Московский экономический журнал 3/2021

УДК 631.347

DOI 10.24412/2413-046Х-2021-10191

ФОРМИРОВАНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНОГО ДОЖДЕВОГО ОБЛАКА ПРИ ПОЛИВЕ ДЕФЛЕКТОРНЫМИ НАСАДКАМИ КРУГОВОГО ДЕЙСТВИЯ 

FORMATION OF A FINE-DISPERSED RAIN CLOUD WHEN IRRIGATION WITH CIRCULAR DEFLECTOR NOZZLES 

Акпасов Антон Павлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, исполняющий обязанности заведующего отделом, ФГБНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации», Саратовская обл., Энгельсский р-н, р.п. Приволжский, 1a9@mail.ru

Akpasov Anton P., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Acting Head of Department, Volzhsky Research Institute of Hydraulic Engineering and Land Reclamation, Saratov Region, Engels District, r.p. Privolzhsky

Русинов Алексей Владимирович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Техносферная безопасности и транспортно-технологические машины», ФГБОУ ВО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова», г. Саратов, rusinovsar@yandex.ru

Rusinov Aleksey V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Technosphere Safety and Transport and Technological Machines, Saratov State Agrarian University named after N.I. Vavilov «, Saratov Teatralnaya pl. 1

Бельтиков Борис Николаевич, младший научный сотрудник, ФГБНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации», Саратовская обл., Энгельсский р-н, р.п. Приволжский, boris13021976@gmail.ru

Beltikov Boris N., junior researcher, Volzhsky Research Institute of Hydraulic Engineering and Land Reclamation, Saratov Region, Engels District, r.p. Privolzhsky 

Аннотация. В настоящей статье рассматривается влияние конструктивных параметров кольцевой канавки дефлектора дождевальной насадки кругового действия на формирование оптимальной крупности капель при орошении широкозахватными дождевальными машинами кругового и фронтального передвижения. Рассматриваются 4 участка дефлектора с канавкой, где жидкость ведет себя по-разному в зависимости от критерий Вебера и Рейнольдса на этих участках. Введен коэффициент, определяющий концентрацию воды в единицу потока воздухо-жидкостного факела. Представлены результаты лабораторных и полевых исследований влияния кольцевой канавки на дефлекторе дождевальной насадки на крупность капель.

Summary. This article examines the influence of the design parameters of the annular groove of the deflector of the circular sprinkler nozzle on the formation of the optimal droplet size during irrigation with wide-grip sprinklers of circular and frontal movement. 4 sections of the deflector with a groove are considered, where the fluid behaves differently depending on the Weber and Reynolds criterion in these sections. A coefficient has been introduced that determines the concentration of water per unit flow of the air-liquid torch. The results of laboratory and field studies of the effect of the annular groove on the sprinkler deflector on the droplet size are presented.

Ключевые слова: дождевальная насадка, дефлектор, кольцевая канавка, крупность капель, критерий Вебера, критерий Рейнольдса, интенсивность дождя.

Key words: sprinkler head, deflector, annular groove, droplet size, Weber criterion, Reynolds criterion, rain intensity.

Урожайность сельскохозяйственных культур и плодородие почвы при поливе дождевальных машин во многом определяется агротехническими характеристиками полива применяемых дождевателей.

Основные требования, которые предъявляются к современным дождевателям:

• обеспечение равномерного полива по всему полю орошаемого участка;
• формирование эрозионно-безопасного дождя с допустимой интенсивностью и крупностью капель для данных почвенно-рельефных условий;
• исключение значительного уплотнения и разрушение верхнего слоя почвы;
• исключение образования стока и распределение осадков по полю, вызывающих эрозионные процессы и инфильтрационные потери;
• обеспечение хорошей проходимости дождевальной машины;
• обеспечение минимальных потерь оросительной воды на испарение и снос ветром, а также повышение ветроустойчивости дождя.

Дефлекторные насадки (рисунок 1) обеспечивают качественный распыл дождя в большом диапазоне расхода воды (0,1  — 3,8 л/с), а возможность регулирования насадки на требуемый расход воды на стадии изготовления и простота конструкции привели к широкому применению их на дождевальных машинах отечественного и зарубежного производства [1].

Однако, несмотря на достоинства, насадка не лишена недостатков, а именно большую неравномерность полива, потери воды на снос и испарение.

