养殖肥水喷灌条件下摇臂式喷头水力性能研究

【目的】研究不同喷灌介质对喷头水力性能的影响。【方法】以20PY2H摇臂式喷头为研究对象,在不同工作压力下测定了清水和养殖肥水2种喷灌介质对喷头压力-流量、喷头水量分布的影响。通过模拟计算和田间喷灌试验分析相结合的方法,探查喷灌介质、工作压力、组合间距、田间气象条件与喷灌均匀性之间的关系。【结果】(1)与清水灌溉相比,养殖肥水运行下喷头流量降低了2.06%~5.38%,射程前中段径向水量分布差异较大;(2)工作压力为200~300k Pa、组合间距为1.0R~1.4R条件下,MATLAB拟合出的CU模拟值为0.74~0.88,CU试验值为0.66~0.79。复杂的大田气象条件导致喷灌均匀系数下降了6.28%~12.78%。工作压力、喷头组合间距对清水运行喷灌均匀性的影响大于养殖肥水运行。【结论】养殖肥水喷灌更利于喷灌系统降低工作压力和增加喷头布置间距以降低设计成本。

六方(四方)形摇臂式喷头喷洒效果分析(三)

介绍了利用MATLAB软件 ,采用解析算法编制程序对六方 (四方 )形摇臂式喷头单喷头喷洒实验数据进行的分析处理 ,以及对该型喷头不同形式喷灌组合的喷灌效果进行的分析 。

六方(四方)型摇臂式喷头(一)

本文介绍了六方(四方)型摇臂式喷头的发明思路、初试结果与评价,指出了开发六方(四方)型摇臂式喷头的必要性与可能性,规定了具体的性能指标,指出了今后拟重点开发的结构方案。

摇臂式喷头组合喷洒均匀性的改进

该文针对摇臂式喷头副喷嘴为圆形,径向水量分布中部较高不利于组合的问题,根据水射流原理,设计出一种新型结构的副喷嘴,其上端设有盖板,起到阻挡水流的作用,使副喷嘴水流射出后主要分散在近处,从而有利于提高组合喷洒的均匀性。分别对15PY、20PY、30PY摇臂式喷头副喷嘴改进前后的水量分布进行了对比试验,同时,以正方形布置方式为例,计算出不同组合间距下的喷洒匀性系数。结果表明:副喷嘴的改进消除了改进前喷头中间部分水量,使径向水量分布呈"三角形"。改进副喷嘴后提高了均匀性系数,不同组合间距下的值均为80%以上,平均喷灌强度符合喷灌规范中的要求。最后,提出副喷嘴改进后15PY,20PY,30PY摇臂式喷头的最佳组合间距分别为1.2R,1.3R,1.1R,计算出组合均匀性系数值分别为85.6%,86.3%,85.3%。改进后的副喷嘴对喷洒均匀性有较好的改善作用。

我国摇臂式喷头的研究与发展

综述了国内外摇臂式喷头的发展历程和未来趋势,详细分析了近期摇臂式喷头的新型结构与适用特点,结合我国实际情况论述了我国在摇臂式喷头的研究与生产中存在的研究手段单一、研究力量单薄、企业缺乏产业化等问题,提出要应用新发展的计算流体动力学(CFD)、计算结构动力学(CSD)和粒子成像速度场仪(PIV)等技术进行喷头基础理论研究,加强联合攻关,建立质量监督体系等发展摇臂式喷头的对策和建议。

摇臂式喷头副喷嘴仰角及位置参数的优化

摇臂式喷头副喷嘴的主要作用是增加喷头近处的喷水量，从而提高喷头的喷灌均匀度，因此对摇臂式喷头副喷嘴的研究具有重要意义。该文采用流场模拟和试验相结合的方法对摇臂式喷头的副喷嘴结构参数进行了优化设计。首先采用逆向工程的设计方法，运用Pro/E建立了摇臂式喷头的三维结构，选择副喷嘴的仰角和位置为待优化参数，设计出9种副喷嘴结构的摇臂式喷头。运用Pro/E和HyperMesh软件建立了9种副喷嘴结构摇臂式喷头的三维内流道模型，利用CFD软件FLUENT对9种喷头的内流道进行三维模拟，运用快速成型技术加工出喷头样品进行试验验证，在矩形组合方式下运用4种插值方法（距离插值法、线性插值法、立方插值法和三次样条插值法）计算喷灌组合均匀度，并且利用Sprinkler3D 软件通过二维插值的方法建立了9种喷头的压力水量分布模型，对喷头喷洒均匀性进行评价。结果表明，6号喷头（副喷嘴位置参数为19.8 mm、仰角参数为18°）的模拟流量和速率较大，试验水量分布在2～12 m之间能够保持较好均匀性，且射程达到14 m以上，喷灌均匀度在压力为250和300 kPa下都达到80%以上。因此，副喷嘴位置参数19.8 mm、仰角参数18°为摇臂式喷头副喷嘴的最佳结构参数。该研究为摇臂式喷头结构设计和喷灌系统优化等提供参考。

