CN101096021B - 提高变量喷头组合喷灌系统流量稳定性的喷头安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高变量喷头喷灌系统流量稳定性的喷头安装方法。变量喷头组合喷灌系统由若干条干管组成，每条干管上连接有若干条支管，每条支管上安装有若干个变量喷头。变量喷头在转动过程中的各个喷洒方向上其流量是不断变化的，即不同转角下流量是不同的。从系统运行稳定性出发，要求流量变化尽可能小。本发明给出了一种交错分布变量喷头初始转角的方法，使流量变化尽可能相互抵消，从而使各支管上的流量变化幅度最小，提高变量喷头组合喷灌系统的流量稳定性。

Description

提高变量喷头组合喷灌系统流量稳定性的喷头安装方法

技术领域

本发明属于农业工程领域，涉及一种用于农田、园林绿地和花卉苗圃等喷头装置安装方法，特别涉及一种提高变量喷头组合喷灌系统流量稳定性的喷头安装方法。

背景技术

精确灌溉的核心技术是能够开发出根据作物或地块形状需要在不同位置灌溉不同水量的设备，除了在喷灌机上配备有全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)的设备外，主要包括变量施水灌溉喷头、控制器和变流量泵。其中最为关键的设备应属变量施水精确灌溉喷头，变量喷头可以根据作物和地块形状的需要自动调节流量和射程，实现喷洒域和喷洒量可控，避免地出现重喷、漏喷和界外喷洒等现象，以节约水资源。

变量喷头的研究和应用已有多年，相继有许多类型的变量喷头也多有报道和专利申请，如中国专利号为01265799.9、00257672.4、00215392.0、03218591、96212526.1、98232884.2、03114528.0、03218591.x，美国专利号为1637413、2582158、2780488、3952954、3261552、4198001、6079637、4277029，英国专利号为2094181A、2094181A，欧洲专利号为0395230A1等中公开的喷头可以实现喷洒域和喷洒量可控，其实现方式基本都是在原圆形喷洒域喷头结构的基础上采用一定的喷洒域和喷洒量可控的装置，实现变量喷洒。本申请的发明人在农业工程学报、农业机械学报等刊物上发表的文章“仿形喷洒变量施水精确灌溉技术研究进展”(2004年第1期)和“非圆形喷洒域变量施水精确灌溉喷头研究综述”(2004年第5期)中对国内外变量喷头的结构、工作原理和性能特点做了较为详尽的论述。

与圆形喷洒域喷头组合构成的喷灌系统不同，变量喷头组合喷灌系统中每个喷头在转动过程中其流量随转角的变化而发生周期性的变化。从喷灌系统运行的稳定性出发，要求管道流量的变化尽可能小。但在上述已公开的专利中，没有涉及对变量喷头组合喷灌系统流量稳定性的解决方法。

发明内容

针对上述变量喷头组合喷灌系统在流量稳定性方面存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种提高变量喷头组合喷灌系统流量稳定性的喷头安装方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术方案：

当支管上变量喷头数量为2的幂次方时，即支管上喷头数n＝2^k(其中k为自然数)时，以每两个相邻喷头为一组，安装时使其初始转角α相差

相邻两组之间的喷头转角相差

，此时支管流量变化幅值最小；

当支管上变量喷头数不等于2的幂次方时，按照如下步骤进行喷头初始转角的安装：

步骤一：将喷头分成若干组，分组时可以先从原喷头数中分出第一组，然后再从剩余喷头数中分出第二组，依次类推；

每组喷头数为2的幂次方，且第一组的幂为可以从原喷头数中分出来的最大的幂，第二组的幂为可以从第一组分完后剩余喷头数中分出来的最大的幂，后面各组依次类推；

步骤二：每组内喷头按照喷头数为2的幂次方的情况下喷头转角确定方法确定初始安装角，并按照初始安装角安装各组喷头；保证支管总流量变化幅度最小。

本发明的方法在每条支管上安装变量喷头时，通过合理地布置各喷头的初始转角，从而使任何时刻支管上多喷头的总流量尽可能保持一致，降低支管流量的变化幅度，从而保证喷灌系统的稳定性。

