第五节　变量喷洒喷头

一、概述

喷灌系统中，通过机械方式实现变量喷洒主要体现在通过喷头来实现变量，我国在20世纪90年代才开始这方面的研究［41］。

1.喷头出口增设挡水装置实现变量喷洒

1997年，王振海［42］开发的喷头，将翘起的限水片固定在喷头下方竖管上，喷头喷水时，限水片翘起，使水流改变方向，实现各种形状喷洒域。1998年，王云中［43］也开发出了一种固定挡水器的方形喷洒域喷头。这种喷头在喷嘴出水口四周设有方形挡板，喷出的水流为方形，喷头结构简单，属于固定式喷头。2003年，吴普特［44］等人发明了自动调节射程的摇臂式喷头，在原摇臂式喷头的螺纹接口底座上固定设置一个锥形齿轮盘，随着喷头的转动，锥形齿轮上安装的叶片相对喷头旋转，不同长度的叶片周期性地伸入和退出喷洒出来的水流，从而达到喷头射程自动调节的目的。2003年，韩文霆［45］等人发明另一种在原摇臂式喷头的基座上安装有凸轮盘，凸轮传动过程中，喷嘴前方的碎水螺钉随着喷头转动而上下移动，以改变喷头射程。

2.改变喷头进口压力实现变量喷洒

2000年，王正中［46］等人在原有摇臂式喷头上设计一种流量调节装置改变流量和射程，实现各种形状喷洒域和变量喷洒，但该喷头转动的灵活性较差。2001年，郝培业［47］等人研制了三种安装在摇臂式喷头上的流量调节器，通过设计T形孔来调节喷头压力，以达到射程的周期性变化。2001年，冯浩［48］等人研制了在喷头进水口加装一定形状的截流片或截流阀，通过周期性地改变喷头过水断面的面积，进而改变流量和射程，实现非圆形喷洒域的目的。加装截流阀就是在喷头进水口处增设一个蝶形阀，在喷头转动过程中，通过齿轮机构带动蝶形阀的开度，周期性改变过流断面，实现变量喷洒。2003年，韩文霆［49］采用了进口相对运动的动静片的方法改变截流面积，实现射程的改变。

3.改变喷头仰角实现变量喷洒

2001年，王飞［50］等人研制了一种仰角自动调节器。该喷头是采用中空万向节结构的球铰螺纹管接头，安装在原有摇臂式喷头进水口处，使喷头体与给水竖管的夹角随喷头转动而变化，从而实现喷头仰角和射程的自动调节。2006年，黄修桥［51］等人研制了在摇臂式喷头的空心轴与喷体之间采用可活动的铰接，实现对喷头仰角的调节，但要先设定后锁定使用，不能自动调节。

4.改变喷头运动轨迹实现变量喷洒

1999年，孟秦倩［52］等提出变圆心法的思想。变圆心法是通过采用双圆周复合运动曲线的原理，使喷头在自转的同时，绕水竖管公转，两种运动曲线复合便可得近似方形运动曲线，从而达到非圆形喷洒域喷洒的目的，但所需的水平转管长度较长，转动时需要较大的动力。2004年，丁献州［53］发明了一种变射程全自动节水灌溉喷头。该喷头在水管接头上设有调节盘，采用更换不同的调节盘来实现不同形状的喷洒域。该机构的调节盘需要按照各个不同形状的喷洒域设定。

由上可知，国内对变量喷洒喷头的研究主要从以下几个方面实现，固定式喷头前加挡水器、改变喷头进口截流面积、采用铰接改变喷头仰角、增设外围机构调节喷头出口碎水结构等。采用的各种方法中，除固定喷头以外，旋转喷头均以摇臂式喷头为基础，改变摇臂式喷头结构。国内的这些方法中，改变进口截流面积的方法相对简单，对该方法的研究主要为西北农林科技大学的韩文霆等人。但该研究没有形成稳定可靠的产品，其结构尚需改进，压力调节装置的设计方法还没有建立。