Как показали исследования [8], при увеличении скорости ветра до 2,5 ÷ 3,5 м/с дальность полета струи дождя снижается до 16 м по ветру и до 8 м против ветра,  общая ширина захвата орошаемой площади дождем составляет 24 м. С увеличением скорости ветра от 5,2 до 10 м/с и выше ширина захвата дождем с наветренной стороны увеличивается до 30 м, а с подветренной стороны ширина захвата снижается от 4 до 6 метров. При изменении направления ветра на противоположное отмечается недополив смежных позиций на участке шириной до 10 ÷ 12 м.

Исследования по равномерности распределения дождя [2] по площади захвата свидетельствует, что коэффициент эффективного полива равный 0,7 соответствует дождеванию при скорости ветра до 3 м/с. При увеличении скорости ветра более 3 м/с коэффициент эффективного полива снижается, особенно резко при направлении ветра перпендикулярно к оси трубопровода и возрастает до 0,7 при направлении ветра вдоль оси трубопровода.

Интенсивность дождя при колебаниях скорости ветра от 3 до 10 м/с варьирует в пределах от 0,108 до 0,648 мм/мин. Увеличение интенсивности дождя до 0,648 мм/мин отмечено при увеличении ветра до 10 м/с.

При напоре 0, 35 МПа, скорости ветра 3,5 м/с и направлении его под углом 30-40° к трубопроводу коэффициент эффективного полива площади составляет 0,855. При такой же скорости ветра и направлении его под углом до 50° коэффициент эффективного полива снижается до 0,694, несмотря на увеличение напора воды в трубопроводе. При снижении скорости ветра до 3 м/с и увеличении напора воды в трубопроводе до 0,5 МПа коэффициент эффективного полива поддерживается в пределах 0,7.

Как показывают исследования крупность капель колеблется для среднеструйных аппаратов ДМ» Фрегат» от 0,8 до 1,8 мм тогда как у дефлекторных насадок от 0,54 до 0,87, то есть в два раза меньше. Та же зависимость прослеживается и по скорости падения капель, так для дождевальных аппаратов 6…12 м/с, дефлекторных насадок 3м/с, что явно свидетельствует о преимуществе последних.

Тем не менее, очень низкая равномерность и высокая интенсивность полива дефлекторных насадок еще и еще раз свидетельствует, о том, что резерв в улучшении качества дождя путем совершенствования конструкций имеется.

При рассмотрении дробления струй воды в воздухе мы учитывали, что на процесс каплеобразования кроме давления существенно влияют вязкость жидкости, плотность воздуха, а так же скорость и  вид истечения жидкости.

Учитывая тот факт, что пленка воды на поверхности рассекателя имеет сплошной характер и определяет диаметр и дальность полета капель, необходимо определить, какой вид препятствия необходимо иметь на поверхности конуса.

Выполнение канавки треугольного сечения по окружности дефлектора насадки кругового действия обеспечит оптимальную крупность капель и равномерность полива по всей площади орошения, если выполнить ее, соблюдая необходимые конструктивные параметры. Кроме того, треугольная форма сечения канавки проще выполнить технологично.

Последнее, в основном определяет начало процесса каплеобразования, а в сочетании с другими факторами определяет крупность, дальность полета капель и т.д.

Учитывая, что  из насадки воды вылетает в виде пленки по конусу рассекателя, будем рассматривать процесс дробления на капли, как дробление пленки.

Струи воды, движущиеся одновременно в осевом и радиальном направлении, развертываются по конусу рассекателя в коническую пленку, которая по мере удаления от вершины конуса становиться все тоньше и, наконец, после схода с конуса потеряв устойчивость, дробиться на отдельные капли. Это характерно для малых скоростей истечения жидкости, менее 15 м/с, имеющих место в дождеобразующих устройствах на современных дождевальных машинах [4].

Таким образом, выдвинутая гипотеза, в начале, о влиянии вида течения жидкости на процесс каплеобразования, на наш взгляд, наиболее целесообразна с точки зрения научного исследования и решения её математически и конструктивно.

Известно, что любое препятствие на пути течения жидкости приводит к изменению его вида. В нашем случае выступы и впадины более приемлемы для изменения вида потока на конусном рассекателе.

Это позволит турбулизировать поток уже на поверхности конуса, до ее схода ускорить процесс каплеобразования, что, естественно приведет к большей однородности капель и равномерности полива.

При этом не будет оказывать негативного влияния на радиус и норму полива.

Физический смысл выполнения препятствия на пути потока жидкости заключается в придания потоку жидкости турбулентного характера течения до схода её с конуса. Таким образом, процесс каплеобразования во времени  можно сдвинуть на доли секунды раньше [3].