附图说明

图1为喷灌系统中干管、支管和喷头系统的布设图。图中只给出1条干管和其上的4条支管，喷头均匀分布在各条支管上(图中每条支管上仅给出了4个喷头)，每个喷头都通过竖管与支管连接。

图2是正方形喷洒域变量喷头喷洒域示意图。

图3和图4分别为本发明实施实例的正方形喷洒域变量喷头三维水量分布图和等值线图。

图5和图6为正方形喷洒域变量喷头流量随转角变化曲线及流量和叠加曲线。其中，图5中，曲线1表示喷头1流量曲线；曲线2表示喷头2流量曲线；曲线3表示喷头1和2流量和曲线。图6中，曲线1表示喷头1流量曲线；曲线2表示喷头2流量曲线；曲线5表示喷头1和2流量和曲线；曲线3表示喷头3流量曲线；曲线4表示喷头4流量曲线；曲线6表示喷头3和4流量和曲线；曲线7表示喷头1、2、3、4流量和曲线。

图6为正方形喷洒域变量喷头初始转角(即初始喷洒方向)布置方式。

下面结合附图和发明人完成的具体实例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

参见图1，变量喷头组合喷灌系统由若干条干管组成，每条干管上连接有若干条支管，每条支管上安装有若干个变量喷头。变量喷头在转动过程中的各个喷洒方向上其流量是不断变化的，即喷管在不同转角下流量是不同的。从系统运行稳定性出发，要求流量变化尽可能小。在变量喷头安装时，通过交错分布支管上各个变量喷头的初始转角，使流量变化相互抵消，从而使各支管上的流量变化幅度最小，提高变量喷头组合喷灌系统的流量稳定性。

本发明的提高变量喷头组合喷灌系统流量稳定性的喷头安装方法，主要同过交错分布支管上变量喷头初始安装的喷头转角来实现的。变量喷头安装时初始转角的确定需要根据喷头数量来选择相应的方法步骤。

参见图2、3和4，以正方形喷洒域变量喷头为例，图2是正方形喷洒域变量喷头喷洒域示意图。图中的圆为原喷头喷洒域形状，内接正方形ABCD为正方形喷洒域变量喷头理论喷洒域形状。OF为原圆形喷头射程，也是正方形喷洒域变量喷头顶点方向上的喷头射程，OF＝OG。OE为正方形喷洒域变量喷头边线中点方向上的理论射程。变量喷头的射程调节器使喷头的喷洒域的形状从原来的圆形改变为正方形ABCD，实际上是使弧DGC转变为直线段DGC。图3和图4分别为本例发明的正方形喷洒域变量喷头实际喷洒水量分布图和等值线图。

变量喷头转动一周转角为2π，正方形喷洒域的变量喷头每转动

，其流量为一个循环。设方形喷洒域喷头最大流量为q₀。根据正方形喷洒域变量喷头流量方程可知，最小值为Q_min＝0.5q₀。

当支管上只有1个喷头时，其初始转角可以任意确定，支管流量最大值为Q_max＝q₀，，最小值为Q_min＝0.5q₀，支管流量变化量ΔQ＝Q_max-Q_min＝0.5q₀。

当支管上喷头数n＝2时，支管流量变化量可按图5中流量曲线的斜率和变化规律分析。以 $0\≤\mathrm{\α}\≤\frac{\mathrm{\π}}{4}$ 的流量曲线为例，在α从0变化到的过程中，曲线的斜率越来越大，即流量的变化量越来越大。因此，只有当两个相邻喷头的转角在空间位置上相差

