Расчет показателей равномерности дождевания по результатам испытания аппарата радиальным методом

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Проектирование, испытание и настройка дождевальных машин связаны со значительными затратами времени, трудовых и материальных ресурсов. Применение систем автоматизированного проектирования для этих целей позволяет ускорить разработку машин при существенном снижении затрат. Оптимизация процесса работы машин методом моделирования по критериям равномерности дождевания [1, 2] позволяет повысить вероятность качественной работы при изменении условий эксплуатации.

ГОСТ ИСО 7749-2-2004 рекомендует испытание аппаратов кругового действия осуществлять радиальным методом, а оценку равномерности орошения - моделированием распределения по схеме полнополевого метода.

Однако при этом рекомендуются ручные операции интерполирования и суммирования интенсивностей от работы четырех аппаратов. Для устранения указанного недостатка необходимо усовершенствовать алгоритм расчета и составить программу его реализации. Поэтому целью исследования являлось совершенствование метода оценки равномерности дождевания по результатам испытания аппарата радиальным методом.

Материалы и методы. Ранее равномерность распределения дождя по орошаемой площади оценивали с помощью коэффициентов эффективного, недостаточного и избыточного полива. Коэффициент эффективного полива вычисляли как отношение площади эффективного полива к общей поливной площади.

Коэффициент недостаточного полива вычисляли как отношение площади недостаточного полива к общей поливной площади. Коэффициент избыточного полива определяли как отношение площади избыточного полива к общей площади. Площадью эффективного полива считалась площадь, политая в допустимых пределах ( 25 %) отклонения от средней интенсивности или среднего слоя дождя.

В настоящее время равномерность распределения дождя по орошаемой площади ГОСТ ИСО 7749-2-2004 рекомендует оценивать с помощью коэффициента равномерности полива Христиансена, вычисляемого по формуле:

,

дождевальный орошение радиальный

где - абсолютная величина отклонения измерения от среднего слоя осадков, мм;

- среднеарифметическое значение измерений, мм;

- измерение каждого дождемера, мм;

- количество измерений.

При радиальном методе испытания дождевальных аппаратов согласно ГОСТ ИСО 7749-2-2004 дождемеры устанавливают на равных расстояниях вдоль радиуса, проведенного от места установки аппарата, и измеряют количество воды в дождемерах при работе дождевального аппарата.

Далее рассчитывают количество воды, которая собрана в имитируемых дождемерах, расположенных по схеме испытания машин полнополевым методом, то есть в центрах квадратных площадок. При этом вычисляется или графически замеряется расстояние от каждого имитируемого дождемера до аппарата и интерполированием результатов радиального распределения устанавливается слой осадков в нем. Таким образом получается матрица слоя осадков во всей зоне дождевания.

Имитируя расстояние между дождевальными аппаратами, выполняют накладку зон дождевания и рассчитывают суммарное количество воды, которое было бы собрано дождемерами, если бы они были расположены между четырьмя дождевальными аппаратами, идентичными испытуемому. В результате исследований по полученным данным вычисляют коэффициент равномерности Христиансена.

Недостаток данного способа состоит в применении ручных операций интерполирования и суммирования слоя осадков в зоне перекрытия. Кроме того, при расстоянии между позициями меньше радиуса орошения часть воды не попадает на зачетную площадку. При этом коэффициент полноты учета меньше единицы.

Устранить недостаток можно разработкой алгоритма и программы оптимизации шага установки аппаратов. При шаге установки меньше радиуса орошения требуется моделирование работы аппаратов на всех соседних позициях, то есть на 12 позициях.

Результаты и обсуждение. Для оценки равномерности дождевания машинами позиционного действия и стационарными дождевателями нами рекомендуется использовать усовершенствованный алгоритм математического моделирования:

- результаты испытания аппарата заносят в компьютер в виде двух векторов: IR - интенсивность дождевания в дождемерах, расположенных на различном расстоянии от аппарата; R - расстояние от дождемера до аппарата;

- получают интерполяционную формулу зависимости интенсивности дождевания от радиуса;

- создают матрицу координат имитируемых дождемеров на зачетной площадке по схеме полнополевого опыта, то есть расположенных в центрах метровых квадратов, которые равномерно распределены между позициями четырех аппаратов. На зачетную площадку попадает вода только от четырех аппаратов при условии, если шаг установки больше радиуса орошения;

- вычисляют расстояния от площадок матрицы до каждого из четырех аппаратов;

- подсчитывают интенсивности дождевания на каждой площадке от четырех аппаратов;

- вычисляют матрицу доз полива в каждом дождемере суммированием доз от каждого из четырех аппаратов. Так как площадки метровые, то доза получается умножением интенсивности на время. Оценку равномерности можно выполнять по равномерности доз или по равномерности интенсивностей. Результат будет одинаков;

- находят среднеарифметическое значение дозы по матрице;

- вычисляют матрицу модулей отклонений каждого значения дозы от среднего;

- подсчитывают коэффициент Христиансена;

- задают цикл изменения шага установки аппаратов, т. е. расстояния между позициями аппаратов;

- расчет повторяют при различном шаге установки аппаратов;

- строят график зависимости коэффициента Христиансена от шага установки аппаратов;

- определяют оптимальный шаг установки аппаратов.