国外在变量喷洒喷头方面的研究始于20世纪20年代。1920年，新西兰的Donald［54］研制出了一种能够实现仰角和流量的自动调节喷头。喷头采用叶轮驱动和蜗轮蜗杆传动，喷嘴相对于喷头可以上下活动，从而改变喷头仰角。铰链处的流量调节器可以调节喷头流量，可使喷头单位喷洒面积上的喷水量基本保持一致，从而实现喷洒量和喷洒域同步可控。但该喷头结构复杂，成本较高。1976年，美国的Robert［55］研制出了一种反作用式喷头能够同时调节喷头的仰角和转速。喷头依靠喷洒水流的反作用力驱动喷头。采用转子式油泵调节喷头转速，通过仿形拨指控制喷头仰角，实现喷洒量和喷洒域同步可控，但该喷头对油泵室密封性要求特别高。1952年，美国的James［56］研制出了一种挡水器转速可调的反作用式喷头，驱动力为水流对挡水器的反作用力，仿形圆盘控制挡水器，挡水器的挡水面积和水流对挡水器的作用力控制喷头转速。挡水器上下移动时，喷头射程和转速同时改变，从而达到了喷洒量和喷洒域同步可控的目的，但该喷头转动均匀性会受到影响。1953年，Aldo［57］研制出一种自动挡水器及传动装置，该机构安装在摇臂式喷头上，实现喷洒域可控，结构简单。1981年，美国的Benjamin［58］研制出了一种自动挡水器转速可调的叶轮驱动式喷头，喷头的旋转采用水力驱动叶轮转动为动力，并通过齿轮传动。喷头挡水器和转速调节装置运动的控制部件是仿形内齿圈，传动部件为齿轮和连杆混合形式。不同地块形状采用不同的仿形内齿圈，偏心齿轮通过转杆控制挡水器相对喷嘴上下移动，同时控制喷头转速，实现喷洒量和喷洒域同步可控。喷洒射程的长短比是由齿轮传动比决定的，射程变化可精确控制。1966年，美国的Edwin［59］等人研制出了一种双速喷头，通过一系列齿轮传动和一定的变换机构，实现喷头的变速。但这种喷头只能实现喷洒量可控，不能实现喷洒域可控。2000年，美国的Ohayon［60］在摇臂式喷头进口处安装柱塞形式的流量调节阀，实现了流量和压力自动调节。

国外已经在摇臂式喷头、反作用式喷头、叶轮式喷头和地埋式喷头等方面实现了变量喷洒，他们研制的喷头运行可靠，但因其结构复杂，操作困难，且成本较高，因而有待进一步改进。我国在变量喷洒技术方面较落后，喷头种类和功能也较少，目前仅在摇臂式喷头上研究了变量喷洒的实现方法。因此，研究运行可靠且结构简单的变量喷洒喷头具有重要使用价值。旋转式变量喷洒喷头一般都是通过在原有喷头主体结构上增设流量和射程调节装置来实现的，目前关于喷头流量和射程装置的研究主要集中在结构形式的设计上，对其结构参数和性能参数之间关系的理论研究和试验分析较少［61，62］。

二、变量喷洒理论及实现方法

（一）变量喷洒喷头工作参数关系方程

传统旋转式喷头喷洒过程为全圆喷洒，如图2-67所示。

O处为喷头位置，喷头由x轴向y轴旋转过程中，转过θ角度时喷头扫过的喷洒面积为［63］

影响喷头流量的主要因素是工作压力和喷嘴直径的大小，对于同一喷嘴来说，工作压力越大，喷头流量也越大，反之亦然。对一具体的喷头而言，其结构参数已定，工作时，其射程主要受工作压力、风速大小和转速的影响。在一定的工作压力范围内，压力增加只会提高雾化程度，而射程不会再增加。

将式（2-76）代入到平均喷灌强度计算公式中，得到喷头流量、射程的变化关系，即喷头工作时的工作方程为

在给定的喷灌系统中，根据作物的需求有一定的喷灌水量，所以设为定值。在喷头的工作范围内，流量的变化对转速的影响并不大，由上式得到流量与射程关系：Q1/Q2＝其中Q1，Q2和R1，R2分别为两种不同情况下的流量与射程值。

（二）实现变量喷洒理论分析

1．正方形和三角形喷洒域边界方程

在工程应用喷头组合喷灌中，喷头的布置方式有很多种［64］。其中按管道的布置形式及喷头的控制面积来说，单喷头的喷洒域为正方形和三角形有利于提高喷洒的水利用率及均匀性，喷洒的重喷、超喷和界外喷现象会明显降低。喷头正方形布置和三角形布置时，正方形和三角形喷洒域的控制面积比全圆喷洒有所减小，但从精准灌溉角度来说，喷洒的重叠率、超喷率明显减小，可见研究全射流喷头实现正方形和三角形喷洒域是有必要的，因此对实现正方形和三角形喷洒的理论参数变化规律进行研究具有重要的意义。

喷头实现方形喷洒时，其喷洒域的形状如图2-68所示，喷头处于正方形中心O位置，设OA＝R0＝1，OB＝R。喷头在旋转过程中射程在4个周期内变化，由OA到OB转过角度α，射程逐渐减小，一个圆周内射程出现4个峰值。在最大值处射程变化较快，在最小值附近射程变化较慢。

由图2-68可得出正方形的边界函数：

在一个圆周内，正方形区域的边界为该方程的解。喷头实现三角形喷洒时，其喷洒域如图2-69所示，喷头处于三角形中心O位置，射程呈3个周期变化，出现3个峰值，三角形喷洒域的射程变化幅度比正方形喷洒大。设OA＝R0＝1，OB＝R。