摇臂式喷头内流道流动分析与数值模拟

应用CFD通用软件Fluent模拟了PY140型摇臂式喷头的内流道在安装两种常用稳流器和不安装稳流器情况下的三维黏性流场,分析了三种稳流器情况下喷头流量、内流道静压力分布以及出口断面平均湍动能随进口工作压力的变化规律,并进行了试验验证。研究结果表明不同进口工作压力下喷头流量的计算值要高于实测值约11%,但两者的变化趋势非常一致。喷头安装稳流器有助于消除内流道中的涡流和横向流,降低喷头出口湍动能值,但在一定程度会增加内流道阻力损失,影响喷头的过流能力。此外,常用的90°出口扩散角的圆锥形喷嘴容易在喷嘴出口附近产生逆流。数值模拟和试验表明,减少喷嘴出口扩散角可改善喷嘴出口流态,提高喷头流量。

摇臂式喷头与全射流喷头水滴分布对比试验

摇臂式喷头(impact sprinkler,PY)出口流体为单相水,全射流喷头(complete fluidic sprinkler,PXH)出口流体为气液两相流,为了深入探索2种类型喷头水滴分布的存在规律及差别,该文采用激光雨滴谱仪测量技术对PY及PXH喷头的水滴分布进行试验研究,采用体积加权法分析了这2种喷头在工作压力为150、200、250、300和350 k Pa情况下,距喷头不同距离处的水滴频率分布、水滴累计频率及中数直径的变化规律。结果表明:1)PXH喷头水滴频率普遍小于PY喷头。PXH喷头和PY喷头水滴频率分布分别符合对数正态分布和正态分布;2)PXH喷头水滴累计频率变化更加均匀,2种喷头的水滴直径分布均符合指数函数分布规律,在距离喷头距离较小时,PXH喷头比PY喷头的拟合精度更高,在距喷头距离为4 m下,PXH喷头拟合函数的R2值较PY喷头高3.5%;3)在低压条件下距喷头不同距离时,PXH喷头的水滴分布更加连续及均匀。建立了2种喷头中数直径与工作压力及距喷头距离的函数。该结果完善了多类型喷头喷洒水力学特性,对研究射流运动模型及喷洒的外特性提供了参考。

基于LPM的摇臂式喷头水滴分布试验研究

为了研究旋转式喷头水滴直径、速度及动能的分布规律,采用激光雨滴谱仪(Laser Precipitation Monitor,LPM)对3026B型摇臂式喷头分别在0.15,0.20,0.25,0.30,0.35 MPa这5种工作压力下进行了室内无风水滴分布试验,并根据最小二乘法原理建立了水滴分布数学模型.试验结果表明:3026B型摇臂式喷头的喷洒水滴直径与喷头距离之间总体上呈指数函数分布;直径为1~3 mm的水滴在5种压力下占整个喷洒区域的频率分别为56.80%,64.35%,72.14%,61.72%,40.17%;距喷头不同距离的水滴累积频率曲线斜率随着压力的增加逐渐减小;水滴速度与直径呈对数函数分布;水滴动能与喷头距离呈指数函数分布,其相关系数在0.800以上.压力对近处水滴直径、速度及动能的分布规律影响较小,对远处的影响较大.

弹尾形稳流器对摇臂式喷头内流道水力性能影响

对PY140型摇臂式喷头在不同的弹尾形稳流器与喷嘴直径组合工况下进行了喷头内流道水力性能试验。结果表明:喷头内流道阻力损失与喷嘴直径、稳流器长度及进口工作压力呈正比,并建立了回归模型;喷管段产生的阻力损失与喷头内流道阻力损失之比的平均值为0.666;当进口工作压力一定时,喷嘴工作压力与喷嘴直径、稳流器长度呈反比,喷头流量的最大相对误差为4.7%;锥角为40°的圆锥形喷嘴流量系数算术平均值是0.928。

隙控式全射流喷头性能特点及与摇臂式喷头的比较研究

研制了一种新型旋转式喷头——隙控式全射流喷头,介绍了其结构形式及工作原理。首次对二种PX 10型号的全射流喷头及一种PY 210摇臂式喷头的水力性能进行了对比试验及分析。研究表明:隙控式全射流喷头的流量大于试验用PY 2摇臂式喷头8%左右,射程比摇臂式喷头的射程明显加大,最大增幅达到31%。全射流喷头水量分布均匀性与摇臂式喷头相当,但末端雨滴直径小于摇臂式喷头。由于其独特的射流元件及反向机构,全射流喷头结构简单,性能优良,价格低廉,具有显著的节能效果及良好的市场前景。

