CN105160096B - 一种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法，属于节水灌溉喷灌系统中水量分布模型的建立方法。具体为：在确定喷头的型号、喷洒试验收集方法及布置方式的情况下设计在不同影响因素下单喷头的水量分布的试验。利用单喷头的水量分布实验数据，在确定喷头组合方式和组合间距后，计算出组合喷灌均匀度。分析不同因素下组合喷灌均匀度数据，确定主要影响因素，次要影响因素及各个因子直接的互作关系。最后建立三维动态水量分布模型。该建立方法为多因素下水量分布模型的建立提供理论依据。

Description

一种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法

技术领域

本发明涉及节水灌溉喷灌系统中水量分布模型的建立方法，特别是一种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法。

背景技术

节水灌溉不仅是我国国民经济和社会可持续发展所要求的,也是我国农业资源,尤其是水资源短缺、水土资源配置失衡等严峻形势所决定的。喷灌作为一种先进的节水灌溉技术，能提高灌溉水利用率，具有广阔的发展空间。喷灌均匀度是指在喷灌面积上水量分布的均匀程度，它是喷灌系统的重要性能，是衡量喷灌质量的重要指标和喷灌系统规划设计中的重要参数。喷洒的水量分布是决定喷洒均匀性重要因素之一，影响作物的品质，而影响喷洒水量分布的因素众多，主要包括：喷头的流量、工作压力、喷头的转动均匀性、喷洒时间、风速风向、喷嘴结构形式等。现有喷灌水量分布模型多采用线性回归的方法，在距喷头的距离与喷灌强度的二维空间建立。然而，水量分布模型应结合不同影响因素，建立相应的径向、周向与喷灌强度随时间变化的三维水量分布模型，会更接近不同类型喷头的实际喷洒情况，更准确地预测出灌水效率等参数，使模型更具有普遍适用性。因此提出一种变转速喷头三维动态水量分布模型确定方法具有重要意义。

经检索，目前还没有相关的申报专利。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法，包括以下步骤，

1.一种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法，其特征在于，设计方法按下列步骤进行：

步骤一，确定喷头型号：

选定喷头型号，确定选定喷头的工作压力范围，以及喷头旋转一圈转速的变化次数；

步骤二，确定喷洒试验收集方法及布置方式：

使用通用的雨量筒进行水量收集，并采用径向布置的方式排列雨量筒；

步骤三，确定单喷头的水量分布的影响因素并进行试验：

通过径向分布的雨量筒法收集不同影响因素下单喷头的喷灌强度hi、雨滴直径D、雨滴累积频率f的试验数据，其中水量分布由喷灌强度hi得到，水滴分布由雨滴直径D与雨滴累积频率f得到；

步骤四，确定喷头组合方式和组合间距：

采用矩形组合，喷头与喷头间横向距离为1m，纵向距离为1m；

步骤五，利用单喷头的水量分布实验数据，计算出组合喷灌均匀度：

使用三次样条插值法处理单喷头组合的数据，然后利用克里斯琴森均匀度计算公式进行计算得到组合喷灌均匀度；

三次样条差值法的计算模型如图1所示，三次样条插值法的计算方法为：

计算喷灌区域内任意一点P的水深，通过径向插值分别计算出各辐射线上与网格点P距喷头相同远处Ai的降水深Di(i＝1、2、...、6)，利用同一圆周上的数据采用与径向插值方法相同的插值方法计算出所求网格点P的降水深Dp；

进行径向插值，通过L_i(i＝1、2、…、6)上测得的雨量筒数据d_ij(i＝1、2、…、6；j＝1、2、…、n)，其中n为每条辐射线上雨量筒的个数，选用一种插值方法，分别求出A_i(i＝1、2、…、6)点的降水深D_i：Di＝F_i(d_ij,r)(i＝1、2、…、6；j＝1、2、…、n)，式中：F_i—径向插值函数；

进行周向插值，通过上一步得到的Ai点的降水深D_i(i＝1、2、…、6)，对极角α采用与径向相同的插值方法进行周向插值，求出P点的降水深D_P：D＝F(D_j,α)(i＝1、2、…、6)，式中，F—径向插值函数；

