa，导流体进水口角度选择19°，且喷头组合间距以14 m×16 m为宜。

表3 不同导流体进水口角度下的组合喷灌均匀度Tab.3 Combined sprinkler uniformity under different inlet angles of guide structure

2.5 导流体进水口角度对末端水滴直径分布的影响

末端水滴直径可在一定程度上反映喷洒水滴对地面的打击强度，是评价喷灌系统水力性能的重要指标[19]。图4给出了工作压力为0.25、0.30和0.35 MPa下3种导流体进水口角度时的末端水滴直径分布情况。从图中可以看出，3种工作压力下不同导流体进水口角度时的末端水滴均以小直径为主，各工况下的小水滴频率(直径在1.0 mm以下)均在65.0%以上，表明3种导流体进水口角度下射流末端均存在水滴蒸发漂移的较大风险。因此，为了优选出最佳的导流体进水口角度，从小水滴频率相对较低的工况展开着重分析。可以发现，工作压力为0.25 MPa、导流体进水口角度为19°时的小水滴频率占比最小，为65.3%。而且从表4又可知，其对应的直径为1～3 mm的适宜水滴[20]频率为33.2%，在所有工况中占比最高，比排在第二的适宜水滴频率高出7.5%。一般认为适宜水滴数量越多，代表其喷洒效果越好。因此从喷洒效果的角度来看，喷头工作压力选择0.25 MPa，且导流体进水口角度为19°更好。

表4 直径为1～3 mm范围内的适宜水滴频率Tab.4 Suitable droplet frequency within the range of 1～3 mm

图4 不同导流体进水口角度下的末端水滴直径分布Fig.4 Diameter distribution of the terminal droplet under different inlet angles of guide structure

3 结 论

(1)导流体孔口除了对喷头运转速度的影响较大以外，对喷头流量和径向水量分布的影响均不明显；随着工作压力的逐渐增加，导流体有孔或无孔条件下的径向喷灌强度整体有所上升，当工作压力增至0.35 MPa时，其水量分布曲线大致呈三角形。

(2)工作压力为0.25 MPa、导流体进水口角度为19°下的喷灌质量和经济性均较好，除了喷头组合间距为16 m×16 m时的喷灌均匀度未达到规定标准以外，其他组合间距下的喷灌均匀性均能满足灌溉质量要求；其对应的适宜水滴频率为33.2%，在所有工况中占比最高，比排在第二的适宜水滴频率高出7.5个百分点。

(3)综合喷灌质量和经济性两方面考虑，在实际工程设计时，建议滚球内驱动喷头工作压力设置为0.25 MPa，导流体进水口角度选择19°，且喷头组合间距以14 m×16 m为宜。