CN103885095B - 面均匀降雨场模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了面均匀降雨场模拟装置，包括供水单元、水流控制单元、喷洒单元和排水单元，其中，供水单元包括储水箱、供水箱、导流管和水泵，水流控制单元包括进水管和多路水流控制阀，喷洒单元包括不同直径的针头、空气喷头和空气控制阀，位置调整单元包括步进电机、水平导轨和升降杆，风场控制单元包括鼓风机、风速调节阀和导流板，排水单元包括引流槽和排水泵;所述水流控制单元包括进水管和水流控制阀，水流控制阀与不同规格的针头相连，设置的水流水压与针头规格相配套，通过设置不同大小的水压来精确控制针头滴出的水滴大小及其滴落速率。本发明能够模拟并精确控制水滴的大小和空间分布，具有高均匀性和稳定性，为检验降雨测量仪器的性能和精度提供可靠依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种可模拟降雨真实空间分布的面均匀降雨场模拟装置，主要用于气象自动化测量的标定和相关科学研究中，为降雨分布特征测量与研究提供一个精细化定量、标准可控、与真实降水相一致的参考环境。
背景技术
降雨现象是指由云中落下的水滴构成的一种降水现象，对降雨的特征描述量主要有降雨量、降雨强度、降雨时数及其时空分布等宏观量和雨滴的大小、形状、速度、谱分布等微观量。人工降雨模拟装置可以模拟与真实降水相近的宏观和微观特征，主要用于降雨测量仪器的定标和水土流失的试验研究，对于气象科学研究、土壤侵蚀和山体滑坡机理分析等有着重要的意义。
根据模拟降雨场的范围不同，人工降雨模拟装置主要分为单点和区域两种。单点降雨模拟装置主要用于气象领域翻斗雨量计、雨量筒等降水测量仪器的检定和定标。流量式标准雨量检定装置只能够利用步进电机和活塞控制水流的总量和流速，但是无法控制雨滴的大小和速度；玻璃球模拟雨滴只能模拟球形雨滴的大小，无法模拟雨滴的真实形状，而且无法控制速度；单点降雨模拟装置最大的问题是只能模拟单个雨滴和单点信息，无法模拟雨滴的大小以及多个雨滴的空间分布，即降雨场，从而导致无法判断雨滴谱仪等测量谱分布的准确度。
区域降雨模拟装置主要用于径流土壤作用、水土保持、酸雨侵蚀影响等研究。该装置通过一系列喷头的喷洒来模拟降雨，目前已有201110130837.4、201110113318.7、200910021960.5等专利，但是只能够利用水压和水流来控制雨强和雨量；所采用喷口或针头喷出的水滴与水压有关，无法精确控制水滴的大小，喷出来的水滴大多为大水滴，与真实雨滴尺度和形状特征不符；喷口的个数有限，即使优化喷口位置也无法保证喷洒的均匀性，与真实空间分布特征不符。
在自然环境中往往有风、湍流存在，导致自然降雨的特征复杂多变，但是现有单点降雨模拟装置和区域降雨模拟装置均没有考虑这些因素，从而导致无法真实再现自然降雨，因此迫切需要能够模拟自然降雨真实空间分布特征以及环境风场的面均匀降雨场模拟装置。
发明内容
本发明的目的是：克服现有装置的缺点和不足，能够模拟自然降雨真实空间分布特征以及环境风场的面均匀降雨场模拟装置，为降雨测量仪器定标和土壤侵蚀研究等多种领域的研究提供精细化标准可控场。
本发明的技术方案是：面均匀降雨场模拟装置，其特征在于：包括供水单元、水流控制单元、喷洒单元和排水单元，其中，供水单元包括储水箱、供水箱、导流管和水泵，水流控制单元包括进水管和多路水流控制阀，喷洒单元包括不同直径(规格)的针头、空气喷头和空气控制阀，位置调整单元包括步进电机、水平导轨和升降杆，风场控制单元包括鼓风机、风速调节阀和导流板，排水单元包括引流槽和排水泵；所述水流控制单元包括进水管和水流控制阀，水流控制阀与不同规格的针头相连，设置的水流水压与针头规格相配套，通过设置不同大小的水压来精确控制针头滴出的水滴大小及其滴落速率。
