本研究来源于“十二五”国家科技支撑计划项目”不同类型水源节水灌溉技术和抗旱增产模式研究”(编号2015BAD22B01-02);科技部国际合作项目“提高旱区作物水分利用效率关键技术研究与应用”(编号2014DFG72150)随着水资源日益短缺,推广包括大型移动式喷灌在内的节水灌溉技术已成为缓解农业灌溉领域水资源危机的发展趋势,目前大型移动式喷灌设备工作压力普遍较高,且与之配套的喷头正常工作压力一般不低于100k Pa。为了降低能量的过度消耗,发展低压移动式喷灌,开发与之配套的低能耗喷头是未来发展的趋势。本文以喷灌领域较为常见的非旋转折射式喷头为研究对象,通过试验分析与理论计算的方法,分析了该喷头的水力性能。针对该喷头喷灌强度大的问题,对喷头流道结构进行了优化;针对单喷头移动水量分布较差的问题,通过建立不同角度流道水量叠加理论,开发出新型低压折射式喷头,并对新开发的喷头水力特性进行了分析。具体研究如下:(1)对Nelson D3000喷头单流道水力性能进行了室内试验,通过分析发现该喷头喷洒出的水量和能量的扩散与喷头的安装高度和工作压力等因素有关。提升安装高度或者增大喷头工作压力,很大程度上加速了射流水舌的碎裂,使得喷洒的水量及能量扩散更为均匀。虽然高度提升会对峰值水量和峰值能量有一定的削弱作用,但是从水量和能量分布来看,单条流道喷洒出的水量和能量仍聚集在末端0.75倍的射程处,在实施喷灌过程中,对于某些喷洒点,在峰值水量和峰值能量过境时,较大的喷灌动能对作物和土壤的作用力较大,增大了打击伤害的概率。因此为了降低水量和能量峰值对作物的打击伤害,有必要开发出一种低压力喷头,并减小单流道峰值水量和能量过于集中的问题。(2)针对折射式喷头水量分布模拟软件较少的问题,基于弹道轨迹理论,在考虑有风时水滴运动蒸发条件下,以Java—Eclipse作为开发工具编写出有风条件下适用于折射式喷头的喷灌水量分布计算软件。在模型求解过程中,通过回归分析建立了不同压力及喷嘴直径下Nelson D3000型喷头出流速度及角度模型,并基于折射式喷头喷洒模型、弹道轨迹方程和水滴蒸发模型,编写出了的喷灌水量分布的计算程序;该软件在已知喷头工作压力、喷嘴直径、喷头安装高度及环境条件条件下,可以计算出喷洒粒径分布、单喷头水量、能量分布及蒸发损失,并通过与实测值对比,验证了该计算软件的精准性。(3)为了改善现有的低压折射式喷头喷洒峰值水量过大的问题,需要开发出新型低压折射式喷头。在设计过程中,选择了较为常见的矩形、Y形、V形,垭口形和五边形5种流道出口截面形式的喷盘,通过对五种类型喷盘单条流道峰值水量和喷洒射程进行测试,以峰值水量最小、喷洒射程最大为优选目标,甄选出Y形截面喷盘水力性能最优。选择Y型喷盘截面形式,以喷盘流道个数和流道出射角为设计因素,采用激光快速成型技术开打印出5种流道个数、5种出射角度(2因素5水平)共25个喷盘。通过对25种喷盘在不同工况下的水力性能试验,建立了喷洒射程和峰值强度分别与流道角度、流道个数的函数模型,以最小峰值强度和最大喷灌射程为优选目标,计算了喷盘最优流道个数27个和最佳挑射角度为18.9°。并对低压喷盘单流道水量峰值强度、喷洒射程进行了验证试验,结果显示,峰值强度、喷洒射程的测量值与计算值差异性较小,表明建立的峰值强度模型和喷洒射程模型准确度较高,优化的流道个数和挑射角度等参数较为合理,可以采用此参数开发工作压力小于100k Pa的低压喷头。固定流道个数27个,挑射角度18.9°,采用等流道夹角设计的方法开发出一种喷盘,通过对该喷盘移动水量分布的试验发现,任一工况下该喷头水量在垂直于移动方向上的分布不均匀,应对该喷盘流道夹角进行进一步的优化分析。(4)在对流道夹角的优化过程中,以雨量筒收集的折射式喷头单流道水量作为原始数据,建立基于单流道水量分布数据的移动式单喷头移动水量分布计算方法,以不同流道夹角下单流道水量在垂直于喷灌机行走方向上的投影分布进行累加,计算出单喷头在垂直于行走方向的水量分布。根据折射式喷头不同流道喷洒水量累积理论,采用Java—Eclipse作为开发工具开发了折射式喷头设计程序,并采用该软件,结合优化出的流道水量分布数据,以移动单喷头水量呈三角形分布为设计目标,通过试算的方法,计算出喷头27条流道的最佳布置角度,27条流道设计角度分别为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喷头样件,并通过室内试验测得了移动条件下喷头单侧水量分布特性,通过与计算值的对比,发现新开发出的喷头水量分布形式与预期基本相符,该喷头可装配在移动式喷灌设备上实施喷灌作业。(5)为了测试新型低压喷头其他的性能参数,通过室内试验,测定了不同安装高度下该单喷头的水滴粒径分布范围、峰值喷灌强度以及喷洒射程,并与Nelson D3000喷头进行对比。结果显示,任意工况下,新型喷头喷洒的水滴直径普遍小于Nelson D3000型喷头,峰值喷灌强度较低,喷洒射程较大,采用该喷头实施低压喷灌作业时,一定程度上会降低喷灌水滴对作物和土壤的打击伤害概率,减小土壤侵蚀。采用开发出的折射式喷头水量分布与均匀度计算软件,对有风条件下设计的喷头和Nelson喷头的组合喷灌均匀度进行了模拟,与Nelson喷头相比,新设计的喷头在低压下组合喷灌均匀度相对Nelson喷头较优。从计算出的蒸发漂移损失结果来看,由于设计喷头水滴碎裂较为充分,雾化度较高,喷头喷洒出的小粒径水滴很容易受风的影响,吹离目标喷洒区域,产生漂移损失,导致不同安装高度下设计喷头的蒸发漂移损失均普遍高于Nelson喷头。由于设计喷头抗风性能相对Nelson喷头较弱,因此在选择新设计的喷头实施喷灌作业时,应尽量避开有风的天气。