划分区间[a，b]，其中，Δ:a＝x0<x1<…<xn＝b，同时建立在区间[a，b]上的函数f(x)，若函数分别满足下列条件：

一致通过n+1个型值点(xi，yi)，即s(xi)＝f(xi)＝yi(i＝0,1,2,...,n)；

二阶导数连续，即s(x)∈c[a,b]；

三次分段，即在每一个小区间[xi-1，xi]上均为三次多项式，

这样的s(x)称为[a,b]上以xi(i＝0,1,2,...,n)为节点的三次插值样条函数，三次插值样条函数的几何图形称为三次样条曲线，s(x)的公式如下：

将处理后的数据代入克里斯琴森均匀度计算公式，

式中Cu—喷灌均匀系数

h_i—第i个测点的降水深

h—喷洒面积上各测点平均降水深

n—测点数目。

步骤六，建立影响因素的数值关系式：

分析不同压力p，喷嘴直径d，流量系数μ，转速r、喷头仰角α，安装高度H因素下组合喷灌均匀度数据，使用非线性工具、多维尺度分析，进行非线性回归分析，依据组间均方差与组内均方差之比最大的原则来进行判别，确定主要影响因素，次要影响因素及各个因子直接的互作关系，建立p和r因素的线性函数X(p，r)，其中：p，r是相互影响的，不同压力p、喷嘴直径d、流量系数μ、转速r、喷头仰角α和安装高度H之间关系式为：

F(x)＝f(X(p，r)，d，μ，α，H)；

步骤七，建立三维动态水量分布模型：

在不同因素下，单喷头水量分布实验，通过三次样条插值法计算出矩形组合下的喷灌均匀强度，利用SPSS软件分析主要、次要影响因素及互助关系建立水量分布模型，之后考虑相应的径向、周向与喷灌强度随时间变化，继续使用SPSS软件，拟合出从三维动态水量分布模型，F’(x)＝f(X(p，r)，d，μ，α，H，t)，并最终确定各因素的影响大小。

本发明的技术效果是：1.本发明涉及一种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法，能结合不同影响因素，建立相应的径向、周向与喷灌强度随时间变化的三维水量分布模型，会更接近不同类型喷头的实际喷洒情况，使模型更具有普遍适用性；2.根据模型建立方法可以计算出不同类型喷头的三维动态水量分布，有利于喷灌前沿科学合理的选择合适的喷头。

附图说明

图1为三次三次样条插值法的计算模型图。

图2为喷头喷洒试验雨量筒径向布置示意图。

图3为试验系统示意图。

图4为喷头矩形组合方式示意图。

图5为模型建立流程图。

附图标记说明如下：1.储水槽 2.离心泵 3.输水管 4.流量计 5.压力表 6.喷头7.雨量筒。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明是一种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法，以尼尔森R33喷头建立三维动态水量分布模型为例，该方法的步骤包括：

步骤一：确定喷头型号

使用HR33喷头，该喷头的特点是工作压力范围为150kPa-350kPa，，每旋转一圈内转速变化大于6次。

步骤二：确定喷洒试验收集方法及布置方式

使用雨量筒收集，雨量筒的布置方式为径向布置。雨量筒与雨量筒的间距为1m。如图1

步骤三：设计在不同影响因素下单喷头的水量分布的试验。

如图2所示，通过径向分布的雨量筒法收集不同影响因素下单喷头的喷灌强度hi的实验数据如下表1，表2。水量分布由喷灌强度hi得到。

表1不同影响因素下单喷头的喷灌强度hi

表2不同影响因素下单喷头的喷灌强度hi

表3压力与转速试验关系

压力(kPa)	150	175	200	250
					转速(r/min)	0.85	0.95	1.05	1.25

步骤四：确定喷头组合方式和组合间距。

采用矩形组合，喷头与喷头间横向距离为1m，纵向距离为1m。如图3。

步骤五：利用单喷头的水量分布实验数据，计算出组合喷灌均匀度

使用三次样条插值法处理单喷头组合的数据，然后利用克里斯琴森均匀度计算公式(1)进行计算如下表4。

三次样条插值法计算模型为：

计算喷灌区域内任意一点P的将水深，分两步进行。如图2-5所示，首先通过径向插值分别计算出各辐射线上与网格点P距喷头相同远处A_i的降水深D_i(i＝1、2、...、6)，再利用同一圆周上的数据采用与径向插值方法相同的插值方法计算出所求网格点P的降水深D_p。

第一步径向插值：通过Li(i＝1、2、…、6)上测得的雨量筒数据d_ij(i＝1、2、…、6；j＝1、2、…、n)，其中n为每条辐射线上雨量筒的个数，选用一种插值方法，分别求出A_i(i＝1、2、…、6)点的降水深D_i：

D_i＝F_i(d_ij,r)(i＝1、2、…、6；j＝1、2、…、n)

式中：Fi——径向插值函数

第二步周向插值：通过上一步得到的Ai点的降水深Di(i＝1、2、…、6)，对极角α采用与径向相同的插值方法进行周向插值，求出P点的降水深D_P：

D＝F(D_j,α)(i＝1、2、…、6)

式中：F——径向插值函数

给定区间[a，b]的一个划分：

Δ:a＝x₀<x₁<…<x_n＝b

和区间[a，b]上的一个函数f(x)。

若函数满足下列条件：

1.一致通过n+1个型值点(x_i，y_i)，即

s(x_i)＝f(x_i)＝y_i(i＝0,1,2,...,n)