全射流喷头与摇臂式喷头的对比实验

提出臂式喷头和全射流喷头的计算公式,通过实验对比它们的参数。结果表明,全射流喷头步进角度和步进频率主要由导管长度决定,导管越长则步进角度越大,步进频率越小。对于臂式喷头,它的步进角度和步进频率的可改变幅度不大,因此全射流喷头具有一定优越性。提出了全射流喷头步进角度与管长之间的关系式,左右压差与导管长度和工作压力的经验公式。

低压条件下PY_115型摇臂式喷头水力性能试验

针对喷头在低压条件下工作时水力性能较差的问题,提出采用异形喷嘴降低水滴打击强度并改善喷洒均匀性的方法。选取PY115型摇臂式喷头为研究对象,设计了3套改进喷嘴的方案,在出口喷嘴上增加了1、2、3个凹槽,凹槽的尺寸均为宽0.5 mm,高0.3 mm,位置分别在出口喷嘴下方和左右两侧。在工作压力为200 kPa下进行了试验测量,同时在正方形组合间距为13～18 m时,采用Matlab语言编制程序对其进行了仿真计算。试验和计算结果表明:在低压条件工作时,随着凹槽数量的增多,流量增大,射程缩短8.1%～9.4%,末端水滴直径降低系数为2.9%～6.8%,平均喷灌强度增大并均符合规范要求。增加凹槽有利于提高组合均匀系数,出口喷嘴增加3个凹槽时效果最佳,组合均匀系数最高超过90%,证明了所设计异形喷嘴方案的可行性。

SR100垂直摇臂式喷头摇臂有限元分析

针对垂直摇臂式喷头导流器几何结构及运动特性,研究了摇臂在运动过程中的受力及约束情况,并结合动力学理论计算公式,计算和分析了喷头在运动过程中载荷大小和约束情况.采用ANSYS Workbench软件,建立摇臂三维模型,对摇臂进行有限元模态分析、静力学分析及疲劳可靠性分析.通过有限元模态分析,得出各阶模态下摇臂的固有频率和振型,该摇臂的各阶振型主要表现为弯曲、扭曲及局部变形;当摇臂的工作频率小于41.785 Hz时,其振动以一阶振型为主.通过静力分析得出摇臂的应力分布情况,发现在摇臂安装导流器处存在较大的应力分布;通过对摇臂的疲劳分析,发现摇臂各部位安全系数差别很大,其最小值位于摇臂前端,为1.229 1,长期工作此处易发生裂纹或断裂.为提高摇臂的工作稳定性与可靠性,可以通过加强薄弱部位设计,或改进局部结构、提高材料的力学性能来实现.

全圆旋转摇臂式喷头的非圆形域喷洒

喷头的射程及其变化规律决定喷洒域的大小和形状,而喷嘴前的水流压力和喷嘴直径则是影响喷头射程的主要因素。在分析喷嘴前水流压力与喷头出流量关系、喷头射程与喷头出水流量之间的关系的基础上,提出了在喷头座的下端增加一个流量调节附加装置可实现全圆旋转摇臂式喷头的非圆形域喷洒方案。采用具有“十”字孔结构的流量调节器,十字孔的宽度为πd嘴/4,长度为5πd嘴/8,可实现方形喷洒。

垂直摇臂式喷头导流器的流固耦合分析

以垂直摇臂式喷头的导流器为研究对象,对导流器从水射流中获取的驱动力进行理论分析和试验测量.基于流固耦合原理,初步建立了垂直摇臂式喷头导流器驱动力数值模拟计算模型,并通过试验结果验证数值模拟结果的准确性.将流场计算结果加载到导流器固体域上,对导流器进行了力学分析和模态分析.结果表明:模拟得到的导流器从水射流中获取的驱动力值与试验值的最大偏差为15.98%,但随着压力的升高,偏差值逐渐降低;通过力学分析得到导流器在受水射流冲击时的变形主要分布在弯曲叶片部分;通过有限元模态分析,得到导流器前6阶模态的固有频率和振形,当导流器的工作频率小于122.6 Hz时,其振动以一阶振形为主.为了提高导流器的工作稳定性与可靠性,可以通过改进局部结构或提高材料的力学性能实现.