由图2-69可得出三角形边界函数为

三角形区域的边界为该方程的解。

2．流量与射程参数变化关系

流量与射程有着直接的关系，流量越大，射程也就越大，由射程的变化要求可得到流量的变化规律。MATLAB语言［65］具有强大的图形处理功能，采用MATLAB语言对正方形和三角形射程进行仿真，可使射程及其他的参数关系更加直观。设射程的最大值为1，通过MATLAB软件编程得到极坐标和直角坐标下正方形和三角形的射程变化曲线如图2-70所示。

最大射程设为1，对射程进行当量处理。由图2-70可以看出最大射程出现的次数即为变化的周期，三角形变化的幅度比较大。由射程与流量关系式Q1/Q2＝R21/R22，得到在正方形、三角形射程下对应的理论流量曲线如图2-71所示。

3．压力与截面积参数变化关系

喷头射程影响因素有很多［66］，在工作范围内，压力对射程的影响效果最为显著。因此若达到正方形和三角形域射程的变化，可通过对喷头进口压力的调节来改变。通过试验找出压力与射程的关系，及压力与喷头进口截面积的关系，便可以得到实现射程变化下的压力及进口截面积的变化规律。

三、变量喷洒喷头结构设计

全射流喷头是一种新型的节水节能灌溉喷头，结构简单，性能优秀，具有较好的应用前景。同时，传统的摇臂式喷头在市场上应用广泛。因此，在借鉴前人研究工作的基础上［67］，以压力流量调节装置为基础，选用全射流喷头和摇臂式喷头为代表，对其实现变量喷洒进行结构设计及优化。喷头进口处增设压力流量调节装置，使喷头进口处压力发生改变，实现变量喷洒。

（一）全射流变量喷洒喷头

全射流喷头实现变量喷洒所采用的方法是，在全射流喷头转体处加装压力流量调节装置，喷头动、静片相对运动中进口截面积发生改变，从而改变喷头的进口工作压力，因此改变了喷洒的射程［68］。变量喷洒全射流喷头（BPXH）装配图及产品样机分别如图2-72及图2-73所示。

（二）异型喷嘴摇臂变量喷洒喷头

摇臂式喷头使用广泛，因此，在摇臂式喷头的基础上，分别采用异型喷嘴和自动可调喷嘴与进口处的压力调节装置配合，在压力调节装置实现了变量的同时，改善喷洒的均匀性，获得更好的水力性能。

设计异型喷嘴代替传统摇臂式喷头的圆形喷嘴，目的为解决变量喷洒在小射程、低压情况下水射流分散不均匀问题，改善单喷头水量分布，提高喷洒均匀性。

喷嘴是喷头的一个重要部件，直接影响喷灌质量和喷灌水力性能。它不但要最大限度地把水流压能转变为动能，而且要保持经稳流器整流过的水流仍具有较低的湍流程度，至少不应产生大量的横向水流。所以，确定适宜的喷嘴形式和喷嘴最优尺寸是设计异形喷嘴的主要目的。

异形喷嘴即非圆形喷嘴是国内外近年来开始使用的一种新型喷嘴，它具有改善喷头雾化状况和单喷头水量分布等优点。异形喷嘴的概念最早是由美国雨鸟公司提出的，称之为“控制雨滴直径的喷嘴”（Control Droplet Size Nozzle）［69］。他们通过研究得出，通过合理地选择喷嘴的几何形状，可以使喷头的工作压力大大降低，最高达50%，且雾化程度有显著的提高，但不可避免地会引起射程的降低。

按照异形喷嘴与圆形喷嘴面积相同的原则确定异形喷嘴的尺寸，针对PY2 30型喷头，设计了四种异形喷嘴结构形式，如图2-74所示，其中星形结构又有三种不同尺寸。喷嘴出口圆形段保证主射流流动，尽量减小射程的损失。非圆形等部位主要使水流分散在近处，改善喷洒均匀性。

射程与水流从喷嘴射出时的动能有关。动能的计算式为

由

可得

从式（2-85）可以看出，在压力和喷嘴面积一定的条件下，动能W与流量系数μ成正比。因此要保证喷头的射程，需要选择流量系数较大的异形喷嘴。

（三）喷嘴自动可调摇臂变量喷洒喷头

喷嘴自动可调摇臂变量喷头是另一种摇臂式喷头实现变量喷洒的新结构，如图2-75所示，由进口压力调节装置、出口压力自动调节机构、摇臂式喷头组成。工作原理为：喷头转动工作时，安装在喷头转体内的进口压力调节装置改变喷头的射程。水流流经出口自动调节机构时，挡水板自动调节喷嘴出口面积，改善喷头低压小射程时水流的分散情况，进而改善喷洒水量分布。喷嘴自动调节摇臂变量喷头（BPY）样机如图2-76所示。