Предлагаемая конструкция экспериментально доказывает факт преждевременного частичного дробления водяной пленки на конусе рассекателя и определяет критерий, характеризующий этот процесс. Это позволяет установить предельные размеры капель и радиус полива.

Учитывая тот факт, что пленка воды на поверхности рассекателя имеет сплошной характер и определяет диаметр и дальность полета капель, необходимо определить, какой вид препятствия необходимо иметь на поверхности конуса.

Вода под напором проходит по усеченному конусу сопла  и попадает на дефлектор, где, растекаясь, поток воды в близости от конуса попадает в канавки, приобретает усиленное турбулентное движение и распадается на мелкие капли, которые, отрываясь, от общего потока воды, образуют мелкодисперсный дождь с достаточной интенсивностью непосредственно вблизи от насадки. Струя у поверхности потока продолжает свое движение по периферии к сходу с дефлектора.

Выполнение канавки треугольного сечения по окружности дефлектора насадки кругового действия обеспечит оптимальную крупность капель и равномерность полива по всей площади орошения, если выполнить ее, соблюдая все конструктивные параметры.

Проанализировав различные теоретические концепции распада струй, мы воспользовались теорией Ландау Л. Д., согласно которой основной причиной распада считаются турбулентные пульсации, приводящие к отрыву отдельных частиц жидкости от основной струи.

В поток жидкости, движущийся по поверхности конуса дефлектора, как отмечалось в исследованиях А. П. Исаев, на процесс дождеобразования влияют критерии Рейнольдса (Re) и Вебера (We).

За счет большого напора при выходе с сопла насадки вода обретает турбулентный характер, при котором число Рейнольдса будет Re = 1,3 · 10⁶ и находилось из выражения:

где ν – кинематический коэффициент вязкости.

Значение We мы определили из выражения:

где σ – коэффициент поверхностного натяжения воды.

Но далее поток встречает канавку треугольного сечения, где возникает разрежение, и вода, попадая в нее, образует вихри Тейлора – Гетлера. Вихри Тейлора — Гертлера являются локальными трехмерными структурами и обусловлены искривлением линий тока отрывного течения. Согласно исследованиям многих ученых, поведение жидкости внутри канавки или каверны зависит от числа Рейнольдса и отношением a/b (a – ширина канавки, b – глубина канавки).

Согласно Л. Прандтлю, равновесие сил приложенных к потоку получается из условия равенства аэродинамического и капиллярного давлений:

где К_п – коэффициент пропорциональности, учитывающий соотношение сил, при котором наступает дробление потока.

Коэффициент К_п определяется экспериментально и остается неизменным для всех значений коэффициента сопротивления воздуха С_v:

В этом случае условие распада потока определяется числом Вебера.

Многие ученые давали значения критического числа Вебера(We=7,5÷15), при котором поток начинает распадаться на капли. Расчеты показали, что до канавки на рассекателе число Вебера составляет We= 18, а увеличение толщины пленки после прохождения канавки приводит к повышению данного числа и увеличению силы тяжести пленки. Увеличение чисел We и Re свидетельствует о существенном влиянии канавки на целостность потока и разрушает участок 3 на мелкодисперсный дождь. Выполнение канавки до точки отрыва С, способствует отрыву капель после прохождения потоком канавки, повышает равномерность полива. При этом дефлекторные насадки рекомендуется устанавливать на водопроводящем поясе дождевальной машины по учащенной схеме.

В случае распада плоской пленки при не значительных скоростях течения жидкости (при значениях числа Вебера больше 10), что мы имеем для насадки с коническим рассекателем диаметр капель определяется по формуле [5]:

где ρ₂  — плотность жидкости;

v – скорость течения жидкости;

λ – длина волны ,

а – толщина пленки;

σ – поверхностное натяжение.

Анализ выражения (4) показывает, что диаметр капель обратно-пропорционален плотности и квадрату скорости потока жидкости. При этом данное выражение дает не точное представление о степени распыла, т.к. является средним значением размера капель.

Картина распада пленки жидкости на капли определяется, прежде всего, способом распыливания и устройством насадки. На рисунке 2 показано разрушение пленки при сходе с конуса дефлекторной насадки с идеальной поверхностью конуса [6].

Хорошо видны характерные стадии: образование каверн (I), разрушение отделяющих их перемычек (II), отрыв мелких капель(III) [57, 59].

На участке I, обычно не превышающий 2-3 см, поток жидкости, сошедший с дефлектора, еще имеет сплошной характер, с отрывом незначительного числа капель небольшого диаметра. На участкеIIнаблюдается раздробление потока на отдельные струи и капли большего диаметра, в конце которого возникает окончательно разрушение ядра струи. Длины сплошного участка l₁ и участка раздробленного потока l₂ определяются по формуле Исаева А. П. [3]:

где D– диаметр струи, мм.

