水藥一體化噴頭結構設計與水力性能試驗.pdf

年 月 第 卷 第 期 張 晴 水 藥 一 體 化 噴 頭 結 構 設 計 與 水 力 性 能 試 驗 張 晴 劉 俊 萍 袁 壽 其 李 揚 帆 李 紅 江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心 江蘇鎮(zhèn)江 收 稿 日 期 修 回 日 期 網(wǎng) 絡 出 版 時 間 網(wǎng) 絡 出 版 地 址 基 金 項 目 國家重點研發(fā)計劃項目 江蘇省重點研發(fā)計劃項目 江蘇省六大人才高峰 項目 河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室開放課題 第 一 作 者 簡 介 張晴 女 河南周口人 碩士研究生 主要從事噴頭設計研究 通 信 作 者 簡 介 劉俊萍 女 遼寧海城人 副研究員 博士 主要從事流體機械及排灌機械研究 摘 要 將 水 藥 一 體 化 技 術 應 用 于 噴 灌 系 統(tǒng) 中 設 計 了 一 種 新 型 水 藥 一 體 化 噴 頭 對 噴 頭 結 構 及 工 作 原 理 進 行 分 析 采 用 五 因 素 四 水 平 正 交 試 驗 研 究 在 低 壓 和 中 壓 下 噴 頭 內(nèi) 流 道 結 構 對 噴 頭 流 量 射 程 噴 灑 凈 高 度 噴 灑 均 勻 性 系 數(shù) 等 水 力 性 能 的 影 響 規(guī) 律 進 而 得 到 水 藥 一 體 化 噴 頭 的 最 佳 結 構 組 合 研 究 結 果 表 明 在 同 等 條 件 下 增 大 噴 頭 出 口 直 徑 可 有 效 提 高 噴 頭 流 量 和 噴 灑 均 勻 性 系 數(shù) 在 相 同 噴 頭 出 口 直 徑 下 噴 頭 噴 灑 凈 高 度 隨 流 量 的 增 大 而 增 大 噴 頭 導 流 孔 和 導 流 斜 槽 結 構 能 有 效 影 響 噴 頭 水 力 性 能 影 響 噴 頭 水 力 性 能 的 結 構 因 素 依 次 為 噴 頭 出 口 直 徑 導 流 孔 直 徑 導 流 斜 槽 數(shù) 量 導 流 斜 槽 寬 度 導 流 孔 數(shù) 量 噴 頭 最 優(yōu) 結 構 參 數(shù) 為 噴 頭 出 口 直 徑 導 流 孔 個 導 流 孔 直 徑 導 流 斜 槽 個 導 流 斜 槽 寬 度 該 結 果 可 為 水 藥 一 體 化 噴 頭 的 設 計 研 制 以 及 工 程 應 用 推 廣 提 供 一 定 的 理 論 數(shù) 據(jù) 關 鍵 詞 噴 頭 水 藥 一 體 化 結 構 設 計 水 力 性 能 正 交 試 驗 中 圖 分 類 號 文 獻 標 志 碼 文 章 編 號 張 晴 劉 俊 萍 袁 壽 其 等 水 藥 一 體 化 噴 頭 結 構 設 計 與 水 力 性 能 試 驗 排 灌 機 械 工 程 學 報 第 期 張 晴 等 水 藥 一 體 化 噴 頭 結 構 設 計 與 水 力 性 能 試 驗 中國人口眾多 幅員遼闊 但降雨量時空分布 不均 農(nóng)業(yè)用水緊張 同時中國又是農(nóng)藥消耗大國 年農(nóng)藥用量高達 多萬 是歐美國家平均水平的 倍 農(nóng)藥有效利用率僅為 左右 因而 采用 節(jié)水節(jié)藥 