黄建翔，王新坤，姚吉成，颜海兰，韩晓乐，孟天舒

（1.江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013；2.徐州市水利工程建设管理中心，江苏 徐州 221000）

0 引 言

近年来，节水灌溉技术是一种兼具节水与作物增产提质的现代农业灌溉技术[1-3]，其中喷灌应用最为广泛，具有适应性强、节水效果显著、节省人力、安装使用方便等诸多优点。目前，我国农业喷灌中应用最为广泛的是摇臂式喷头，摇臂式喷头按结构可分为单喷嘴和双喷嘴摇臂式喷头[4]，2 种构造的摇臂式喷头均是通过高速射流冲击驱动机构[5-7]，驱动机构转动带动弹簧压缩蓄力、弹簧复位释放能量推动驱动机构反转撞击喷管，实现喷头的步进旋转。该喷头具有射程远[8-10]、组合喷洒均匀性高[11-13]、适应性强等优点，但存在驱动机构复杂，弹簧易腐蚀老化的缺陷。

王新坤[14]利用射流附壁作用在毛管内形成脉冲水流设计发明了一种射流三通，增强了灌水器的抗堵塞能力与灌水均匀性。许鹏[15]等通过对不同进口宽度下的射流元件进行滴灌试验，结果表明射流进口宽度越大，压力波动也越大，但脉冲频率会随之减小。樊二东[16]等通过数值模拟与水力性能试验相结合的方法，对射流元件的进口宽度进行分析，得到了最优脉冲特性下的射流元件进口宽度。徐胜荣[17]等对射流脉冲喷头进行了初步数值模拟研究，分析了其内部压力 水流的流动特点，并加工样机进行了水力性能试验。王新坤[18-20]等应用了射流脉冲喷头的CFD 数值模拟方法，通过正交试验得到了一种较优的脉冲喷头流道结构，并与摇臂式喷头进行了水力性能对比试验。张晨曦[21]设计了一种多弯曲齿槽驱动板，并对驱动板进行了单因素水力性能试验。王新坤等对不同喷管长度、不同喷管仰角下的射流脉冲喷头进行了水力性能试验，得到了喷管的结构参数对射流脉冲喷头水力性能的影响规律。喷头是喷灌技术的核心，其性能的好坏直接决定喷灌工程的整体喷洒效果与工程造价。为了提升其水力性能，研究人员进行了许多研究,但前人仅对长方形驱动板对喷头水量分布进行针对性研究，未考虑驱动板形状对于水量分布的影响研究，实际情况下，驱动板形状对水量分布的影响是一个多因素综合的复杂过程，研究应综合考虑所有相关结构影响因素。因此，本文针对射流脉冲喷头副喷嘴驱动板进行了整体的结构优化设计，该喷头基于射流附壁切换技术设计，通过高速脉冲水流间歇冲击驱动板来实现喷头的步进、旋转和调节水量分布，实现了结构简单、射程远、喷洒均匀度高、性能稳定等优点，并对水量分布、喷灌均匀性等水力性能影响进行研究，为后续喷头开发和应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 “爪形”驱动板

对于射流脉冲喷头，喷嘴是喷头的重要部件，分为主喷嘴和副喷嘴。主喷嘴主要与喷头射程相关，副喷嘴主担喷头驱动和调节水量分布的作用。根据脉冲射流“驼峰式”水量分布特点，设计了“爪形”驱动板，如图1 所示。对于“爪形”驱动板，一方面，水流冲击时一部分水流会冲击中间部分，驱动喷头转动，同时水流受到偏转作用喷洒至近处，提高近处水量；另一方面，会有2股水流从左右爪间空隙中直射出去，进而保证喷头中远程水量，以改善射流脉冲喷头在中远处的凹形水量分布。

