非圆形喷洒分布特性范文
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【论文摘要】本文的研究为非圆形喷洒域喷头实现均匀喷洒提供了理论依据。以方形喷洒域为例，采用极限理论，对通过改变水流出射速度和改变水流出射的仰角来实现非圆形喷洒的两种非圆形喷洒域喷头的水量分布特性进行全面的理论分析，得出了这两种非圆形喷洒域喷头的水量分布规律。
【论文关键词】：非圆形喷洒域喷头方形喷洒域仰角流速喷灌均匀性
引言
喷头是喷灌系统的关键部件，其性能的优劣直接决定着喷灌系统的灌溉效果和节水效果。圆形喷洒域喷头（主要是摇臂式喷头）因结构简单、射程较大、性能稳定而得到广泛使用。但是圆形喷洒域喷头对喷灌场地的适应性较差，无论单个使用还是组合使用，都无法适应非圆形喷洒场地的现实，造成大量漏喷、复喷和边外喷，不但浪费有限的水资源，而且影响灌溉效果，有时还会影响路人行走。这种情况下，非圆形喷洒域喷头应运而生。它可以较好的解决喷洒形状和灌溉场地的匹配问题，也便于组合使用，减少了水资源的浪费。但是，非圆形喷洒域喷头自身也存在喷洒不均匀的问题，影响了灌溉效果。
本文将主要从原理上对全圆旋转非圆形喷洒域喷头的水量分布特性进行分析，并结合实际情况分析非圆形喷洒域喷头实现均匀喷洒的途径。
1射程公式及实现非圆形喷洒的主要途径
在全圆旋转喷头旋转的同时改变其射程即可实现非圆形喷洒。为便于研究，我们首先设定以下限定条件：
a、水流以速度，仰角从喷口射出
b、不计空气对喷射水流的影响，只有重力作用于水流
c、喷洒面水平，喷口距地面的高度为零
在以上限定条件下，喷射水流将做斜上抛运动，其射程（为重力加速度）
从上式可以看出，改变仰角、改变流速，或者同时改变仰角和流速都可以改变射程从而实现非圆形喷洒。例如王飞等中空万向节结构的摇臂式喷头[1]、Ohayon柱塞传动结构的摇臂式喷头[2]和Donald喷头[3]就是分别通过改变仰角、改变流速和同时改变仰角及流度实现非圆形喷洒喷洒的。
下面我们以方形喷洒域喷头为例来分析上述几种非圆形喷洒域喷头的水量分布规律。由于通过同时改变和实现非圆形喷洒喷洒的喷头结构上过于复杂，实践证明不实用，所以不再对其进行分析。
2相同轮廓上水量分布规律
2.1单位面积受水量公式
判断喷头喷洒是否均匀，只要看喷灌场地内不同位置的单位面积受水量是否相等就可以了。
设喷头喷口的横截面积，水流出射速度，喷灌时间，喷水量，受水面积，则单位面积的受水量。
只要通过上面的受水量公式计算出不同位置单位面积的受水量之比就知道喷洒的均匀程度了。必要时，对其比值取极限，就可以得到不同位置的两点的受水量之比。
对于方形喷洒域喷头，受水量相差最大的位置最可能出现在正方形的顶点和边长的中点处。因此，只要计算出该两点的受水量之比就知道方形喷洒域喷头喷洒的不均匀程度。
先设定以下前提条件：
a、水流以速度，仰角从喷口射出
b、不计空气对喷射水流的影响，只有重力作用于水流
c、喷洒面水平，喷口距地面的高度为零
d、喷头以角速度匀速转动
e、喷口横截面积为定值
设喷头在正方形的顶点和边长中点处分别转过的角度，对应的边长分别为、、、，喷洒宽度，受水面积分别为和，与的夹角，喷洒时间分别为和，喷水量分别为和，单位面积的受水量分别和，如图1所示：
图1方形喷洒域示意图
对以为边长的小三角形应用正弦定理：
得同理，对以为边长的小三角形应用正弦定理得
在以为边长的直角三角形内，在以为边长的直角三角形内，
，
这就是方形喷洒域喷头的最小和最大受水量之比。
实际情况中，由于空气对水流的影响，射程远的地方水流发散的更严重一些，所以的值要比稍小一些。
从公式的推导过程可以看出，这个结论对矩形和其它正多边形同样适用。但对不规则轮廓不一定适用，如图2：
图2不规则喷洒域示意图
点1和点2分别位于半径为和的圆弧上。按上面的推导方法，显然，
虽然上面的公式与方形喷洒域喷头的公式不一样，但都说明：最大和最小射程差距越大，喷洒越不均匀。这一点对所有形状的非圆形喷洒域喷头都是适用的。
2.2以仰角变化实现方形喷洒的喷头相同轮廓上水量分布规律及实现均匀喷洒的途径
2.2.1相同轮廓上最小、最大受水量比