Re – число Рейнольдса для условия потока в данном участке.

Участок III характеризуется окончательным распылом струи и полетом отдельных капель до взаимодействия с почвой и растениями, длинуl₃ которого можно определить по формуле Люгера, введя в нее поправочные коэффициенты:

гдеН_В– параметр подъема струи, м;

K_Н– коэффициент, определяющийся величиной подъема струи;

K_Р–коэффициент, зависящий от качества изготовления дождевателя, его коэффициента расхода.

Образование капель завершается на расстоянии равном 8 – 30 b и более толщин пленки сходящей с конуса.

Конкретное значение длин участков зависит так же от скорости истечения, свойств жидкости и др.

При определении параметров канавки, нас в первую очередь  интересует, её местоположение и ширина, которая как раз и определяет формирование газожидкостного факела при сходе с поверхности конуса на грани канавки (Рисунок 3)[9].

На рисунке 3 показаны четыре участка, в которых поток жидкости ведет себя по-разному. На 1 участке поток жидкости из сопла, попав на вершину конуса дефлектора, имеет сплошность и образует пленку определенной толщины. В конце 1 участка поток достигает канавки,и происходит столкновение части потока со стенкой канавки и турбулизация на 2 участке, которые способствуют раннему отрыву капель и падению их на небольшое расстояние от насадки. Длина 2 участка обуславливается шириной канавки.

В начале 3 участка поток жидкости продолжает движение, а турбулентность, возникшая на 2 участке, способствует интенсивному отрыву капель и движению их по своей траектории. На 3 участке водяная пленка полностью сходит с дефлектора, где начинается 4 участок разрушения водяной пленки, описанный выше.

Формирование капель на данной стадии факела определяется их взаимодействием с окружающей средой, которой они передают часть своей энергии, вызывая его перемещение и турбулизацию [7].

Вначале капли располагаются очень близко, что имеют признаки сплошной среды, за пределами которой капли ведут себя как одиночные.

При этом полное формирование факела должно иметь место в пределах ширины (h) канавки (Рисунок 3).

Это и будет находиться в пределах границы начала формирования капельного потока. Следовательно, для нашего случая оптимальное значение ширины канавки будет соответствовать 8-10 толщины пленки. Тогда фактическое значение ширины канавки будет составлять от 4 максимум до 8 мм. Немаловажным фактором является определение расположения канавки на поверхности конуса относительно кромки схода воды с дефлектора. Для этого необходимо проследить развитие формирования дождя дефлекторными насадками.

Используя полученные данные можно утверждать, что β<0,015 капли жидкости могут рассматриваться как одиночные (II стадия). Тогда грань канавки должна располагаться от края дефлектора на расстоянии менее 8 толщин пленки или на расстоянии не менее 4мм и не более 8 мм с учетом ширины канавки, передняя грань канавки по направлению течения жидкости должна располагаться от 8 до 16 мм [2].

Как показано на рисунке 4 на дефлекторе объем воды от попадания потока на вершину дефлектора до взаимодействия с канавкой будет состоять из разницы объемов конусов А₁ и А’₁:

отсюда:

где h₁– высота конуса, создаваемого потоком воды, мм;

h’₁–высота конуса от вершины дефлектора до окружности в начале канавки, мм;

r₁ – радиус окружности в начале канавки, мм;

      δ – толщина пленки воды, мм.

 

После прохождения канавки объем воды будет складываться из разницы объемов двух усеченных конусов А₂и А’₂:

отсюда:

где h₂– высота усеченного конуса, мм;

r₂ – радиус окружности в конце канавки, мм;

r₁ – радиус окружности основания дефлектора, мм.

Плотность потока воды до канавки ρ₁(г/мм³) будет больше плотности потока после канавки ρ₂(г/мм³)  из-за интенсивного распада потока на капли и увеличения давления растворенных в воде газов. Плотность ρ₁ определяется:

где m – масса жидкости, г.

По исследованиям [3] плотность воды после прохождения канавки ρ₂ будет определена по выражению:

Где ρ_a — плотность воздуха, г/мм³;

K_d–коэффициент концентрации воды в единице потока.