图2-77为出口压力自动调节机构示意图，出口压力自动调节机构由空心螺钉、弹簧、挡水板和出口流道组成，与喷头出口喷管连接。挡水板一端用旋转轴固定安装在流道中，初始位置及变化规律可通过置于空心螺钉中的弹簧来调节。工作时，挡水板位置随来流压力发生变化，喷嘴出口面积发生变化。来流压力大，出口面积大；来流压力小，出口面积小，从而自动改变喷洒均匀性。通过出口流道的优化设计，以及弹簧预紧力及弹性模量的设计，可以使出口面积按要求的规律变化。

四、变量喷洒喷头设计方法

对于变量喷洒喷头，压力调节装置的设计有很多种，在灌溉系统中应用较为广泛，例如：刘晓丽等［70］对滴灌系统压力调节器对水力性能影响进行了试验研究。田金霞等［71］对微灌压力调节器参数对出口预置压力影响进行了研究。但目前对压力调节装置的研究主要以参数对性能的影响为主［72-74］。这些研究还没有形成一套设计方法，将压力调节装置系列化及标准化。因此对变量喷洒喷头压力调节装置关键水力尺寸进行设计，提出一套实用的设计方法具有很重要的意义。本书根据大量设计及试验，初步总结出压力调节装置实现任意形状的设计方法。其设计的步骤路线图如图2-78所示。设计步骤如下：

1.确定喷头的型号

对于喷头压力调节装置的设计，是在喷头的进口处加装压力流量调节装置，因此进口的尺寸非常重要，一般喷头的进口直径根据喷头的型号而定，进口直径设为D，例如PXH30喷头，D＝30mm。

2.确定喷头进口动静片的外圆尺寸

动片与空心轴压配，其动片的外圆尺寸应根据空心轴的尺寸而定，设为Dd。同理，静片固定在下转体，其连接尺寸，设为Dj。因为静片与转体螺纹连接，静片的外圆为螺纹。

3.确定最大截面尺寸

喷头进口截面积的变化会影响射程，测量喷头不同进口截面积下的射程变化，找出进口截面积与射程的变化规律。将进口加装不同过流面积的截流阀，每安装一个截流阀，测量3次射程值并取平均。当喷头的进口截面积大于喷嘴截面积时，其射程的变化相对缓慢。因此，为了在实现变量喷洒的过程中连续调节射程，设喷头进口的最大过流截面积为喷嘴出口截面积，即

4.根据喷洒形状写出喷洒的边界方程

根据喷洒域形状的要求，建立喷洒的边界方程。以正方形和三角形为例。任意形状的射程变化方程设为R＝f（α）。

5.找出进口截面积与射程的关系

通过对不同型号喷头进行不同工作压力下的射程试验，得到各型号喷头射程与压力的关系。为了实现变量喷洒射程调节的连续性，分别将各型号喷头选取射程变化比较明显的压力范围，在此范围内，对压力射程的变化关系进行函数拟合，自定义指数拟合函数为：

y＝axb（2-86）

随着旋转角度的变化，便可以得到进口截面积的变化。

6.确定动静片过流截面积的基本孔直径

根据理论截面积变化率，设定最小截面积为喷头旋转角度为0°，并设定此状态下的过流截面积为基本圆孔面积。则其最小截面积基本圆孔为S0＝μ0 S max，其基本圆孔半径为图2-79为动静片的示意图。

7.确定变化面积部分尺寸

设进口截面积变化中，除基本孔外截面积变化为S，其中S＝Si－S0，i＝1，2， 3，…，除基本孔外面积换算成半径为：外切圆圆心距动片圆心的距离设为：r′i＝ri＋r0。例如三角形变量喷洒动静片中r0及ri的位置，如图2-80和图2-81所示。

8.根据尺寸绘制外切圆

根据外切圆圆心距动片圆心的距离和旋转角度绘制外切圆，并将每条射线与该外切圆的交点（即外切圆与其中心线顶部的点）连接起来，将接点光滑过渡，绘制360°范围内的变化曲线。按照上述步骤则绘制出动片的结构图。静片采用的结构形式为中间为圆孔，其圆孔与动片基本圆孔完全相同，另外动静片相对运动改变进口截面积，因此，静片的基本孔外伸出部分一定角度的扇形，从而得到了静片的结构图。如图2-82所示。

