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变量喷洒可控域精确灌溉喷头及喷灌技术研究

韩文霆  
【摘要】:随着世界性水资源的日趋紧张,采用包括喷微灌在内的节水灌溉技术 已成为世界各国为缓解水资源危机和实现农业现代化的必然选择。组合均 匀度是衡量喷灌技术灌溉质量的主要指标,本文以提高组合均匀度和灌溉 质量为目标,研究提出一种新型喷灌技术—变量喷洒可控域精确喷灌技术, 该技术利用变量喷洒可控域精确灌溉喷头组合进行喷灌,从根本上解决现 有圆形喷洒域喷头从几何学上不利于组合的问题,为提高组合均匀度和灌 溉质量提供了一种新的思路和技术。本文围绕变量喷洒可控域精确喷灌技 术关键技术的实施进行了较为全面深入的研究,主要内容如下:  1.研制了一种喷头实现变量喷洒可控域精确灌溉的关键部件-静片式 流量射程调节器,并采用水流运动的局部阻力理论对其结构参数进行了分 析和设计;首次提出一种利用拟星形和圆形喷洒域喷头组合喷洒的变量喷 洒可控域精确喷灌技术。  2.首次推导了描述变量喷洒可控域精确灌溉喷头转速、流量和射程之间 瞬时变化关系的工作方程,给出了方形和拟星形喷洒域喷头为实现变量喷 洒和均匀喷灌,喷头应具有的理论流量和转速方程以及理想水量分布曲线 形状。  3.研究提出一种新型的支管布置方式,与传统布置方式相比,当喷头为 正三角形布置时,可以节约管道长度 7%;当喷头为等腰三角形布置,且喷 头间距是支管间距的 2 倍时,可以节约管道长度 25%。研究提出变量喷洒 可控域精确灌溉喷头流量的周期性变化对喷灌系统运行稳定性产生不利影 响的解决方法,给出了使支管流量变化幅值最小的喷头转角分布公式。  4.首次提出了修正克里斯琴森均匀系数的概念,认为喷头的水量分布是 连续变化的系统,在计算给定面积上总降水深时采用积分的方法,充分利 用测点间关系的信息,因此在理论上要比现有克里斯琴森均匀系数计算方 法精度高。  5.首次提出采用三次样条多次插值叠加法计算喷灌组合均匀度, 使在 I WP=5 西北农林科技大学工学博士论文 摘 要 计算每个插值点降水深数据过程中,都通过径向和周向两次对已有降水深 数据的插值,利用了所有已知数据的信息,因此插值精度远远高于目前采 用的邻近三点或四点距离加权插值法和平面插值法。  6.利用 MATLAB 计算机语言编制了一套喷头均匀度分析软件,实现了三 次样条多次插值叠加法的算法和水量分布的多维可视化。软件主要功能包 括圆形、方形和拟星形喷洒域喷头组合均匀度计算、水量分布图绘制以及 组合均匀度随组合间距系数变化的仿真等。该软件可以直接应用于生产实 践,对喷头性能分析、喷灌组合均匀度分析以及喷灌系统优化设计起辅助 决策的作用。  7.研究建立了变量喷洒可控域精确灌溉喷头性能评价指标体系,在分 析了现有喷洒域系数定义中存在的可比性低等问题的基础上,提出了一种 新的喷洒域系数定义方法,给出了这种定义方法下方形和拟星形域喷头喷 洒域系数的计算公式。  8.研究建立了变量喷洒可控域精确灌溉喷头性能自动测试系统,可用 于喷头流量、压力和转速的在线检测。研究开发了一种新型的喷头转速传 感器,可以测出变量喷洒可控域精确灌溉喷头在转动一圈内转速的变化特 性。  9.对变量喷洒可控域精确灌溉喷头样品的试验和评价结果表明,在正 方形组合、组合间距系数为 1.4、工作压力分别在 0.3Mpa 和 0.4Mpa 下,变 量喷洒可控域精确灌溉喷头较原圆形喷洒域喷头的组合均匀度增加率分别 为 6.9%和 9.5%,喷灌强度降低率为 15.7%(工作压力在 0.4Mpa 下)。  10.变量喷洒可控域精确灌溉喷头具有同时增加喷灌组合均匀度和降低 喷灌系统投资的趋势。但变量喷洒可控域精确灌溉喷头的流量射程调节器 使喷头的最大射程相对于原圆形喷洒域喷头射程存在损失,导致组合间距 降低。因此研究最大射程无损失的变量喷洒可控域精确灌溉喷头具有十分 重要的意义,是今后研究的主要方向。 


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