散水式喷头水滴特性试验研究

朱兴业,钱兆*,刘俊萍,张爱英,魏巧

(1. 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,江苏 镇江 212013;2. 江苏润果农业发展有限公司,江苏 镇江 212013)

喷灌是节水灌溉中一种有效的灌溉方式,喷头是喷灌系统中的关键设备之一.喷头水力性能可用于评价喷头性能和喷洒效果,其水力性能好坏将直接影响灌溉系统的喷洒效果[1].水力性能通常由喷头喷洒水量分布、喷洒打击强度等指标综合决定.

ZHANG等[2]建立了一个模拟移动式洒水车动态分布仿真模型,可模拟水量分布规律和均匀系数,研究工作压力、喷头安装高度和不同组合方式时的不同组合间距对喷头性能的影响.ZHANG等[3]在低压正弦振荡水流下使用Nelson D3000喷水器研究了静态和动态喷头的喷头强度和冲击动能强度分布,发现正弦振荡水流可有效增加喷洒范围,同时降低喷头强度和冲击动能强度的峰值.GARCA等[4]研究了文丘里涡流双流体涡流喷嘴在室温下的性能,结果表明液滴直径与液体流速呈正相关、与空气流速呈负相关.ZHANG等[5]使用粒子图像测速技术和CFD软件分析研究了固定喷盘式喷头在无风条件下的能耗,得到了高工作压力可能不会导致更大能耗的结论.LILAN等[6]引入Sauter平均直径建立了液滴尺寸分布的试验平均数学模型,通过仿真研究了喷嘴雾化场中的液滴尺寸分布和液体流量、液体温度和喷嘴压力对外混合雾化喷嘴雾化粒径分布的影响.ZHANG等[7]通过数值模拟和试验相结合的方法,研究了喷嘴的入口压力、喷嘴间距比对喷头性能的影响.

高飞等[8]通过试验分析、理论计算和综合评价相结合的方法,探究等效直径、安装高度、工作压力对雾化喷头水力性能的影响规律,定量分析得到安装高度、工作压力、等效直径、组合间距与组合均匀性系数之间的关系.王新坤等[9]利用单因素数值模拟方法确定具有良好脉冲效果的主副喷嘴直径设计区间,再以进口流量和射程为评价指标进行了9因素4水平正交试验,确定了主副喷嘴直径的设计区间及各流道结构参数对喷头性能的影响.史永杰等[10]对射流式喷头的水量分布进行分析拟合,探究了不同工况对喷灌水量的影响规律.张晴等[11]设计了一种新型水药一体化喷头,研究了在中低压情况下喷头内流道结构对水力性能的影响规律.

综上可知,目前对喷头的研究主要集中在摇臂式、射流式和负压反馈式喷头上,对散水式喷头的研究较少.文中以散水式喷头为研究对象,采用2DVD视频雨滴谱仪测量不同工况下不同出水口当量直径的水滴直径、水滴速度及水滴动能,以探究喷头水力性能的变化规律,为散水式喷头的结构优化提供一些理论依据.

1 材料与方法

1.1 喷头结构

试验选用的散水式喷头实物与结构如图1所示．

图1 喷头实物与结构

喷头包括喷芯和喷体2个结构,喷芯的圆心柱前端配有圆柱螺旋压缩弹簧,自右端经过旋转进入喷体内部左端的螺纹部分进行组合,出水口处角度为120°.喷体的结构参数有喷体入水口的直径、出水口直径r等.喷芯的结构参数有螺纹螺距T、槽型流道的宽度和分布、出水口角度α和出水口缝隙宽度δ等.出水口处的缝隙宽度δ由喷芯旋入喷体的角度和螺纹螺距T决定,出水口当量直径De为与出水面积等面积圆的直径,可通过改变出水口缝隙宽度即改变出水口当量直径以调节喷头喷洒效果.

出水口缝隙宽度δ的计算式为

(1)

式中:T为一种喷芯结构确定的螺纹螺距,mm.

出水口面积Sout计算如下:

Sout=πrδ,

(2)

(3)

结合式(1)—(3)可得出水口当量直径De(mm)为

(4)

式中:r为设计的喷体出水口直径,mm,结构确定后即为定值.