2.二阶导数连续，即s(x)∈c[a,b]

3.三次分段，即在每一个小区间[x_i-1，x_i]上均为三次多项式。

这样的s(x)称为[a,b]上以x_i(i＝0,1,2,...,n)为节点的三次插值样条函数，三次插值样条函数的几何图形称为三次样条曲线。s(x)的公式如下：

克里斯琴森均匀度计算公式：

式中C_u—喷灌均匀系数

h_i—第i个测点的降水深

h—喷洒面积上各测点平均降水深

n—测点数目

表4不同因素下组合喷灌均匀度

步骤六：分析不同压力p，喷嘴直径d，流量系数μ，转速r、喷头仰角α，安装高度H因素下组合喷灌均匀度数据，使用非线性工具，进行非线性回归分析试验数据，借用一元方差分析的思想，即依据组间均方差与组内均方差之比最大的原则来进行判别,确定了主要影响因素为压力p，喷嘴直径d，流量系数μ，转速r。次要影响因素为喷头仰角α，安装高度H；转速与压力具有互作用的关系。同时借方差分析的工具构造线性判别函数，建立不同压力p、喷嘴直径d、流量系数μ、转速r、喷头仰角α和安装高度H之间关系式：

F(x)＝1.23p^2/3α^0.4d^5/2μ^0.7H^1.1

其中，p，r是相互影响的关系式为X(p，r)。

步骤七：建立三维动态水量分布模型。

在不同因素下，单喷头水量分布实验，使用三次样条插值法计算出矩形组合下，喷灌均匀强度，利用SPSS软件，分析主要，次要影响因素及互助关系建立水量分布模型，之后考虑相应的径向、周向与喷灌强度随时间变化，继续使用SPSS软件，拟合出从三维动态水量分布模型,技术路线如图4。

建立它们的关系式为：

该模型能结合不同影响因素(压力p，喷嘴直径d，流量系数μ，转速r、喷头仰角α，安装高度H因素)，确定压力p，喷嘴直径d，流量系数μ，转速r为主要影响因素，喷头仰角α，安装高度H为次要影响因素，建立相应的径向、周向与喷灌强度随时间变化的三维水量分布模型。该模型由于明确了主次影响因素，并加入了时间变量，所以会更接近的实际喷洒情况。同时，根据模型计算HR33喷头的三维动态水量分布，有利于判断在实际喷灌需求中该喷头是否适合。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种变转速喷头三维动态水量分布模型建立方法，其特征在于，设计方法按下列步骤进行：

步骤一，确定喷头型号：

选定喷头型号，确定选定喷头的工作压力范围，以及喷头旋转一圈转速的变化次数；

步骤二，确定喷洒试验收集方法及布置方式：

使用通用的雨量筒进行水量收集，并采用径向布置的方式排列雨量筒；

步骤三，确定单喷头的水量分布的影响因素并进行试验：

通过径向分布的雨量筒法收集不同影响因素下单喷头的喷灌强度hi、雨滴直径D、雨滴累积频率f的试验数据，其中水量分布由喷灌强度hi得到，水滴分布由雨滴直径D与雨滴累积频率f得到；

步骤四，确定喷头组合方式和组合间距：

采用矩形组合，喷头与喷头间横向距离为1m，纵向距离为1m；

步骤五，利用单喷头的水量分布实验数据，计算出组合喷灌均匀度：

使用三次样条插值法处理单喷头组合的数据，然后利用克里斯琴森均匀度计算公式进行计算得到组合喷灌均匀度；

步骤六，建立影响因素的数值关系式：

分析不同压力p，喷嘴直径d，流量系数μ，转速r、喷头仰角α，安装高度H因素下组合喷灌均匀度数据，使用非线性工具、多维尺度分析，进行非线性回归分析，依据组间均方差与组内均方差之比最大的原则来进行判别，确定主要影响因素，次要影响因素及各个因子直接的互作关系，建立p和r因素的线性函数X(p，r)，其中：p，r是相互影响的，不同压力p、喷嘴直径d、流量系数μ、转速r、喷头仰角α和安装高度H之间关系式为：

F(x)＝f(X(p，r)，d，μ，α，H)，即为：F(x)＝1.23p^2/3α^0.4d^5/2μ^0.7H^1.1；

步骤七，建立三维动态水量分布模型：

在不同因素下，单喷头水量分布实验，通过三次样条插值法计算出矩形组合下的喷灌均匀强度，利用SPSS软件分析主要、次要影响因素及互助关系建立水量分布模型，之后考虑相应的径向、周向与喷灌强度随时间变化，继续使用SPSS软件，拟合出从三维动态水量分布模型，F’(x)＝f(X(p，r)，d，μ，α，H，t)，即为：并最终确定各因素的影响大小。