的整数倍时，支管流量变化量最小；且只有当一个喷头流量最大，另一个喷头流量最小(例如喷头转角一个为0，另一个为

)时，支管流量最大；当相邻两个喷头的流量相同(例如喷头转角一个为

，另一个为)时，支管流量最小。因此在支管上只有两个正方形喷洒域变量喷头时，安装时使其喷头转角相差

的整数倍即可满足流量变化最小的条件。

可以计算出本例中支管流量的变化量。根据方形喷洒域喷头流量方程可知，支管流量最大值为：

Q_max＝q₀+0.5q₀＝1.5q₀

支管流量最小值为：

$Q_{\min }={2q}_0\frac{1}{{2\mathrm{com}}^2\frac{\mathrm{\π}}{8}}\≈{1.17q}_0$

支管流量变化幅值为：

ΔQ＝Q_max-Q_min≈1.5q₀-1.17q₀＝0.33q₀

两个喷头的流量曲线及流量和的曲线如图5所示。图中曲线1和2是支管上两个喷头转动一周内的流量曲线；曲线3为两喷头流量和的曲线。

当支管上喷头数为n＝4时，安装时可将每两个相邻喷头作为一小组，转角α相差

，两小组之间的喷头转角相差

，此时支管流量变化幅值最小，其流量曲线如图6所示。图中曲线1和2以及3和4分别是支管上第一组和第二组内的两个喷头转动一周内的流量曲线；曲线5和6分别为喷头1和2以及3和4流量和的曲线。曲线7为曲线5和6的叠加，即为支管上4个喷头流量和的曲线。

可以计算出本例中支管流量的变化量。由方形喷洒域喷头流量方程知，支管流量最大值为：

Q_max＝1.5q₀+1.17q₀＝2.67q₀

支管流量最小值为：

$Q_{\min }={2q}_0\frac{1}{{2\cos }^2\frac{\mathrm{\π}}{16}}+{2q}_0\frac{1}{{2\cos }^2\frac{3\mathrm{\π}}{16}}\≈1.04+1.45={2.49q}_0$

支管流量变化幅值为：

ΔQ＝Q_max-Q_min≈2.67q₀-2.49q₀＝0.18q₀

依次类推，当支管上变量喷头数量为2的幂次方时，即支管上喷头数n＝2^k(k＝1，2，3，...)时，每两个相邻喷头为一组，安装时使其初始转角α相差相邻两组之间的喷头转角相差

，此时支管流量变化幅值最小。

可以计算出该种情况下支管流量变化量。支管流量最大值的递推公式为：

$Q_{\max }^{2^k}=Q_{\max }^{2^{k-1}}+Q_{\min }^{2^{k-1}}---\left(1\right)$

式中：

—喷头数为2^k的支管流量最大值；

—喷头数为2^k-1的支管上流量最大值；

—喷头数为2^k-1的支管上流量最小值；

支管流量最小值为：

$Q_{\min }^{2^k}={2q}_0\frac{1}{{2\cos }^2\frac{\mathrm{\π}}{2^{k+2}}}+{2q}_0\frac{1}{{2\cos }^2\frac{3\mathrm{\π}}{2^{k+2}}}+\·\·\·+{2q}_0\frac{1}{{2\cos }^2\frac{(2^k-1)\mathrm{\π}}{2^{k+2}}}---\left(2\right)$

支管流量的变化幅值为：

${\mathrm{\ΔQ}}^{2^k}=Q_{\max }^{2^k}-Q_{\min }^{2^k}---\left(3\right)$

当支管上变量喷头数不等于2的幂次方时，可以按照如下步骤进行喷头初始转角的安装。

步骤1：将喷头分成若干组。

分组时可以先从原喷头数中分出第一组，然后再从剩余喷头数中分出第二组，依次类推。每组喷头数为2的幂次方，且第一组的幂为可以从原喷头数中分出来的最大的幂，第二组的幂为可以从第一组分完后剩余喷头数中分出来的最大的幂，后面各组依次类推。

以上过程可以用严密的数学方法表达如下。

令：

$n=\underset{i=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{2}^{k_i}---\left(4\right)$

并使：

$2^{k_1}\≤n\≤2^{k_1+1}$

$2^{k_2}\≤n-2^{k_1}\≤2^{k_2+1}---\left(5\right)$

$2^{k_{t-1}}\≤n-\underset{i=1}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}{2}^{k_t}\≤2^{k_{t-1}+1}$