五、变量喷洒喷头结构优化

全射流喷头实现变量喷洒的方式为增设压力流量调节装置调节喷头的工作压力，而压力调节时存在喷洒均匀性下降问题［75-78］。以喷头实现正方形喷洒为例，喷头喷洒的射程呈四个周期变化，压力也发生变化，不同旋转角度下，径向的水量分布会有所差异，主要表现为在压力范围相对较低的范围内径向水量分布在靠近喷头1/3射程内水量较少，造成360°喷洒范围内喷洒不均匀问题。为解决上述问题，本书通过在变量喷洒全射流喷头转体处设计不同形式与结构的副喷嘴来改善变量喷洒喷头的均匀性，通过差值分析及综合评价的方法，优化副喷嘴结构及参数。

（一）副喷嘴改进设计

1.结构方案

图2-83为全射流喷头低压下喷头的径向水量分布示意图。当压力较低时，喷头不加副喷嘴时的水量分布近处较少，远处较多。通过增加副喷嘴，可以使整体水量分布改变。因此，设计良好的副喷嘴能有效改善水量分布不均匀问题。副喷嘴的设计主要依据三点：副喷嘴的射程、水量分布和流量，可分别由副喷嘴的结构参数来确定。控制副喷嘴的射程，使副喷嘴喷洒出来的水流能够袮补近出水量不足的现象，达到水量分布较为平坦的形状。

在变量喷洒全射流喷头转体处加副喷嘴，其位置示意图如图2-84所示。其副喷嘴与喷头喷管方向一至，仰角为10°。

以PXH20型喷头为研究对象，设计8种方案的副喷嘴，如图2-85所示。其中方案1为无副喷嘴，方案2～3的出口为非圆形，方案4～8的出口均为圆形，且有挡板，称为挡板式副喷嘴，挡板角度设为α。8种方案的副喷嘴出口当量直径分别为：0mm，1.6mm，1.6mm，3.0mm，3.0mm，3.6mm，2.0mm和2.0mm。

2．不同方案下水量分布特性

对全射流喷头不同副喷嘴方案，进行不同压力下的径向水量分布测量，可为变量喷洒中副喷嘴的选取提供依据。因此，测量全射流喷头在不同压力（0.27MPa、0.15MPa）不同方案副喷嘴形式下的径向水量分布情况。采用喷头自动测量系统，PXH20喷头全圆喷洒，每隔1m放置一个量雨筒，测量点喷灌强度。测量时间为1h。试验得出不同方案及不同压力下喷头径向水量分布如图2-86所示。

由试验结果得出，当压力的变化对水量分布影响较小时，说明喷头在旋转的过程中，即使压力调节装置调节压力，水量分布变化也较小。即各种副喷嘴方案中，径向水量分布差别较小的方案为较优方案。试验得到8种方案不同压力下的喷灌强度差值如图2-87所示。

由图2-87可知：在压力为0.15MPa和0.27MPa时，不同方案下喷灌强度的差值不同，图中的纵坐标为喷灌强度的差值，其中方案5的喷灌强度差值变化较小，曲线较为平坦。说明在不同的工作压力下，采用方案5可避免由于变量喷洒中压力的变化而造成的水量分布不均匀的情况，能够达到预期效果。

（二）副喷嘴结构参数优化

通过对8种方案的试验及分析，认为方案5结构能够起到较好的改善喷洒均匀性的作用。因此对方案5的结构参数进一步优化，选择其最佳结构尺寸。

方案5副喷嘴挡板的角度对水量分布具有一定的影响，为了确定挡板的角度，对副喷嘴出口直径为3mm，不同挡板角度情况下的副喷嘴结构分别进行水力性能试验，确定最佳结构尺寸。为了适应在变量喷洒中低压下喷洒，其工作压力分别设为0.15MPa、0.27MPa。设挡板的长度为7mm确定，选择挡板角度α分别为：17.5°、20°、22.5°和25°。试验得到不同角度下的径向水量分布图如图2-88所示。

由于副喷嘴主要为了改善喷洒均匀性，喷头喷洒的射程主要由喷头的主喷嘴决定。因此，暂时忽略射程因素。由于径向水量点喷灌强度代表的面积不同，因此均匀性系数Cu（α）的计算公式采用常用的克里斯琴森系数进行计算［79］。

由于变量喷洒喷头组合喷洒均匀性与压力变化产生的水量分布差异同等重要，因此，采用考虑组合水量分布均匀和不同压力下喷灌强度差值的函数来综合评价，如式（2-87）所示。

根据式（2-87），分别计算工作压力为0.15MPa，在1倍射程组合间距下，不同挡板角度下的正方形组合喷洒均匀性系数，得到在挡板角度分别为17.5°、20°、22.5°和25°时，正方形组合喷洒均匀性系数Cui依次为：0.760、0.770、0.785和0.770。