減本增效的灌溉施藥技術成為發(fā)展現(xiàn)代 農(nóng)業(yè)的必然趨勢 水藥一體化是將灌溉與施藥相結合的節(jié)水灌 溉技術 具有精準噴灑和節(jié)約水藥等優(yōu)點 部分 學者已將水藥一體化技術應用在滴灌中 其思 路是將藥劑隨毛管內(nèi)灌溉水按時 按需輸送至作物 根系 有效減少作物根系處的病蟲害和藥劑損失 對 于果樹類作物 葉片表面病蟲害防治的常見措施為 人工噴藥或噴霧機施藥 施藥方式存在農(nóng)藥飄逸損 失大 噴灑均勻性差等缺點 采用植保無人機進 行航空施藥 具有施藥靈活精準 農(nóng)藥利用率高等 優(yōu)勢 但存在無人機載重量有限 造價較昂貴 等問題 因此 探索將水藥一體化與噴灌技術相結 合 使其兼容灌溉施藥功能 實現(xiàn)高效灌溉施藥 對 提高水資源和農(nóng)藥有效利用率 具有重要意義 文中設計一種適用于果樹類作物的新型水藥 一體化噴頭 對該噴頭內(nèi)流場結構對外流場水力特 性的影響進行研究 并采用正交試驗進一步對噴頭 結構進行優(yōu)化 以期為該型水藥一體化噴頭設計制 造和應用推廣提供有益參考 試 驗 材 料 與 方 法 水 藥 一 體 化 噴 頭 結 構 及 工 作 原 理 圖 為水藥一體化噴頭結構示意圖 其中剖面 為噴頭體頂端剖面 噴頭總體高度為 主 要由噴頭帽 噴頭體及管接頭結構組成 噴頭體頂端 邊緣為圓形凸狀結構 凸狀結構上設有大小一致的 導流槽 噴頭體靠近凸狀結構的圓柱面上設有均勻 分布且直徑相同的導流孔 噴頭體與噴頭帽通過螺 紋連接 連接處設有 型密封圈 圖 噴頭結構圖 噴頭工作原理 壓力水進入噴頭后 通過導流 孔 導流槽 進入噴頭頂端與噴頭帽之間的凹槽內(nèi) 經(jīng)凹槽內(nèi)旋轉加速后噴射到空氣中 通過進口球閥 調(diào)節(jié)噴頭工作壓力至低壓范圍 大于 且小 于 時 噴灑高度較低 進行灌水作業(yè) 將噴 頭工作壓力調(diào)節(jié)至中壓范圍 大于 且小于 時 壓力增大 噴灑高度增高 液滴噴至作 物葉片背面 進行施藥噴灑 試 驗 設 置 試驗在江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研 究中心噴灌大廳內(nèi)進行 主要試驗裝置包括水泵機 組 電磁流量計 精度為 級 壓力表 精度為 級 噴頭樣機 安裝高度 雨量筒和測量桿 測 量 參 數(shù) 與 測 試 方 法 由于該水藥一體化噴頭在不同壓力下應實現(xiàn) 不同噴灑功能 因此設計 個工作壓力 低壓 和中壓 進行試驗 前人研究表明水藥 混合液的霧滴粒徑 噴灑液膜破碎形式等特性與純 水的霧滴特性大小差異較小 故噴灑介質均選 用自來水 測量參數(shù)包括 流量 和射程 分別采用電磁流量計和卷 尺測得 其中噴頭射程指雨量筒收集的水量為 測點處到噴頭中心的距離 排 灌 機 械 工 程 學 報 第 卷 噴灑凈高度 試驗中 設置垂直于地面的 測量桿 測量桿表面設有可上下移動試紙 試紙浸 濕最高點即為噴頭噴灑凈高度 如圖 所示 圖 試驗布置簡圖 噴灌強度 試驗在無風實驗廳內(nèi)進行 可以 近似認為各個方向的降水深度基本相同 因此選取一 條射線上的數(shù)據(jù)代替圓周內(nèi)的各條射線 雨量筒 采 用內(nèi)徑 高 