本文關鍵詞：非旋轉低壓折射式噴頭水力性能理論研究及優(yōu)化設計　出處：《西北農林科技大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：本研究來源于“十二五”國家科技支撐計劃項目”不同類型水源節(jié)水灌溉技術和抗旱增產模式研究”(編號2015BAD22B01-02);科技部國際合作項目“提高旱區(qū)作物水分利用效率關鍵技術研究與應用”(編號2014DFG72150)隨著水資源日益短缺,推廣包括大型移動式噴灌在內的節(jié)水灌溉技術已成為緩解農業(yè)灌溉領域水資源危機的發(fā)展趨勢,目前大型移動式噴灌設備工作壓力普遍較高,且與之配套的噴頭正常工作壓力一般不低于100k Pa。為了降低能量的過度消耗,發(fā)展低壓移動式噴灌,開發(fā)與之配套的低能耗噴頭是未來發(fā)展的趨勢。本文以噴灌領域較為常見的非旋轉折射式噴頭為研究對象,通過試驗分析與理論計算的方法,分析了該噴頭的水力性能。針對該噴頭噴灌強度大的問題,對噴頭流道結構進行了優(yōu)化;針對單噴頭移動水量分布較差的問題,通過建立不同角度流道水量疊加理論,開發(fā)出新型低壓折射式噴頭,并對新開發(fā)的噴頭水力特性進行了分析。具體研究如下:(1)對Nelson D3000噴頭單流道水力性能進行了室內試驗,通過分析發(fā)現該噴頭噴灑出的水量和能量的擴散與噴頭的安裝高度和工作壓力等因素有關。提升安裝高度或者增大噴頭工作壓力,很大程度上加速了射流水舌的碎裂,使得噴灑的水量及能量擴散更為均勻。雖然高度提升會對峰值水量和峰值能量有一定的削弱作用,但是從水量和能量分布來看,單條流道噴灑出的水量和能量仍聚集在末端0.75倍的射程處,在實施噴灌過程中,對于某些噴灑點,在峰值水量和峰值能量過境時,較大的噴灌動能對作物和土壤的作用力較大,增大了打擊傷害的概率。因此為了降低水量和能量峰值對作物的打擊傷害,有必要開發(fā)出一種低壓力噴頭,并減小單流道峰值水量和能量過于集中的問題。(2)針對折射式噴頭水量分布模擬軟件較少的問題,基于彈道軌跡理論,在考慮有風時水滴運動蒸發(fā)條件下,以Java—Eclipse作為開發(fā)工具編寫出有風條件下適用于折射式噴頭的噴灌水量分布計算軟件。在模型求解過程中,通過回歸分析建立了不同壓力及噴嘴直徑下Nelson D3000型噴頭出流速度及角度模型,并基于折射式噴頭噴灑模型、彈道軌跡方程和水滴蒸發(fā)模型,編寫出了的噴灌水量分布的計算程序;該軟件在已知噴頭工作壓力、噴嘴直徑、噴頭安裝高度及環(huán)境條件條件下,可以計算出噴灑粒徑分布、單噴頭水量、能量分布及蒸發(fā)損失,并通過與實測值對比,驗證了該計算軟件的精準性。(3)為了改善現有的低壓折射式噴頭噴灑峰值水量過大的問題,需要開發(fā)出新型低壓折射式噴頭。在設計過程中,選擇了較為常見的矩形、Y形、V形,埡口形和五邊形5種流道出口截面形式的噴盤,通過對五種類型噴盤單條流道峰值水量和噴灑射程進行測試,以峰值水量最小、噴灑射程最大為優(yōu)選目標,甄選出Y形截面噴盤水力性能最優(yōu)。選擇Y型噴盤截面形式,以噴盤流道個數和流道出射角為設計因素,采用激光快速成型技術開打印出5種流道個數、5種出射角度(2因素5水平)共25個噴盤。通過對25種噴盤在不同工況下的水力性能試驗,建立了噴灑射程和峰值強度分別與流道角度、流道個數的函數模型,以最小峰值強度和最大噴灌射程為優(yōu)選目標,計算了噴盤最優(yōu)流道個數27個和最佳挑射角度為18.9°。并對低壓噴盤單流道水量峰值強度、噴灑射程進行了驗證試驗,結果顯示,峰值強度、噴灑射程的測量值與計算值差異性較小,表明建立的峰值強度模型和噴灑射程模型準確度較高,優(yōu)化的流道個數和挑射角度等參數較為合理,可以采用此參數開發(fā)工作壓力小于100k Pa的低壓噴頭。固定流道個數27個,挑射角度18.9°,采用等流道夾角設計的方法開發(fā)出一種噴盤,通過對該噴盤移動水量分布的試驗發(fā)現,任一工況下該噴頭水量在垂直于移動方向上的分布不均勻,應對該噴盤流道夾角進行進一步的優(yōu)化分析。(4)在對流道夾角的優(yōu)化過程中,以雨量筒收集的折射式噴頭單流道水量作為原始數據,建立基于單流道水量分布數據的移動式單噴頭移動水量分布計算方法,以不同流道夾角下單流道水量在垂直于噴灌機行走方向上的投影分布進行累加,計算出單噴頭在垂直于行走方向的水量分布。根據折射式噴頭不同流道噴灑水量累積理論,采用Java—Eclipse作為開發(fā)工具開發(fā)了折射式噴頭設計程序,并采用該軟件,結合優(yōu)化出的流道水量分布數據,以移動單噴頭水量呈三角形分布為設計目標,通過試算的方法,計算出噴頭27條流道的最佳布置角度,27條流道設計角度分別為24°、35°、46°、57°、68°、79°、90°、101°、112°、123°、134°、145°、156°、191°、202°、220°、240°、252°、264°、276°、288°、300°、320°、338°、349°和360°。并采用激光快速成型的方法制作出了噴頭樣件,并通過室內試驗測得了移動條件下噴頭單側水量分布特性,通過與計算值的對比,發(fā)現新開發(fā)出的噴頭水量分布形式與預期基本相符,該噴頭可裝配在移動式噴灌設備上實施噴灌作業(yè)。(5)為了測試新型低壓噴頭其他的性能參數,通過室內試驗,測定了不同安裝高度下該單噴頭的水滴粒徑分布范圍、峰值噴灌強度以及噴灑射程,并與Nelson D3000噴頭進行對比。結果顯示,任意工況下,新型噴頭噴灑的水滴直徑普遍小于Nelson D3000型噴頭,峰值噴灌強度較低,噴灑射程較大,采用該噴頭實施低壓噴灌作業(yè)時,一定程度上會降低噴灌水滴對作物和土壤的打擊傷害概率,減小土壤侵蝕。采用開發(fā)出的折射式噴頭水量分布與均勻度計算軟件,對有風條件下設計的噴頭和Nelson噴頭的組合噴灌均勻度進行了模擬,與Nelson噴頭相比,新設計的噴頭在低壓下組合噴灌均勻度相對Nelson噴頭較優(yōu)。從計算出的蒸發(fā)漂移損失結果來看,由于設計噴頭水滴碎裂較為充分,霧化度較高,噴頭噴灑出的小粒徑水滴很容易受風的影響,吹離目標噴灑區(qū)域,產生漂移損失,導致不同安裝高度下設計噴頭的蒸發(fā)漂移損失均普遍高于Nelson噴頭。由于設計噴頭抗風性能相對Nelson噴頭較弱,因此在選擇新設計的噴頭實施噴灌作業(yè)時,應盡量避開有風的天氣。
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S277.94

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本文編號：1328323