因此，正方形组合布置下喷洒均匀性系数随角度变化的回归函数为：

其中极差R2＝0.8078。

不同工作压力下，径向喷灌强度差值如图2-89所示。

由图2-89可知：在该副喷嘴下，压力为0.15MPa与0.27MPa时的喷灌强度差值越小，可减少由于压力产生的喷洒不均匀问题。不同压力下喷灌强度的差值越接近于0，说明喷头在压力的变化中，通过该副喷嘴的改进能够保证喷洒均匀性。图2-85（e）中副喷嘴挡板角度为20°～22.5°时，偏移x轴的变化幅度相对较小。在距离喷头0～10m时，低压下近处喷灌强度较小，高压处喷灌强度较大，在距离喷头10～15m之间时，低压下近处喷灌强度较大，高压处喷灌强度较小。在距离喷头大于15m时，由于喷头的压力不同，喷洒的射程不同，因此产生了y值大于0的情况。

若两个压力下的喷灌强度差值趋于平坦，说明压力对均匀性的影响较小，另外，喷灌强度差值在0附近，说明由于压力的不同产生的均匀性系数较高，即压力对水量分布的影响较小。因此，分别计算不同压力下喷灌强度差值产生的均匀性系数，得到在挡板角度为17.5°、20°、22.5°和25°时，不同压力下喷灌强度差值产生的均匀性系数Cuj，依次为0.49、0.50、0.53和0.46。

因此，不同压力下喷灌强度差值产生的均匀性系数随角度的变化函数为

其中极差R2＝0.712。

将式（2-89）和式（2-90）代入式（2-87），并简化，得到综合评价函数为

对该函数方程两边求导数，并将右式等于0，得到在最大综合评价均匀性系数值的情况下，最佳角度为α＝21.2°。

六、变量喷洒喷头性能试验及评价

（一）变量喷洒喷头水力性能试验

1．试验设备及参数

试验在江苏大学室内喷灌试验厅进行。试验设备包括BPXH20、BPXH30系列变量喷洒全射流喷头、管路系统、水泵机组、自动测量系统。试验采用0.4精度级压力表读取喷头工作压力，0.5精度级电磁流量计读取流量，自动数据采集系统测量喷头的点喷灌强度，喷头安装在圆形喷灌试验厅的中心试验台上，使喷头全圆喷洒。测量点喷灌强度的量雨筒直径20cm，高60cm。喷头在旋转过程中流量随着旋转角度的变化而变化。三角形喷洒域的喷头流量变化范围大于正方形喷洒域喷头流量的变化范围。分别设定BPXH20喷头和BPXH30喷头的管路供给压力分别为400kPa和450kPa。喷头的工作参数表如表2-13所示。

2．试验结果分析

（1）喷洒射程。由于喷头实现非圆形喷洒域，因此喷头的射程在喷头的旋转过程中变化，且由于正方形的对称性，每隔5°测量一条射线状的径向点喷灌强度，得到其射程值。变量喷洒BPXH20喷头实现正方形喷洒，90°范围内测量不同旋转角度下射程变化，得到射程变化曲线如图2-90所示。

喷头BPXH20正方形、BPXH20三角形、BPXH30正方形和BPXH30三角形的射程变化范围分别为15.2～19.5m，11.5～16.5m，16.0～20.0m和13.5～19.5m。由此可知，三角形喷洒域比正方形喷洒域最大射程有所降低，三角形喷洒域射程变化幅度较大。

（2）喷洒面水量分布。变量喷洒喷头在工作中压力变化的特点使水量分布发生变化。本研究中喷头的水量分布测量采用网格形式布置量雨筒，得到矩阵形式的点喷灌强度。测量时间为0.5h。三角形测量喷洒面180°，每个量雨筒网格型排列，由于喷头射程大于10m，因此每2m摆放一个。由于正方形喷洒的对称性，选择测量正方形90°喷洒范围，将其对称360°，试验测得点喷灌强度，采用MATLAB语言将网格型的点喷灌强度值绘制水量分布图。图2-91为喷头水量分布图。

由图2-91可知：实现正方形喷洒域，水量分布均匀；实现三角形喷洒域，射程的变化范围较大，水量分布在短射程处的末端较大，但数值相对比较平缓，水量分布相对均匀。

（3）喷洒雨滴直径。喷头的雨滴直径根据行业标准《喷灌工程技术规范》，采用色斑法测量末端的雨滴直径。图2-92为试验所测水滴照片。经过回归计算得到的雨滴直径与色斑直径的关系。拟合曲线如图2-93所示。

设最大射程处为0°，根据标定结果计算，得到喷头不同旋转角度下末端雨滴直径如表2-14所示。

随着喷头旋转过程中压力的变化，在长射程处，即旋转角度为0°时，雨滴直径较小，随着角度的增加逐渐增大，因为压力越大，其喷洒的雾化越明显，雾化越好，喷洒末端的雨滴粒径越明显。变量喷洒喷头的雨滴粒径在一周范围内是不断变化的，但与传统全射流喷头相比，其雨滴粒径相差较小。