的塑料筒 沿徑向線布置 測試 噴灑時間為 布置間距為 見圖 噴灑均勻性系數(shù) 均勻性系數(shù)是衡量噴 灌質量的重要指標之一 文中采用克里斯琴森均勻 系數(shù) 計算 其公式為 k 其中 式中 為第 個測量點的降水深度 為整個噴灑 面積內(nèi)的平均水深 為測量點的數(shù)量 試 驗 因 素 和 方 案 設計優(yōu)化水藥一體化噴頭以實現(xiàn)噴頭射程較 遠 噴灑均勻性系數(shù)較大且流量較小 并在低壓條 件下噴灑高度較低 在中壓條件下噴灑高度較高 因此文中選取流量 射程 噴灑高度和單噴頭均勻 性系數(shù)等 個性能指標進行研究 根據(jù)微噴頭設計 原理及經(jīng)驗 以因素 分別代表噴頭 出口直徑 導流孔數(shù)量 個 導流孔直徑 導流斜槽數(shù)量 個 導流斜槽寬度 設 計噴頭結構五因素四水平如表 所示 選用 正交試驗表 試驗方案如表 所 示 試驗過程中保持導流孔均勻分布在圓柱形噴頭 體上且圓心距噴頭出口的豎直距離保持不變 為 表 噴 頭 結 構 因 素 水 平 表 水平 因素 表 試 驗 方 案 試驗號 試驗號 結 果 與 分 析 流 量 與 噴 灑 高 度 表 為試驗測得的不同工作壓力下水藥一體化 噴頭流量和噴灑凈高度 表 不 同 工 作 壓 力 下 噴 頭 流 量 與 噴 灑 凈 高 度 試 驗 結 果 試驗號 由表 可以看出 同等噴頭出口直徑下 噴頭的 噴灑凈高度隨流量的增大呈增大趨勢 在相同工作 壓力下 噴頭流量隨噴頭出口直徑的增大而增大 在 壓力下 相比出口直徑為 時 直 徑為 的噴頭流量均值的增加幅度分 第 期 張 晴 等 水 藥 一 體 化 噴 頭 結 構 設 計 與 水 力 性 能 試 驗 別為 由于噴頭出口直徑 導流孔和導流斜槽結構參 數(shù)的變化 噴頭的流量和噴灑凈高度沒有顯示明顯 函數(shù)關系 如在 工作壓力下 流量最大值和 噴灑凈高度最大值沒有出現(xiàn)在同一試驗方案 流量 最大值 出現(xiàn)在 號方案 噴灑凈高度 最大值 出現(xiàn)在 號方案 說明噴頭出口直徑 導流孔和導流斜槽結構參數(shù)能夠有效地影響噴頭 的噴灑高度 徑 向 水 量 分 布 與 射 程 圖 為水藥一體化噴頭徑向水量分布 圖中橫 坐標 為距噴頭距離 縱坐標 為點噴灌強度 圖 噴頭徑向水量分布 由圖 可以看出 噴頭的徑向水量分布近似呈 三角形或倒 形 當噴頭出口直徑為 試驗號為 時 最大點噴灌強度均在 處 且噴灌強度沿徑向分布的趨勢相似 距噴頭距離的 增大呈近線性減小 減小趨勢較為平滑 徑向水量 分布近似于三角形 噴灑均勻性較好 當噴頭出口 直徑為 試驗號為 時 除 號方案 外 點噴灌強度最大值依然在 處 且噴灌強度沿 徑向呈減小趨勢 造成 號試驗現(xiàn)象的原因可能是 該方案結構下的噴頭體內(nèi)水流流速較大 水流噴出 排 灌 機 械 工 程 學 報 第 卷 后分裂加劇 破碎變快 過多的水量落在了噴頭附 近 在 壓力下 距噴頭 出現(xiàn)不規(guī)則 的小幅度波動 在 壓力下 點噴灌強度呈小 幅度波動下降 噴灑均勻性與 試驗方案相比較 差 當噴頭出口直徑為 試驗號為 時 沿徑水量分布趨勢為倒 形 呈先增大后減小 趨勢 降水量主要集中在噴頭射程的中部區(qū)域內(nèi) 在 壓力下 點噴灌強度最大值分布在距噴 