图1 “爪形”驱动板结构示意图Fig.1 "Claw type" drive plate structure

1.2 试验材料

射流元件是影响射流脉冲喷头脉冲形成的关键结构。本文在前人研究基础上，通过数值模拟方法，进一步优化了射流元件结构，根据优化得到的最优结构参数组合进行样机加工。为提高加工精度，保证喷头的流道完整一体性，将射流元件、渐变弯管和喷管进行组合一体化加工。为能够更好地观察喷头内部流动，加工材料采用透明有机玻璃。射流元件进口处通过内螺纹与旋转空心轴连接，喷管出口与喷嘴采用外螺纹连接，其二维示图如图2所示，加工实物如图3所示。

图2 射流元件剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of the two-dimensional structure of the jet original

图3 射流元件加工实物示意图Fig.3 Physical image of the jet Original

试验样机主要包括射流元件、弯头与喷管组合体，旋转密封机构，主喷嘴，副喷嘴与驱动板，透明橡胶控制管等部件，各部件具体尺寸如表1所示。

表1 射流脉冲喷头流道基本结构尺寸Tab.1 Basic structure size of the flow channel of the negative pressure feedback jet sprinkler

1.3 喷洒试验设计

试验于2021年10月-2022年1月在江苏大学圆形喷灌大厅中进行，分别对多种参数组合的驱动板喷头进行水力性能测试，试验设计参照《旋转式喷头水量分布均匀性和试验方法》GB/T 19795.2-2005[22]。试验中通过皮卷尺标定距离，将雨量筒沿喷头两侧按照1.0 m 间距径向摆放。为提高试验精度，在0～1.0 m 间，雨量筒按照0.5 m 间距摆放，且雨量筒径向摆放距离超过喷头最大射程。喷头安装高度为1.2 m，压力表与喷头位于同一高度，涡轮流量计安装在离心泵出口处。试验场地平整，最大坡度小于1%，室内无风。试验过程中，调节阀门使得压力表压力为0.15、0.20、0.25 和0.30 MPa，涡轮电子流量计记录喷头流量，雨量筒测量水深，喷头每次喷洒时间为20 min。为保证试验精度，每组试验均重复进行3次，并对比试验数据检查所测径向水量数据变化趋势，最后对3 次试验数据取算术均值。具体喷洒试验现场如图4 所示。由于喷头射程较远，为保证拍摄效果，喷洒现场仅拍摄一侧雨量筒与喷头。

图4 喷洒试验现场Fig.4 Spray test site photos

2 “爪形”驱动板正交试验

2.1 水量分布评价方法

由于驱动板只影响水量[23]分布而不影响射程，并且喷灌均匀度可以量化水量分布的好坏，故采用喷灌均匀度为评价水量分布的指标，选用克里斯琴森均匀度计算喷头组合均匀度[24]，计算公式如下：

式中：Cu为克里斯琴森均匀度，%；hm为各雨量筒读数的平均值，mm；hi为第i个雨量筒的读数，mm；n为测点数目。

对于旋转均匀、性能稳定的喷头，喷灌均匀度可基于单喷头径向水量，通过MATLAB[25]等编程软件计算得到，也可以通过多喷头组合试验实际测量计算得到。由于试验场地条件限制，本文采用前者。试验假设喷头采取正方形的布置方式，R≥组合间距≥R（R为射程），试验测得单喷头的径向水量分布后，结合理论计算方法，利用MATLAB 软件编程计算得到最优喷洒水量均匀度。

2.2 正交试验设计

“爪形”驱动板结构设计主要考虑驱动板倾角、驱动板长度、驱动板宽度、三角形挡板底宽4 个主要因素，分别用A、B、C、D表示。驱动板倾角越大，三角挡板与喷嘴出射水流接触面积越大，射流打击能力也越强，喷头的驱动力也越大，同时水流受倾斜角度的影响在喷头近处喷洒较多。驱动板长度越长，三角形挡板的腰长也越长，与喷嘴出射水流接触面积在一定程度上减小，同时对喷嘴出射水流的分散作用越显著，同时两侧爪间空隙也越大，两侧射流量增加，喷头水量可更多地喷洒向中远程。驱动板宽度不能过大或过小，宽度过小，导致喷嘴出射水流与挡板接触面积过小，喷头无法驱动；宽度过大，喷嘴出射水流冲击后分散严重，导致出射距离缩短。三角形挡板底宽决定着主射流的冲击面积，挡板底宽越小，主射流与挡板接触面积越小，驱动力也越小，同时三角挡板底宽也决定着两侧爪间间隙的出射水量。本文在前期研究的驱动板倾角设计经验以及摇臂式喷头设计经验的基础上，利用正交试验方法设计了9种“爪形”驱动板结构进行研究，因素水平和具体试验方案设计如表2 和表3 所示，试验中喷头工作压力为0.20 MPa。