对以仰角变化实现方形喷洒的喷头，是定值，所以也就是说，同一正方形上顶点处的受水量是边长中点处的受水量的一半。
2.2.2相同轮廓上水量分布规律
通过公式计算喷头在其它位置与顶点的受水量比，并以边长中点处作为的零点，以横坐标表示喷头转过的水平角，以纵坐标表示受水量比，绘制的图像，再根据相似性和对称性得到喷头旋转一周的水量分布图，如图3：
图3以仰角变化实现方形喷洒的喷头相同轮廓上水量分布规律
2.2.3实现均匀喷洒的途径
由上面的分析知道，以仰角变化实现方形喷洒的喷头喷水是不均匀的，最大受水量是最小受水量的两倍。为此，可以增大受水量小的位置的喷水时间来实现均匀喷洒，即改变喷头的匀速转动状态，使其做变速运动，如Robert喷头[4]。Robert喷头使用了转子式油泵作为喷头转速调节装置,使喷头在射程改变的同时转速也随之变化,实现均匀喷洒。
2.3以流速变化实现方形喷洒的喷头相同轮廓上水量分布规律及实现均匀喷洒的途径
2.3.1相同轮廓上最小、最大受水量比
对以流速变化实现方形喷洒的喷头，为定值。由射程公式和，得，所以，
如果喷头的旋转动力来自水流本身，如摇臂式或者叶轮式，则因为水流速度的变化，喷头的转速也会随之变化，此时，所以。2.3.2相同轮廓上水量分布规律
用与前面相同的方式绘制该类型喷头旋转一周的水量分布图，如图4：
图4以流速变化实现方形喷洒的喷头相同轮廓上水量分布规律
2.3.3实现均匀喷洒的途径
与以仰角变化实现方形喷洒的喷头实现均匀喷洒的途径一样，以流速变化实现方形喷洒的喷头也可以通过增大受水量小的位置的喷水时间来实现均匀喷洒。
3大小不同的轮廓上水量分布规律
目前已出现过的全圆旋转的非圆形喷洒域喷头，包括圆形喷洒域的摇臂式喷头，就实际喷洒效果而言，大部分都只能喷出一个或几个环形的轮廓，而轮廓内部的很多面积无法覆盖。因此只能靠组合使用解决漏喷问题，这样就增加了喷头数量并导致出现复喷问题。理论研究方面对轮廓内部面积的覆盖问题也很少提及。但是对实际应用而言，轮廓内部面积的覆盖，是实现均匀和节水目标中极为重要的一环。为此，使喷头能够对喷洒轮廓内部的面积进行扫描以覆盖所有面积是喷头必须具备的性能。
从实现途径方面考虑，可以在一个正方形环上喷洒一圈或几圈后，再以仰角变化或流速变化切换到另一个大小不同的正方形环上喷洒一圈或几圈，依此逐步扫描，直到覆盖所有面积，如张成良的全地形喷水器[5]就是以流速变化进行扫描的。
下面仍以方形喷洒域为例分析可以进行内部扫描的喷头的水量分布规律。如图5：
图5方形喷洒域大小轮廓示意图
3.1以仰角变化进行扫描的喷头不同大小轮廓上的水量分布规律
图5中，a和b分别为大正方形和小正方形的边长。假设喷头在这两个正方形上匀速转动，分别喷洒一圈。由于该喷头是以仰角变化实现控形和扫描的，其流速是不变的，在以水流为旋转驱动力的情况下，转速是相同的，喷洒一圈的喷水量也是相同的。所以，即两个正方形上单位线长的受水量与其周长成反比。实际情况中，由于空气对水流的发散作用随射程的增大而增大，这个比值还要小些。
因此，要实现均匀喷洒，必须增加对大正方形的喷洒圈数，使喷头在正方形环a和b上的喷洒圈数之比大于。
从以上分析可以看出，对于喷洒域不是正方形的非圆形喷洒域喷头，以上结果也适用。
3.2以流速变化进行扫描的喷头不同大小轮廓上的水量分布规律
仍假设喷头在a、b两个正方形上匀速转动，分别喷洒一圈。由于该喷头是以流速变化实现扫描的，由射程公式，在两个方形轮廓上喷头转到相同角度时，其流速，转速，喷洒一圈的喷水量。所以，两个正方形上单位线长的受水量与其周长成反比，即。
该结果与以仰角变化进行扫描的喷头完全相同。
4结论
以仰角变化和流速变化控制射程变化是实现非圆形喷洒的两种主要途径。
非圆形喷洒域喷头在匀速转动的情况下，相同轮廓上最大和最小射程差距越大，喷洒越不均匀。对于方形喷洒域，以仰角变化和流量变化实现方形喷洒的喷头在其相同轮廓上的最小最大受水量比分别为和。要实现均匀喷洒，需增加转速控制装置，使喷头做变速圆周运动。
喷头必须具有对其喷洒轮廓内部进行扫描以覆盖所有面积的能力。在旋转动力来自水流本身和喷洒圈数相同的情况下，非圆形形喷洒域喷头不同大小轮廓上的受水量与其周长成反比。要实现均匀喷洒，需使喷头在不同轮廓上的喷洒圈数之比大于其周长之比。