（4）喷灌强度。通过水力性能试验，得到各型号变量喷洒喷头平均喷灌强度及最大喷灌强度如表2-15所示。

由表2-15可知：BPXH20正方形喷头、BPXH20三角形喷头和BPXH30正方形喷头最大喷灌强度均小于土壤允许最大喷灌强度8mm/h，符合设计要求。

（二）变量喷洒喷头性能评价指标的建立

变量喷洒喷头是全新开发的喷头，其结构及性能与普通全圆喷洒喷头不同。且判断变量喷头性能的好坏，暂时还没有完全符合变量喷洒特点的评价指标。国内学者对变量喷头的评价指标进行了初步的探讨，但其公式不能反映变量喷洒性能参数连续变化的特点。鉴于变量喷头的每一个技术指标和运行参数均包含着有关变量运行时的不同信息，本部分对变量喷洒喷头建立评价指标及体系。同时单一的指标评价体系往往难以全面反映变量喷洒的状态，因此将各评价指标进行综合分析，更全面地评价变量喷头的优劣，将为评价变量喷洒喷头技术性能提供重要的决策支持，同时为今后评价变量喷洒喷头的优劣提供一种有效的解决方案［84］。

1．喷头射程降低系数

图2-94为喷洒域示意图。其中，R0为全圆喷洒喷头的射程，m；R（t）为加装压力流量调节装置后射程随时间的变化函数，m；t为喷头旋转的时间，s；b为加装了压力流量调节装置后的最小射程，m。

射程降低系数［85］是指变量喷洒喷头的射程比圆形喷洒域喷头的射程降低的百分比。由于喷头旋转过程中射程在不断变化，而射程为时间的变化函数，因此射程的降低系数应为

其中：为不同时间射程的权重值，若试验测量射程的数据点有n个，则wRi＝1/n，n越大，越具有连续性；t0为喷头旋转一周所需的时间，s；ti为喷头旋转到第i个测点的时间，s。由此得到：

将式（2-93）进行化简，得到变量喷洒喷头射程的降低系数为：

2．喷头喷洒形状系数

喷头喷洒形状系数［85］是描述喷头喷洒域形状接近非圆形喷洒域形状的程度。形状系数越大，说明越接近非圆形喷洒域，效果越明显。形状系数由下式计算得到：

3．喷洒均匀性系数

喷洒的均匀性是喷头水力性能的一个重要指标，变量喷洒喷头旋转过程中随着时间的改变而性能产生变化，如果采用径向测量水量分布计算均匀性系数，除了代表面积不同外，根据喷头旋转的连续性，应加入时间函数，与喷头射程降低系数同理得：

但工作量与采用网格型测量方法同样较大，采用网格型量雨筒布置方法计算方法较径向测量相对简单，如下式所示：

4．喷洒打击强度变化系数

喷洒打击强度主要是指水流喷洒出后对作物的打击力，可由雨滴的大小反映出来。喷洒打击强度变化系数可表示为变量喷头喷洒的雨滴直径比圆形喷洒域喷头的雨滴直径增加的百分比。由于喷头旋转过程中射程在不断变化，而雨滴直径同样为时间的变化函数，因此雨滴的增加系数应为：

其中：与射程降低系数同理，wri为不同时间雨滴直径的权重值。

由此得到：

将式（2-100）进行化简，得到喷洒打击强度变化系数为：

5．喷灌强度变化系数

喷灌强度主要是指单位面积上的降水深度，采用自动测量系统进行测量。测量喷洒的水量分布时，每个测量点得到的降水深度为点喷灌强度，在1h内每个量雨筒的降水深度即为点喷灌强度。在喷洒面上点喷灌强度的平均值为平均喷灌强度。喷头在变量喷洒时，不同旋转角度上的点喷灌强度具有一定的差别。因此本书采用喷灌强度变化系数来描述喷灌强度的变化程度。

对于网格型测量来说，n为测点数，qi为每个测点的点喷灌强度，mm/h。

七、变量喷洒组合技术及应用

1．变量角度与工作参数的变化关系

喷头喷洒的过程中，压力与流量都随着系统的装置特性发生变化，测量变量喷洒喷头不同旋转角度下系统的流量与供给压力，得到流量与角度及供给压力与角度的变化关系分别如图2-95和图2-96所示。

由图2-95可知：随着旋转角度的增加，喷头进口过流面积增大，因此流量逐渐增大，以BPXH30为例，正方形喷洒域流量变化幅度为23.2%，三角形喷洒域流量变化幅度为34.8%。同时，由于过流面积增大，喷头进口处压力调节装置的压力损失变小，喷头的工作压力增大，其供给压力减小，如图2-96所示。