表2 因素水平Tab.2 Level of factors in orthogonal experiments

表3 试验方案Tab.3 Orthogonal test scheme table

通过三维建模得到9 种不同结构参数的“爪形”驱动板。为节省试验成本，提高加工速度，副喷嘴和驱动板加工采用3D 打印，材料选用光敏树脂，材料强度与加工精度均满足试验要求。图5为“爪形”驱动板三维模型与实物示意图。

图5 “爪形”驱动板三维模型与实物示意图Fig.5 Three-dimensional model and physical image of "claw type"drive plate

2.3 正交试验设计

正交试验得到的9种不同结构“爪形”驱动板的射流脉冲喷头径向水量分布如图6 所示。可以看出，除试验8 外，其他8 组水量分布均呈现一高一低“双驼峰”分布，近处水量较少，“双驼峰”分布主要与射流脉冲喷头的脉冲出射和副喷嘴驱动板的结构设计有关。对于“爪形”驱动板，其“爪形”结构设计导致其与副喷嘴出射水流接触面积较小，因此偏转近处的水量较少，同时很大一部分水流会沿爪间间隙射向中程，进一步加剧近处水量的不足。随着驱动板倾角、三角驱动板底宽和驱动板长度的增加，驱动板与副喷嘴出射水流接触面积增加，近处水量有所增加，这说明对于“爪形”驱动板而言，驱动板倾角、三角形档板底宽和驱动板长度的增加有助于提高近处水量分布。近处的“水峰”主要是由于“爪间间隙”出射的水流引起的，由于中间三角形挡板对主射流的分散作用，导致“爪间间隙”出射水流破碎加剧，因此引起距离喷头5.0 m 左右处水量骤增。距离8.0～10.0 m 处的水量“凹峰”一方面是由于中间三角形挡板的分散左右引起射流破碎加剧，射程降低，无法给予水分补给；另一方面，主喷嘴的射流在8.0～10.0 m处的破碎分布也较少。综合作用导致喷头中程水量不足。对于距离喷头12.0 m 左右的水量“凸峰”其形成主要与射流脉冲喷头的脉冲出射相关，由于副喷嘴射程较近，此处水流骤增主要与主喷嘴的脉冲出射水流破碎分布特性有关。而对于射流脉冲喷头其主喷嘴射流出射存在2个状态：一是出口压力最大的情况，此时喷头射程最远；二是出口压力最小的情况，喷头在这个2 个状态下连续周期性切换，导致主喷嘴远端射流呈现“近”“远”交替喷洒的特点。因此引起距离喷头12.0 m 左右处水量的骤增；理论分析也与实际情况相符合，图6中各中远处水量“凸峰”基本相同，不受副喷嘴驱动板结构影响。

图6 安装不同“爪形”结构驱动板喷头水量分布Fig.6 Sprinkler water distribution diagram withinstallation of different"claw-type" structure

