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 212013)

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200多万t，是欧美国家平均水平的3.5倍，农药有效利用率仅为30%左右[1].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[2-3].

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[4-5].部分学者已将水药一体化技术应用在滴灌中[6-8]，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[9-11].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[12-13], 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.

1 试验材料与方法

1.1 水药一体化喷头结构及工作原理

图1为水药一体化喷头结构示意图，其中剖面A-A为喷头体顶端剖面.喷头总体高度为43 mm，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O型密封圈.

图1 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100 kPa且小于200 kPa)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200 kPa且小于500 kPa)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.

1.2 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0.5级)、压力表(精度为0.4级)、喷头样机(安装高度1.2 m)、雨量筒和测量杆.

1.2.1 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2个工作压力(低压150 kPa和中压350 kPa)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[13-16]，故喷洒介质均选用自来水.测量参数包括：

1) 流量q和射程s.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0.15 mm/h测点处到喷头中心的距离[17].

2) 喷洒净高度H.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2所示.

图2 试验布置简图

3) 喷灌强度I.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7 cm，高10 cm的塑料筒)沿径向线布置，测试喷洒时间为1.0 h，布置间距为0.1 m(见图2).

4) 喷洒均匀性系数CU.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CU计算，其公式为

(1)

其中

(2)

1.2.2 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4个性能指标进行研究.根据微喷头设计原理及经验[18]，以因素A，B，C，D，E分别代表喷头出口直径(mm)、导流孔数量(个)、导流孔直径(mm)、导流斜槽数量(个)、导流斜槽宽度(mm)，设计喷头结构五因素四水平如表1所示.

表1 喷头结构因素水平表

选用L16(45)正交试验表，试验方案如表2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3.2 mm.

表2 试验方案

2 结果与分析

2.1 流量与喷洒高度

表3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3 不同工作压力下喷头流量与喷洒净高度试验结果Tab.3 Test results of sprinkler flow rates and net spraying height under different working pressures

由表3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350 kPa压力下，相比出口直径为1.5 mm时，直径为2.0，2.5，3.0 mm的喷头流量均值的增加幅度分别为26.61%，37.99%，62.44%.

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150 kPa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0.214 7 m3/h出现在13号方案，喷洒净高度最大值2.5 m出现在9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.

2.2 径向水量分布与射程

图3为水药一体化喷头径向水量分布，图中横坐标l为距喷头距离，纵坐标I为点喷灌强度.

图3 喷头径向水量分布

由图3可以看出：喷头的径向水量分布近似呈三角形或倒U形，当喷头出口直径为1.5，2.0 mm(试验号为1—8)时，最大点喷灌强度均在0 m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2.5 mm(试验号为9—12)时，除11号方案外，点喷灌强度最大值依然在0 m处，且喷灌强度沿径向呈减小趋势，造成11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，水流喷出后分裂加剧，破碎变快，过多的水量落在了喷头附近；在150 kPa压力下，距喷头0～0.4 m出现不规则的小幅度波动，在350 kPa压力下，点喷灌强度呈小幅度波动下降，喷洒均匀性与1—8试验方案相比较差；当喷头出口直径为3.0 mm(试验号为13—16)时，沿径水量分布趋势为倒U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150 kPa压力下，点喷灌强度最大值分布在距喷头0.3～0.5 m处，在350 kPa压力下，点喷灌强度最大值分布在距喷头0.1～0.7 m处；在350 kPa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150 kPa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4为试验测得水药一体化喷头在150 kPa和350 kPa工作压力下的射程.

表4 不同工作压力下的喷头射程Tab.4 Range of sprinklers under different working pressure

由表4可以看出，除1号试验外，喷头在350 kPa下的射程要大于150 kPa的射程，出现1号试验现象的原因可能是1号试验的喷头出口直径过小(喷头出口直径为1.5 mm)，使其在中压350 kPa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2.0 mm(试验号为5—8)时，中压与低压条件下的喷头射程差值较小，约为0.1 m，这可能是由于喷头在出口直径为2.0 mm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3.0 mm(试验号为13—16)的射程约为喷头出口直径为1.5 mm(试验号为13—16)的1.13～2.13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.

2.3 喷洒均匀性系数

图4为根据公式(1)—(2)计算所得单喷头在工作压力为150 kPa和350 kPa下的喷洒均匀性系数，可以看出：当喷头出口直径为1.5 mm和2.0 mm(试验号为1—8)时，喷洒均匀性系数大多低于80%，喷洒均匀性较差；当喷头出口直径为2.5 mm和3.0 mm(试验号为9—16)时，均匀性系数均大于80%，部分CU大于90%，说明喷洒均匀性系数随喷头出口直径的增大而增大；在150 kPa压力下，最大均匀性系数值出现在9号试验(喷头出口直径为2.5 mm)，为95.28%；在350 kPa压力下，最大值出现在16号试验(喷头出口直径为3.0 mm)，为94.91%.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4 均匀性系数

2.4 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

(3)

(4)

越大越优的指标采用公式(3)，如射程、均匀性系数和中压350 kPa下的喷洒高度；越小越优的指标采用公式(4)，如流量和低压150 kPa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[19]，选取熵权法评价各个指标的权重，计算得到的权重值如表5所示.

表5 各指标权重值

将各指标的权重值和试验结果代入公式(3)—(5)中，计算得到综合评价的综合值F如表6所示.

表6 数据处理结果

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

Rj=max(fi1,fi2,fi3,fi4)-min(fi1,fi2,fi3,fi4)，

(5)

式中：Rj为第j因素的极差；fij为第i因素j水平对应数据平均处理后的结果.

以综合值F为试验结果进行指标计算分析，结果如表7所示.

表7 多指标试验结果分析

由表7中数据可知，RA>RC>RD>RE>RB，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A(喷头出口直径)、C(导流孔直径)、D(导流斜槽数量)、E(导流斜槽宽度)、B(导流孔数量)，最优水平组合为A4B2C2D2E2，即水药一体化喷头的结构参数为喷头出口直径3.0 mm、导流孔数量3个、导流孔直径2.0 mm、导流斜槽数量3个和导流斜槽宽度为0.8 mm为最优结构参数.

3 结 论

1) 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.

2) 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.

3) 通过熵权法和极差分析法，得到在低压150 kPa和中压350 kPa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.

4) 该水药一体化喷头的最优结构尺寸分别为喷头出口直径3.0 mm，导流孔3个，导流孔直径2.0 mm，导流斜槽3个，导流斜槽宽度0.8 mm.