頭 處 在 壓力下 點噴灌強度最 大值分布在距噴頭 處 在 工作 壓力下 各試驗方案的最大點噴灌強度值隨噴頭出 口直徑的增大呈減小趨勢 出現(xiàn)這種趨勢的原因可 能是在相同工作壓力下 噴頭射程隨噴頭出口直徑 的增大而增大 噴射出的液滴不再集中于近噴頭處 而是逐漸向遠處擴散 徑向水量分布的最大點噴灌 強度值減小 這一現(xiàn)象在 工作壓力下并不 明顯 可能是由于工作壓力較小 液滴破碎不完全 造成的 綜上所述 該水藥一體化噴頭的徑向水量分布 主要呈較為理想的 三角形 有利于提高組合噴灑 的均勻性 表 為試驗測得水藥一體化噴頭在 和 工作壓力下的射程 表 不 同 工 作 壓 力 下 的 噴 頭 射 程 試驗號 試驗號 由表 可以看出 除 號試驗外 噴頭在 下的射程要大于 的射程 出現(xiàn) 號試驗 現(xiàn)象的原因可能是 號試驗的噴頭出口直徑過小 噴頭出口直徑為 使其在中壓 工 作壓力下霧化程度較高 液滴直徑較小 液滴動能 較小 漂移蒸發(fā)損失較大造成 當噴頭出口直徑為 試驗號為 時 中壓與低壓條件下的噴 頭射程差值較小 約為 這可能是由于噴頭在 出口直徑為 時的極限射程較小 噴頭射程隨 工作壓力的增大而緩慢增加且逐漸趨于不變 在相 同工作壓力下 噴頭出口直徑為 試驗號為 的射程約為噴頭出口直徑為 試驗 號為 的 倍 說明該水藥一體化 噴頭的射程隨噴頭出口直徑的增大而增大 因此 適 當選取較大噴頭出口直徑的噴頭 有利于減少水藥 一體化系統(tǒng)的噴頭數(shù)量 減少工程成本 噴 灑 均 勻 性 系 數(shù) 圖 為根據(jù)公式 計算所得單噴頭在 工作壓力為 和 下的噴灑均勻性系 數(shù) 可以看出 當噴頭出口直徑為 和 試驗號為 時 噴灑均勻性系數(shù)大多低于 噴灑均勻性較差 當噴頭出口直徑為 和 試驗號為 時 均勻性系數(shù)均大于 部分 大于 說明噴灑均勻性系數(shù)隨噴 頭出口直徑的增大而增大 在 壓力下 最大 均勻性系數(shù)值出現(xiàn)在 號試驗 噴頭出口直徑為 為 在 壓力下 最大值出 現(xiàn)在 號試驗 噴頭出口直徑為 為 因此對于該水藥一體化噴頭 選擇較大的噴 頭出口直徑有利于提高噴頭噴灑均勻性系數(shù) 進而 提高噴灌系統(tǒng)中水藥的有效利用率 減少水藥消耗 和系統(tǒng)成本 圖 均勻性系數(shù) 基 于 正 交 試 驗 的 噴 頭 結 構 參 數(shù) 多 指 標 優(yōu) 化 該水藥一體化噴頭結構參數(shù)優(yōu)化目標為多指 標優(yōu)化 各因素及水平對性能指標的影響程度不 同 因此本研究采用綜合評分法對試驗結果進行分 析 采用歸一化方法對指標進行數(shù)據(jù)標準化處理 即 L 式中 為數(shù)據(jù)標準化處理后的數(shù)值 為每個 指標中的最小值 為每個指標中的最大值 第 期 張 晴 等 水 藥 一 體 化 噴 頭 結 構 設 計 與 水 力 性 能 試 驗 為各項指標的權重 為綜合評價的綜 合值 越大越優(yōu)的指標采用公式 如射程 均勻性 系數(shù)和中壓 下的噴灑高度 越小越優(yōu)的指 標采用公式 如流量和低壓 下的噴灑 高度 基于熵權法具有客觀性較強 適應性好等特 點 選取熵權法評價各個指標的權重 計算得到 