Основой для разработки алгоритма послужили опубликованные ранее программы [3-5] и результаты моделирования процессов дождевания [6, 7]. Программа для ЭВМ [8] реализует усовершенствованный алгоритм расчета равномерности дождевания по результатам испытания аппарата радиальным методом. Блок-схема программы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Блок-схема программы расчета равномерности орошения по результатам испытания аппарата радиальным методом

При расстоянии между позициями меньше радиуса зоны дождевания необходимо суммировать дозы полива от 12 или 16 аппаратов, расположенных вокруг зачетной площадки. При оценке работы машин непрерывного фронтального и кругового действия необходимы другие алгоритмы расчета равномерности.

Покажем пример обработки результатов испытания аппарата i-Wob фирмы Senninger. Используем график зависимости интенсивности дождевания от радиуса из публикации авторов 2014 г. [6]. Выполним отсчет интенсивностей по графику через 0,5 м. Создадим векторы IR и R (рисунок 2). Выполняем сплайн-интерполяцию результатов испытания. Для этого вычисляем коэффициенты KSI кубической интерполяции. Далее вычислим значения функция A(r), построим графики исходных результатов IR и A(r). Количество промежуточных точек вычисления функции A(r) в пять раз больше, чем у вектора IR. Аппроксимирующая функция точно проходит через эмпирические точки.

Рисунок 2 - Аппроксимация результатов испытания аппарата i-Wob: Ri - радиус дождемера; r - радиус аппроксимации; IRi - интенсивность при испытании; A(r) - интенсивность при аппроксимации

Для использования функции A(r) в программе расчета равномерности ее вычисление оформлено подпрограммой I(с).

Далее по программе KeS(A) вычисляем коэффициенты Христиансена и эффективного полива. Результаты расчетов представим в виде графиков (рисунок 3).

Рисунок 3 - Графики зависимости коэффициентов равномерности Христиансена и эффективного полива от шага установки аппаратов

Коэффициент равномерности полива Христиансена более 95 % при шаге установки менее 6 м. Однако при таком шаге требуется учет воды от 12 аппаратов, расположенных вокруг зачетной площадки [6]. Коэффициент Христиансена меньше 80 % при шаге установки аппаратов больше 9,5 м.

Коэффициент эффективного полива имеет более резкие колебания. Он меньше агротехнической нормы (0,7) при шаге установки более 10,3 м, а в интервале 8-9 м близок к предельно допустимому значению.

Сравнение графиков показывает, что оценка равномерности по коэффициенту Христиансена и по коэффициенту эффективного полива дает сходные результаты.

Приведем другой пример обработки результатов испытания аппарата в более сложном варианте.

Результаты испытания среднеструйного двухсоплового аппарата «Фрегат» без винтового рассекателя, смоделированные по исследованиям А. А. Бондарева [2], показаны на рисунке 4. Результат расчета показателей равномерности приведен на рисунке 5.

Рисунок 4 - Результаты испытания двухсоплового аппарата и их аппроксимация R1i - радиус дождемера; r - радиус аппроксимации; I1Ri - интенсивность при испытании; A1(r) - интенсивность при аппроксимации

Рисунок 5 - Показатели равномерности дождевания аппаратом, полученные по результатам испытаний на рисунке 4

Из-за малой интенсивности дождевания под аппаратом агротехнические нормативы по равномерности выполняются только при шаге установки менее 8,2 м. По результатам расчетов, рекомендуемых стандартом, такой аппарат непригоден для стационарных систем и машин, работающих позиционно.

Предложенный метод моделирования применим для оптимизации расположения секторных насадок [9] и дальнеструйных дождевателей, работающих по кругу [10].

Выводы.

1. Алгоритм расчета показателей равномерности, рекомендованный ГОСТ ИСО 7749-2-2004, дает уверенный результат только при шаге установки аппаратов, большем радиуса орошения аппарата. Однако многие аппараты дают более высокую равномерность при меньшем шаге установки. Кроме этого, к недостаткам данного способа относится применение ручных операций интерполирования и суммирования слоя осадков в зоне перекрытия.