Изменение конструкции насадок привело к изменению диаметра капель дождя и равномерности площади полива. Отмечено, что наличие канавки на поверхности конуса рассекателя приводит к снижению среднего диаметра капель на 15 – 25%. Данное обстоятельство может быть учтено коэффициентом K_d и, исходя из выражения 16, определено выражением:

Таким образом, используя свойства жидкости и принципы формирования факела жидкости сходящей пленкой с конца дефлектора, можно сформировать дождевое облако с определенными параметрами, что очень важно при орошении сельскохозяйственных культур дождевальными машинами.

На рисунке 6 изображены диаграммы распределения капель различного диаметра при поливе дефлекторной насадкой с канавкой и дефлекторной насадкой кругового действия разработки ВолжНИИГиМ.

Анализируя данные диаграммы, можно заметить, что при поливе дефлекторной насадкой с канавкой процентное отношение капель диаметров 0,6 – 0,8 мм и 1,0 – 1,5 мм больше, чем при поливе дефлекторной насадкой кругового действия (на 5 % и 8 % соответственно). Капли такого размера существенно меньше оказывают негативного влияния на рассаду, сток и смыв почвы.  Число капель диметром 0,3 – 0,5 мм также больше у дефлекторной насадки с канавкой, говоря о том, что, проходя канавку, уже большее количество воды отрывается от общего потока и орошает площадь в непосредственной близости от насадки. Также у дефлекторной насадки с канавкой на 5 % меньше капель диаметром более 2 мм, чем у прототипа.

На рисунке 7 изображен график изменения коэффициента K_d в зависимости от расположения начала канавки от ширины канавки.

Из графика можно заметить, что при ширине канавки 3 мм и менее коэффициент K_d более 0,9, что говорит о несущественном изменении среднего диаметра капель. При ширине канавки 5мм и более коэффициент K_d снижается до 0,5, что говорит о формировании большого количества капель диаметром 0,2 ÷ 0,5 мм. Снижение среднего диаметра капель на 70% относительно аналоговой дефлекторной насадки наблюдается при ширине 4 мм, который будет находиться в пределах d_к = 0,6 – 0,8 мм.

Основываясь на экспериментальных данных, можно сделать вывод, что оптимальную крупность капель d_к = 0,6 – 0,8 мм при поливе дефлекторной насадкой кругового действия с диаметром отверстия сопла 8 мм при напоре воды 0,1 – 0,15 МПа можно получить при выполнении на дефлекторе кольцевой канавки шириной 4 мм. Экспериментальные данные также показали, что увеличение ширины канавки и напора ведет к существенному и резкому увеличению среднего диаметра капель в дождевом облаке насадки, что нежелательно при орошении, так как капли такого размера вредят сельскохозяйственным культурам и способствуют водной эрозии почвы.

Литература

1. Акпасов, А. П. Совершенствование конструкции дефлекторных насадок для увеличения равномерности полива // «Проблемы и перспективы развития мелиорации в современных условиях» ВолжНИИГиМ. – Энгельс, 2016. – С. 87 – 93.
2. Акпасов, А. П. Детализация распада струи на дефлекторе дождевальной насадки // Материалы Международной научно-технической конференции. – Тюмень, 2017. – С. 22 – 26.
3. Исаев, А. П. Гидравлика дождевальных машин / А. П. Исаев. – М. : Машиностроение, 1973. – 215 с.
4. Лебедев, Б. М. Дождевальные машины: теория и конструкции/ Б. М. Лебедев. – М. : Машиностроение, 1977. – 246 с.
5. Надежкина, Г. П. Энергетические показатели дождя ДМ «Фрегат» / Надежкина Г. П., Слюсаренко В. В. Акпасов А. П. // «Известия» Самарская ГСХА. – 2015. — № 3 – С. 20-22.
6. Пажи Д. Г. Основы техники распыливания жидкостей / Пажи Д. Г., Галустов В. С. // — М.: Химия — 1984. – 256 с.
7. Поспелов, А. М. Дождевание / А. М. Поспелов. – М. : Сельхозиздат. – 1962. – 61 с.
8. Рыжко, Н.Ф. Улучшение качественных показателей полива дождевальных машин путем совершенствования дождевателей / Рыжко Н.Ф., Рыжко С.Н., Лапшова А.Г., Органов М.С., Хорин С.А.// Использование мелиоративных земель – современное состояние и перспективы развития мелиоративного земледелия. – Тверь, 2015. – С. 216 – 220.
9. Слюсаренко В.В. Влияние конструктивных параметров дефлекторной насадки с кольцевой канавкой на качество дождя / Слюсаренко В.В., Русинов А.В., Акпасов А.П. // Материалы Международной научно-технической конференции. – Тюмень, 2019. – С. 251 – 256.