该喷头的额定工作压力为0.3 MPa,入水口当量直径为4 mm,De为4.88 mm的额定流量为1.52 L/min,De为5.98 mm的额定流量为1.81 L/min,喷头射程为1.5 m.

1.2 试验方法

试验在江苏大学的无风喷灌实验大厅进行,喷嘴安装高度为1.33 m,喷头工作压力p分别设置为0.20,0.25,0.30,0.35和0.40 MPa,出水口当量直径De为4.88和5.98 mm.在喷头出流状态稳定后,使用2DVD视频雨滴谱仪在喷头射程内对水滴的粒径、重量和速度进行测量,在每个测量点收集不少于1 000个数据.试验装置如图2所示.

图2 试验装置

1.3 数据处理方法

1.3.1 水滴直径

水滴直径的计算方法采用水重加权平均法.计算式[12]为

(5)

(6)

式中:D为测试点水滴加权平均直径,mm;Ki为直径为di的水滴质量,kg;i为水滴直径为d时对应的质量级级名;di为第i组水滴的直径,mm;ρw为水的密度,kg/m3;ni为直径为di的水滴数量.

1.3.2 水滴速度

使用2DVD视频雨滴谱仪测量水滴的水平速度vr和垂直速度vt,水滴平均速度va采用个数加权平均法,其计算式为

(7)

(8)

式中:j为速度分级名;o为水滴速度分级的级数;nj为第j个级数统计的水滴数量;vj为第j个级数的水滴速度,m/s.

1.3.3 水滴动能

1) 单个水滴动能.由不同测量点处的水滴速度和直径,可通过公式计算出单个水滴的动能.但在测量区域内,相同直径的水滴数量较多且速度差异较大,故使用直径相同的水滴速度的平均值进行计算,也即单个水滴动能也采取平均值.其计算式[13-15]为

(9)

式中:Esd为水滴直径为d时的单个水滴动能,J;vdi为水滴直径为d的速度,m/s;Wi为速度为vdi的水滴数量.

2) 单位体积动能.单位体积动能是指在测量范围内,各个测点处的水滴动能总和与其总体积的比值,计算式[16]为

(10)

式中:Esk为单位体积动能,J/L;m为水滴直径粒子直径级数.

3) 动能强度.动能强度是指在单位时间内测量点处的动能,水滴动能强度K(W/m2)由喷灌强度、水滴速度和水滴直径决定,计算式[17]为

(11)

式中:hj为距喷头不同距离处的喷灌强度,mm/h.

2 试验结果与分析

2.1 水滴直径变化规律

图3为出水口当量直径分别为4.88和5.98 mm的喷头在工作压力为0.20～0.40 MPa下的水滴平均直径da分布百分比τd.由图可知,水滴平均直径百分比最大值对应的水滴平均直径随着压力增大而减小,水滴平均直径在不同压力下的分布形状相似且呈正态分布.出水口当量直径为4.88 mm的水滴平均直径百分比最大值在各个压力下均远大于出水口当量直径为5.98 mm的.出水口当量直径为4.88,5.98 mm时,水滴平均直径分别集中分布在0.73～1.38,0.85～1.53 mm,这说明在出水口当量直径较小时,其水滴平均直径较小,分布更集中,效果也更好.

图3 水滴平均直径分布百分比

图4为出水口当量直径为4.88和5.98 mm的喷头水滴平均直径累计频率f分布图.由图可知,随着水滴直径增大,水滴累计频率逐渐增大,增大的幅度逐渐减小至0.喷头在两种不同出水口当量直径下的水滴直径累计分布规律曲线的变化趋势相同,但出水口当量直径为4.88 mm时水滴平均直径变化范围更小.这说明当出水口当量直径越小,水滴分布可能更集中,能使喷头在工作时具有更好的均匀性.

图4 水滴平均直径累计频率分布

图5为出水口当量直径为4.88和5.98 mm的喷头在压力为0.20～0.40 MPa时的水滴平均直径径向分布图,l为水滴距喷头的距离.