按照上述公式可以确定出各组的喷头数。

步骤2：每组内喷头按照喷头数为2的幂次方的情况下喷头转角确定方法确定初始安装角，并按照初始安装角安装各组喷头。

这样可以保证喷头流量变化被最大程度的抵消，从而保证支管总流量变化幅度最小。按上述公式可以分别求出各组内喷头流量之和的最大值

、最小值

以及变化量

由于各组内喷头数目相差

倍，组间喷头流量之和也相差

倍，且各组喷头流量和的曲线的周期也相差

倍，各组喷头流量和的曲线在叠加后的最大值和最小值已经基本没有规律可循。因此，将各组内喷头流量和的最大值直接相加，最小值直接相加，即可作为支管流量的最大值Q_max和最小值Q_min，如下式所示：

$Q_{\max }=\underset{i=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\max }^{2^{k_i}}$

$Q_{\min }=\underset{i=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\min }^{2^{k_i}}---\left(6\right)$

$\mathrm{\ΔQ}=\underset{i=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\max }^{2^{k_i}}-\underset{i=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\min }^{2^{k_i}}$

举一实例说明上述过程：当支管上的喷头数n＝12时，根据(4)式可分为两组，第一组喷头数为2³＝8个，第二组喷头数为2²＝4，即n＝2³+2²，k₁＝3，k₂＝2，n满足(5)式。第一组喷头安装时每两个相邻喷头为一小组，安装时使其初始转角α相差，两小组之间的喷头转角相差

；第二组喷头安装时仍然为每两个相邻喷头为一小组，使其初始转角α相差

，两小组之间的喷头转角相差

；每此时支管流量变化幅值最小。

还可以计算该支管喷头流量变化幅值。

将k＝3代入公式(2)，可得第一组喷头流量和的最小值为：

$Q_{\min }^8={2q}_0\frac{1}{{2\cos }^2\frac{\mathrm{\π}}{2^{3+2}}}+{2q}_0\frac{1}{{2\cos }^2\frac{3\mathrm{\π}}{2^{3+2}}}+{2q}_0\frac{1}{{2\cos }^2\frac{5\mathrm{\π}}{2^{3+2}}}+{2q}_0\frac{1}{{2\cos }^2\frac{(2^3-1)\mathrm{\π}}{2^{3+2}}}\≈{5.06q}_0$

将k＝3代入公式(1)，可得第一组喷头流量和的最大值为：

$Q_{\max }^8=Q_{\max }^4+Q_{\min }^4\≈{2.67q}_0+{2.49q}_0={5.16q}_0$

根据公式(6)，代入上述计算结果，得支管流量最大值

、最小值

以及流量变化幅值ΔQ¹²：

$Q_{\max }^{12}=Q_{\max }^8+Q_{\max }^4\≈{5.16q}_0+{2.67q}_0={7.83q}_0$

$Q_{\min }^{12}=Q_{\min }^8+Q_{\min }^4\≈{5.06q}_0+{2.49q}_0={7.55q}_0$

${\mathrm{\ΔQ}}^{12}=Q_{\max }^{12}-Q_{\min }^{12}\≈{7.83q}_0-{7.55q}_0={0.28q}_0$

由此可见，本发明的喷头安装方法可以使支管流量变化幅值大大降低，从而提高了变量喷头组合喷灌系统的压力和流量的稳定性。

Claims (1)

1.一种提高变量喷头组合喷灌系统流量稳定性的喷头安装方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

当支管上变量喷头数量为2的幂次方时，即支管上喷头数n＝2^k时，其中k为自然数，以每两个相邻喷头为一组，安装时使其初始转角α相差相邻两组之间的喷头转角相差此时支管流量变化幅值最小；

当支管上变量喷头数不等于2的幂次方时，按照如下步骤进行喷头初始转角的安装：

步骤一：将喷头分成若干组，分组时先从原喷头数中分出第一组，然后再从剩余喷头数中分出第二组，依次类推，使每组喷头数为2的幂次方；且第一组的幂为从原喷头数中分出来的最大的幂，第二组的幂为从第一组分完后剩余喷头数中分出来的最大的幂，后面各组依次类推；

步骤二：每组内喷头按照喷头数为2的幂次方的情况下喷头转角确定方法确定初始安装角，并按照初始安装角安装各组喷头；从而保证支管总流量变化幅度最小。

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