的權重值如表 所示 表 各 指 標 權 重 值 將各指標的權重值和試驗結果代入公式 中 計算得到綜合評價的綜合值 如表 所示 表 數(shù) 據(jù) 處 理 結 果 試驗號 試驗號 為了獲取各因素對噴頭性能影響的主次順序 以及各水平對噴頭性能指標的影響程度 選取極差 分析法對數(shù)據(jù)進行分析 即 式中 為第 因素的極差 為第 因素 水平對應 數(shù)據(jù)平均處理后的結果 以綜合值 為試驗結果進行指標計算分析 結 果如表 所示 表 多 指 標 試 驗 結 果 分 析 由表 中數(shù)據(jù)可知 根據(jù)極 差分析法中因素極差越大對噴頭的指標影響越明 顯的原理 得到影響水藥一體化噴頭流量 射程 噴 灑高度和噴灑均勻性系數(shù)等性能指標的主次因素 依次為 噴頭出口直徑 導流孔直徑 導 流斜槽數(shù)量 導流斜槽寬度 導流孔數(shù)量 最優(yōu)水平組合為 即水藥一體化噴頭的 結構參數(shù)為噴頭出口直徑 導流孔數(shù)量 個 導流孔直徑 導流斜槽數(shù)量 個和導流 斜槽寬度為 為最優(yōu)結構參數(shù) 結 論 提出了一種新型水藥一體化噴頭 采用五因 素四水平正交試驗設計對噴頭進行水力性能試驗 得到了噴頭流量 射程 噴灑凈高度和噴灑均勻性 系數(shù)等水力特性 結果表明噴頭徑向水量分布較 好 均勻性系數(shù)較高 有利于提高水藥利用率 具有 較好的社會價值和發(fā)展前景 水藥一體化噴頭的流量 噴灑均勻性系數(shù)隨 噴頭出口直徑的增大而增大 同一工作壓力和噴頭 出口直徑下 噴頭噴灑凈高度隨流量的增大呈增長 趨勢 噴頭導流孔和導流斜槽結構能有效影響噴頭 的外流場特性 通過熵權法和極差分析法 得到在低壓 和中壓 工作壓力下 影響噴頭水力性 能的結構參數(shù)主次順序為噴頭出口直徑 導流孔直 徑 導流斜槽數(shù)量 導流斜槽寬度 導流孔數(shù)量 該水藥一體化噴頭的最優(yōu)結構尺寸分別為 噴頭出口直徑 導流孔 個 導流孔直徑 導流斜槽 個 導流斜槽寬度 參 考 文 獻 國家統(tǒng)計局農(nóng)村社會經(jīng)濟調(diào)查司 中國農(nóng)村統(tǒng)計年 鑒 北京 中國統(tǒng)計出版社 李仰斌 劉俊萍 中國節(jié)水灌溉裝備與技術發(fā)展展望 排灌機械工程學報 排 灌 機 械 工 程 學 報 第 卷 周瑞瓊 張慧春 周宏平 等 噴霧參數(shù)間互作效應對 農(nóng)藥霧滴飄移的影響 排灌機械工程學報 王曉坤 吡唑醚菌酯水藥一體化防治番茄頸腐根腐 病應用技術研究 泰安 山東農(nóng)業(yè)大學 張鵬 趙云賀 韓京坤 等 不同施藥方式下噻蟲嗪 和噻蟲胺對韭菜遲眼蕈蚊的防治效果 植物保護 學報 何勇 肖舒裴 方慧 等 植保無人機施藥噴嘴的發(fā) 展現(xiàn)狀及其施藥決策 農(nóng)業(yè)工程學報 肖麗萍 劉木華 等 噴嘴噴施不同生 物農(nóng)藥霧滴特性研究 農(nóng)業(yè)機械學報 中華人民共和國建設部 噴灌工程技術規(guī)范 北京 中國計劃出版社 鄭耀泉 劉嬰谷 嚴海軍 等 噴灌與微灌技術應用 北京 中國水利水電出版社 李興斯 姜昱汐 潘少華 熵與最優(yōu)化方法 大 連 大連理工大學出版社 責任編輯 陳 建 華