图5 水滴平均直径径向分布

由图5可知,随着距喷头距离增大,水滴平均直径也相应增大,且增大的幅度也逐渐增大.距喷头距离相同时,水滴平均直径随工作压力增大而减小.同一个工作压力、相同距喷头距离时,出水口当量直径为5.98 mm时的水滴平均直径大于出水口当量直径为4.88 mm的.水滴至喷头距离相同时,水滴直径随出水口当量直径增大而减小,并且水滴平均直径在离喷头较近处差异较小,随着距喷头距离增大则差异增大.

2.2 水滴速度变化规律

图6为水滴速度百分比分布图,喷头出水口当量直径为4.88和5.98 mm时的水滴速度百分比τv分布图相似,均接近正态分布,且平均速度最大值随压力增大而增大.

图6 水滴速度百分比分布

图7为水滴平均速度径向分布图.

图7 水滴平均速度径向分布

由图7可知,在不同出水口当量直径下的水滴平均速度随着距喷头距离增大而增大,两者呈指数分布.同一个工作压力、相同距喷头距离时,出水口当量直径为5.98 mm时的水滴平均速度小于出水口当量直径为4.88 mm的.在同一距喷头距离下,水滴平均速度随工作压力增大而减小,且减小的幅度越来越小.这说明在距喷头距离相同时,压力对水滴平均速度的影响随压力增大而减小.

图8为单个水滴速度随水滴平均直径分布图.

图8 水滴平均速度与水滴平均直径关系

由图8可得,2种出水口当量直径的喷头在5种不同工作压力下的水滴平均速度与水滴平均直径分布呈对数关系,且出水口当量直径为4.88 mm的水滴平均速度大于出水口当量直径为5.98 mm的.在相同水滴直径、不同压力下的速度差异不明显,且水滴平均直径越小时差异越小,在小于0.5 mm时近似相等.这说明水滴平均速度和水滴平均直径之间的关系受工作压力的影响较小.

2.3 水滴动能变化规律

根据式(9)计算喷头出水口当量直径为4.88和5.98 mm时在不同测点处的单个水滴动能,如图9所示.

图9 单个水滴动能分布

由图9可知,单个水滴动能随水滴平均直径增大呈指数分布,随工作压力增大呈先增大后减小的趋势.在出水口当量直径为4.88 mm时的最大单个水滴动能0.34 J出现在压力为0.25 MPa、水滴平均直径为2.44 mm 时;在出水口当量直径为5.98 mm 时最大单个水滴动能0.49 J出现在压力为0.3 MPa、水滴平均直径为2.63 mm时.

根据式(10)计算出在不同测点处喷头出水口当量直径为4.88和5.98 mm的喷头单位体积动能,如图10所示.

图10 单位体积动能径向分布

由图10可知,2种不同出水口当量直径的喷头在距离喷头0～0.7 m时,单位体积动能维持在较低水平,波动较小;在大于0.7 m后,单位体积动能开始迅速增大,且单位体积动能最大值随着压力增大呈先增大后减小的趋势.

根据式(11)计算喷头出水口当量直径为4.88和5.98 mm在不同测点处的动能强度,如图11所示.

图11 动能强度径向分布

由图11可知,动能强度最大值随压力增大而先增大后减小.不同出水口当量直径的喷头在所有工作压力下的动能强度变化趋势相同,都是在距喷头距离0.1～0.6 m内基本保持不变,随后逐渐增大,在接近射程末端时达到最大值再突然减小至0.出水口当量直径为5.98 mm的喷头最大动能强度大于出水口当量直径为4.88 mm的,这说明出水口当量直径越大其最大动能强度也可能越大.

3 结 论

1) 出水口当量直径较小时,其水滴平均直径较小,分布更集中,水滴平均直径变化范围也更小.

2) 同一工作压力和相同距喷头距离时,出水口当量直径越小其水滴平均速度可能越大.通过分析水滴的平均速度、平均直径和压力得到了水滴平均速度和水滴平均直径之间的关系受工作压力影响较小的结论.

3) 出水口当量直径越大,单个水滴动能、单位体积动能和动能强度在所有工作压力下也越大.水滴动能强度随距喷头距离增大呈先增大后迅速减小的规律,其最大值变化规律与单个体积动能随工作压力的变化规律相同.