摇臂式喷头喷嘴结构改进及水力性能试验研究

为了降低摇臂式喷头在工程应用中的运行成本、提高喷灌质量,本文针对8034D摇臂式喷头主、副喷嘴结构进行了优化改进,并研究了喷嘴结构改进后对喷头流量、径向水量分布和组合喷灌均匀度的影响。结果表明,主喷嘴内腔锥度角对喷头流量的影响呈显著水平,内腔锥度角越大,喷头流量越小;当工作压力相同时,改进副喷嘴结构对喷头流量的影响不大。随着测点与喷头水平距离的逐渐增加,不同内腔锥度角和圆柱段长度下的径向喷灌强度均呈递减趋势。组合2(1 mm#54°主喷嘴与改进后副喷嘴组合)在4种组合方式中的喷灌均匀性较好,其在喷头正方形布置下7种组合间距(12 m×12 m～18 m×18 m)时的平均喷灌均匀系数为87.8%,其中17 m×17 m时的喷灌均匀系数峰值达到89.3%。综合考虑喷灌质量和经济性两方面,在实际工程设计时,建议8034D摇臂式喷头主、副喷嘴的组合方式优先选用组合2,喷头工作压力设置为250 kPa,且组合间距以17 m×17 m为宜。

施肥浓度对摇臂式喷头喷灌施肥均匀性的影响

为了研究施肥浓度对喷灌施肥均匀性的影响规律,选用摇臂式喷头10PY2H,测量其喷灌施肥时肥液体积、施肥浓度、施肥量3种参数的径向分布.试验中,氯化钾溶液质量浓度(即母液浓度)分别为0,20,35,50,65,80 g/L.采用叠加法计算组合喷洒时3种施肥参数的均匀度CU、分布均匀度DU和统计均匀度Us.分析表明施肥浓度对摇臂式喷头的灌水施肥影响呈现非线性特点.增加母液浓度对肥液体积分布和施肥浓度分布均匀性的影响相对较小,但对施肥量分布均匀性的影响十分显著.组合喷灌加剧了不同测点的数值差异.随着母液浓度增大,施肥量径向分布变化增大,当母液质量浓度增大到80 g/L时,施肥量主要集中在20%~60%射程处,导致施肥均匀性急剧下降;当母液质量浓度小于等于35 g/L时,远端90%~100%射程处的施肥浓度相对更高,与前人得出的滴灌施肥系统施肥浓度沿管道方向递减的规律相反.3个评价指标中,均匀度CU数值最高,分布均匀度DU总体数值最低、变化最大,且以DU变化最为明显,这说明了DU能反映低值区的施肥情况.喷灌施肥等值线图表明肥液与施肥量的分布规律相似,但施肥浓度的分布情况则相反,这可能与射程远端施肥浓度更大有关.

方形喷洒域摇臂式喷头喷洒机理分析

对方形喷洒域摇臂式喷头的喷洒机理进行了深入分析。应用有关射程公式得出了方形喷洒域摇臂式喷头的理论和修正压力转角关系曲线 ,将该关系曲线应用于 ZY 1型方形喷洒域摇臂式喷头的设计中 ,进行了实际场地喷洒试验。结果表明 ,该方形喷洒域摇臂式喷头的实际压力转角关系曲线与修正压力转角关系曲线吻合得较好。

方形喷洒域摇臂式喷头流道优化及内部流场数值仿真研究

针对圆形喷洒域摇臂式喷头喷洒重叠多和超喷漏喷普遍,现行方形喷洒域摇臂式喷头机构复杂、旋转能耗大、局部水头损失大、喷洒形状与标准正方形偏差大等问题,该文通过对流量调节器喉口断面菱形化和流道流线化,对方形喷洒域摇臂式喷头流量调节器的形体进行优化,减少了不利的水头损失,实现了精准方形喷洒的目标。根据水动力学的能量方程及动量方程推出了流量调节器局部水头损失的计算公式;并运用三维软件Pro/E建立流量调节器及喷头的三维内流道几何模型,利用CFD软件建立其流体力学RNG k-ε湍流数值模型,对流量调节器及喷头的内流场进行数值模拟,获得了压强、流速的动态分布规律,进而求得优化前后方形喷洒域喷头不同旋转姿态时的水头损失及流量,结合同型号喷头的出口流量与射程关系计算出优化前后的射程,进而对优化前后方形喷洒域喷头不同旋转姿态时的水头损失、流量、射程及喷洒形状等性能进行全面评价,验证方形喷洒域摇臂式喷头流道优化成果的可靠性。结果表明:优化后的方形喷洒域摇臂式喷头结构简单、水力自控、节能耐久、喷洒形状标准、水头损失小;在额定工作压力范围内优化后的摇臂式喷头水头损失降低25.8%,流量增大12.87%,喷洒形状系数提高15.6个百分点,为方形喷洒域摇臂式喷头的设计制造及应用推广提供理论参考。