图6 中仅第1 组和第5 组近处水量分布较少，这主要是由于第1 组和第5 组的三角形挡板过小，造成偏转至近处的水流较少；而对于第9组，其三角形挡板底宽与第1和第5组相同，但其驱动板倾角和驱动板长度与宽度较大，一定程度上增加了射流偏转近处的水量；第8组近处水量分布最多，这主要是由于其驱动板倾角、三角形挡板底宽均较大，使射流偏转近处水量多。由于驱动板结构优化的主要目的是改善喷头径向水量分布，提高喷灌均匀度，因此对于驱动板的正交试验选择喷灌均匀度为评价指标，喷灌均匀度越高，性能越好。均匀度计算假设喷头按照常见的正方形布置形式，根据旋转喷头喷灌均匀度计算方法，采用MATLAB 软件编程，设置每隔0.01R（R为射程）组合间距计算一次喷灌均匀度，最后自动筛选出喷灌均匀度最大值。计算结果如表4所示，喷灌均匀度的变化范围为72.89%～82.10%，其中第8 组试验喷灌均匀度最高为82.10%，且除去第6 组，其他试验组喷灌均匀度均大于喷灌工程技术规范GB/T 50085-2007[26]规定的喷灌均匀度最低值75%。

表4 试验结果Tab.4 Test cases in orthogonal experime

可以看出，“爪形”驱动板的各结构因素对射流脉冲喷头喷灌度影响的主次顺序为DBAC，即三角形挡板底宽、驱动板长度、驱动板倾角、驱动板宽度；设计区间内最优结构为：三角形挡板底宽7 mm、驱动板长度18 mm、驱动板倾角14°、驱动板宽度11 mm。

2.4 “爪形”驱动板不同压力下水量分布对比试验

0.15～0.30 MPa 下的“爪形”驱动板的射流脉冲喷头以及摇臂式喷头径向水量分布如图7 所示。“爪形”新喷头在4 种进口压力下的水量分布均呈现“双驼峰”形状，且随着进口压力增加，驼峰逐渐变缓，这主要是由于随着进口压力的增加，射流在空中的集中性变差，破碎加剧，一定程度上减小了水量分布的差距。摇臂式喷头在不同进口压力下的径向水量分布整体呈近处水量少，中远处水量呈现类“三角形”。

图7 不同压力下喷头水量分布对比Fig.7 Comparison chart of water volume distribution of sprinklers under different pressures

2.5 喷灌均匀度

由图8 可以看出：在0.15～0.30 MPa 的进口压力下，安装“爪形”驱动板优化后射流脉冲喷头与摇臂式喷头的喷灌均匀度随着进口压力的增加，整体均呈现递增趋势；“爪形”新喷头喷灌均匀度变化范围为81.96%～90.81%，摇臂式喷头均匀度变化范围为73.08%～85.36%，“爪形”新喷头喷灌均匀度比摇臂式喷头高3.75%～12.15%。综合分析表明“爪形”驱动板结构设计较为合理，对喷头水力性能改善显著。

图8 不同喷头喷灌均匀度对比Fig.8 Comparison of the uniformity of sprinkler irrigation with different sprinklers

3 结 论

（1）正交试验结果表明，针对“爪形”驱动板，9组试验结果水量分布均呈“双驼峰”形状，喷灌均匀度变化范围72.89%～82.10%。

（2）各结构因素对喷灌均匀度影响的顺序为三角形挡板底宽、驱动板长度、驱动板倾角、驱动板宽度。驱动板倾角在14°～18°内变化时，角度为14°时均匀度最佳，均匀度随驱动板倾角增加呈先减后增趋势。驱动板长度在16～20 mm 内变化时，长度为18 mm时均匀度最佳，驱动板长度远离18 mm时均匀度均减小。驱动板宽度在9～11 mm 内变化时，宽度为11 mm 均匀度最佳，均匀度随驱动板宽度增加呈先减后增趋势。三角形档板底宽在3～7 mm 内变化时，底为7 mm 时均匀度最佳，均匀度随三角形挡板底宽的增加呈先减后增趋势。

（3）“爪形”驱动板各结构因素最优结构为：三角形挡板底宽7 mm、驱动板长度18 mm、驱动板倾角14°、驱动板宽度11 mm。

后续研究可以针对驱动板齿槽曲率半径和齿槽深度进行试验研究，探究驱动板齿槽曲率半径和齿槽深度对负压射流脉冲喷头性能的影响，同时正交试验结构优化方法具有一定的局限性，在后续的结构优化中可考虑采用神经网络、遗传算法等其他优化方法来进行喷头的结构优化。