2．变量角度与性能参数的变化关系

变量喷头喷洒过程中，不同旋转角度下的水力性能不同［86，87］，测量了不同旋转角度下喷洒的射程、雨滴直径及径向水量分布，得到射程与角度及雨滴直径与角度的变化关系分别如图2-97和图2-98所示。

由图2-97中可知：随着旋转角度的增加，射程逐渐增加，在360°范围内，射程周期性的变化，正方形喷洒域形状与预期较为吻合，三角形喷洒域为了保证喷灌强度，与预期存在一定的差别。在喷头旋转角度增加的过程中，喷头的工作压力增加，因此喷洒的末端雨滴直径随着角度的增加也是逐渐减小，如图2-98所示，压力越大，其喷洒的雾化越明显，喷洒末端的雨滴粒径越小。

3．组合布置设计

工程应用中，管道系统的布置形式的主要影响因素有：地形条件、地块形状、耕作与种植方向、风向和风速及水源位置等［88］。喷头的喷洒域形状同时也是喷头组合布置形式的重要方面。喷头组合原则是保证喷洒不留空白，并有较高的均匀度。喷头组合间距的确定是喷灌系统规划设计中的关键一步，喷头组合间距是否合理，不仅关系到投资的大小，还关系到喷灌质量的好坏，影响作物的产量［89］。

根据正方形喷洒域的特点，依据最大零喷组合的原则，可设计布置形式如图2-99所示。

由图2-99（a）可以看出，正方形喷洒域的喷头正方形布置形式下，单个喷头的喷洒域与相邻的喷头喷洒域重叠部分较少，4个喷头之间的部分为组合喷洒的均匀性数值计算部分。同理。

由图2-99（b）可以看出，正方形喷洒域的喷头三角形布置形式下，喷头最小射程处与另外一排喷头的最大射程处重叠一部分，面积较小。相邻的3个喷头之间组合的三角形区域为组合喷洒的均匀性数值计算部分。

4．组合均匀性计算方法

喷灌均匀度是指在喷灌面积上水量分布的均匀程度，它取决于喷头的布置间距、同时运行的喷头数量和单喷头的水量分布，它是衡量喷灌质量优劣的主要指标之一。喷灌不均匀，不仅造成作物生长良莠不齐，降低作物产量和质量，而且会造成水洼、水流，导致水资源浪费和土壤养分流失。但要求过高的喷灌均匀度又会造成能源浪费和系统成本提高，因而一个好的运行方案要求保证组合喷灌强度小于土壤允许的喷灌强度，且喷灌均匀度适当。

当喷头水量测量采用网格布置形式时，设测量的点为一个u×v的矩阵：E＝［eij］u×v，其中：u为矩阵的行数，v为矩阵的列数，eij为矩阵E中的元素。由于为正方形喷洒，因此u＝v＝n。i、j分别为第i行，第j列。E＝A′＋B′＋C′＋D′，式中，设a′ij、b′ij、c′ij、d′ij分别为矩阵A′、B′、C′、D′的元素，因此，eij＝a′ij＋b′ij＋c′ij＋d′ij，（1≤i≤u，1≤j≤v）。采用的均匀性计算公式为［90］：

通过公式（2-103），将网格型布置的量雨筒测得的各点喷灌强度代入公式，替代公式中的eij，得到组合均匀性系数值。

5.组合均匀性系数与间距系数关系及模型建立

设喷头与喷头之间的距离为d，间距系数设为k，其中d＝kR，R为正方形喷洒喷头最大射程。根据网格型测量方法，得到每隔1m的数据点，根据公式（2-103）得到不同组合间距下的组合均匀性系数值，如图2-100～图2-103所示。

由图2-100和图2-101中可以看出，BPXH20喷头正方形组合，组合间距为1.3R时喷洒均匀性系数较高。组合间距过大，喷洒面交界处由于正方形形状不完善会出现水量分布较少。这是由于正方形的喷洒域形状不是完全理想的，因此组合时，在间距较大时，最大射程与最大射程交界处水量较少。BPXH30喷头正方形组合，组合间距为1.1R～1.2R时喷洒均匀性系数较高。组合间距大于1.5R时，最大射程接触部分水量分布较少。

由图2-102和图2-103中可以看出，BPXH20喷头三角形组合，组合间距为1.4R时喷洒均匀性系数较高。组合间距大于1.8R时水量分布较少。BPXH30喷头三角形组合，组合间距为1.1R～1.3R时喷洒均匀性系数较高。组合间距大于1.4R时，水量分布较少。因此，得到正方形喷洒域喷头不同组合间距系数及不同布置形式下的均匀性系数值，见表2-16。