2. Усовершенствованный алгоритм кроме расчета равномерности дождевания по результатам испытания аппарата радиальным методом позволяет выбрать оптимальный шаг установки аппаратов, обеспечивающий требуемую равномерность распределения дождя. Реализация данного алгоритма в программе KeS(A) позволила значительно снизить трудоемкость расчета показателей равномерности дождя.

3. Обработка результатов испытания аппарата i-Wob фирмы Senninger по усовершенствованному алгоритму и по коэффициенту эффективного полива показала, что при шаге установки менее 6 м коэффициент равномерности полива Христиансена более 95 %. Однако при таком шаге требуется учет воды от 12 аппаратов, расположенных вокруг зачетной площадки. При шаге установки аппаратов больше 9,5 м коэффициент Христиансена меньше 80 %. Коэффициент эффективного полива имеет более резкие колебания. Он меньше агротехнической нормы (0,7) при шаге установки более 10,3 м, а в интервале 8-9 м близок к предельно допустимому значению. Сравнение полученных результатов показывает, что оценка равномерности по усовершенствованному алгоритму и по коэффициенту эффективного полива дает сходные результаты. Оптимальный шаг установки аппаратов i-Wob равен 9,5 м, что близко к радиусу орошения.

4. Результаты исследования двухсоплового аппарата «Фрегат» без винтового рассекателя, по оценке стандарта, не удовлетворяют требованиям равномерности орошения, но при уменьшении шага установки данный параметр улучшается. Оценка равномерности аппарата по рекомендациям стандарта при шаге установки B < 16 м не является надежной, так как не учитывается вода, попадающая на зачетную площадку от соседних аппаратов. В данном случае использование предложенного алгоритма позволит повысить точность определения показателей равномерности дождя.

Список литературы

1. Циприс, Д. Б. Критерии равномерности полива и оптимальное расположение источника дождевальных струй / Д. Б. Циприс, С. М. Белинский // Прогрессивные способы орошения, включая машинное орошение. - М., 1975. - С. 83-102.

2. Бондарев, А. А. Моделирование и оптимизация процесса дождевания сельскохозяйственных культур среднеструйными аппаратами для улучшения равномерности полива: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.20.01 / Бондарев Александр Александрович. - Зерноград, 1999. - 16 с.

3. Расчет показателей эффективности дождевания на площади между четырьмя односопловыми аппаратами: свидетельство о гос. регистрации прогр. для ЭВМ № 2014662137 от 24.11.14 / Черноволов В. А., Кравченко Л. В.

4. Расчет показателей эффективности дождевания одноструйными аппаратами при работе на двенадцати позициях: свидетельство о гос. регистрации прогр. для ЭВМ № 2015616299 от 05.06.15 / Черноволов В. А., Кравченко Л. В., Буткова О. В.

5. Оптимизация расстояния между насадками дождевальных машин фронтального действия: свидетельство о гос. регистрации прогр. для ЭВМ № 2014617785 от 04.08.14 / Черноволов В. А., Кравченко Л. В.

6. Сhernovolov, V. A. The uniformity of irrigation with single-jet sprinkler apparatus of rie action / V. A. Chernovolov, L. V. Kravchenko // Applied and Fundamental Studies Proceedings of the 7th International Academic Conference. - St. Louis: Publishing House “Science and Innovation Center”, 2014. - P. 199-211.

7. Черноволов, В. А. Оптимизация размещения стационарных дождевателей методом математического моделирования / В. А. Черноволов, Л. В. Кравченко // Техническое и кадровое обеспечение инновационных технологий в сельском хозяйстве: материалы междунар. науч.-практ. конф., г. Минск, 23-24 октября 2014 г. / НИИ МЭСХ БГАТУ. - Минск, 2014. - С. 114-116.

8. Расчет показателей равномерности дождевания по результатам испытания аппарата радиальным методом: свидетельство о гос. регистрации прогр. для ЭВМ № 2015618182 от 03.08.15 / Черноволов В. А., Кравченко Л. В., Протасов Д. Н.

9. Черноволов, В. А. Моделирование процесса дождевания машинами фронтального действия с секторными насадками [Электронный ресурс] / В. А. Черноволов, Л. В. Кравченко, В. А. Луханин // Научный журнал КубГАУ: политематический сетевой электрон. журн. / Кубанский гос. аграрн. ун-т. - Электрон. журн. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - № 100. - 11 с. - Режим доступа: http:ej.kubagro.ru/2014/06/pdf/40.pdf.

10. Черноволов, В. А. Методика моделирования процесса дождевания дальнеструйными аппаратами при работе по кругу / В. А. Черноволов, Л. В. Кравченко // Вестник АПК Ставрополья. - 2014. - № 3(15). - С. 68-72.

Размещено на Allbest.ru