供水单元中储水箱用于储水，水泵通过导流管将储水箱的水导入到供水箱，保证供水箱始终保持充满状态，保持恒定的压力，供水箱在水流控制单元的控制下输出水流。
供水单元设置于室外，在冬天移至室内。
所述喷洒单元包括不同规格的针头、空气喷头和空气控制阀,喷洒单元中空气喷头位于针头上方，在空气控制阀的控制下向下喷出空气，带动水滴脱离针头，利用风压可以进一步调整滴落水滴的大小。
设有位置调整单元；位置调整单元包括水平与垂直导轨或升降杆,水平导轨在垂直导轨中可控滑动或随升降杆升降，位置调整单元中不同规格的针头放置于水平导轨不同位置，步进电机带动针头实时调整水平位置，通过升降杆带动喷洒单元的升降调整水滴的降落高度；
所述风场控制单元包括风速调节阀、鼓风机和导流板，鼓风机在风速调节阀的控制下输出不同的风速，导流板保证风场平行，主要用于模拟自然条件下不同风速对降雨的影响；
所述排水单元包括引流槽和排水泵，引流槽设置于室内地板之上，排水泵通过引流槽将地面积水排出。
进一步的，本发明面均匀降雨场模拟装置的针头直径介于0.05mm～0.5mm之间，共10种规格，空气喷头的喷出速度介于0m/s～20m/s。
进一步的，本发明面均匀降雨场模拟装置的水平导轨呈交叉排列，不同规格针头可以在水平导轨上自由移动，根据需要可以使其移动到任意位置。
进一步的，本发明面均匀降雨场模拟装置的水滴降落高度可以从1m～5m调节。
进一步的，本发明面均匀降雨场模拟装置的模拟风速范围介于0m/s～10m/s之间。
本发明的有益效果是：能够模拟并精确控制与降雨真实特征相一致的雨滴的尺度、速度和空间分布，不仅可以为降雨测量仪器的定标提供标准参考，也可以为水土流失、土壤侵蚀等研究提供精细化可控环境。该装置操作简便、硬件成本低、控制精度高、可调参数多、贴近真实降雨、实用性强、便于推广。本发明具有高均匀性和稳定性，与真实自然降雨相一致，为检验降雨测量仪器的性能和精度提供可靠依据。
附图说明
图1是本发明的面均匀降雨场模拟装置结构示意图；
图2是喷洒单元的放大结构示意图。
具体实施方式
图中储水箱1、供水箱 2、水泵 3、导流管 4、进水管 5、水流控制阀 6、喷洒单元 7、步进电机 8、水平导轨 9、升降杆 10、风速调节阀 11、鼓风机 12、导流板 13、引流槽14、排水泵 15、针头 16、空气喷头 17、空气控制阀18。
储水箱1用于储水，水泵3通过导流管4将储水箱1的水导入到供水箱2，保证供水箱始终保持充满状态，保持恒定的压力。在水流控制阀6的控制下，将供水箱2中的水经进水管5输入到喷洒单元7。
水流控制阀与不同规格的针头16相连接，根据针头大小设置不同的水流水压，通过不同大小的水压来精确控制针头滴出的水滴大小及其滴落速率。
空气喷头17位于针头16上方，在空气控制阀18的控制下向下喷出空气，除了重力带动水滴脱离针头，利用压缩空气使水滴脱离针头，风压可以进一步调整滴落水滴的大小。水平导轨可实时调整针头水平位置，升降杆可以调整针头垂直高度；鼓风机在风速调节阀的控制下输出不同的风速，导流板保证风场平行，模拟自然条件下的风；引流槽设置于室内地板之上，排水泵通过引流槽将地面积水排出。
喷洒单元7放置于水平导轨9不同位置，步进电机8可以带动喷洒单元在水平导轨上移动到任意位置。水平导轨9整体与升降杆10相连，通过升降杆的升降调整水滴的降落高度，这一调整可以在模拟之前和模拟过程中进行。
风速调节阀11调节鼓风机12的风速，气流经导流板13后形成水平的平行风场，这一风速调整可以在模拟过程中实时进行。导流板为均匀的百叶板，叶片与地面平行。
引流槽14设置于室内地板之上，排水泵15通过引流槽将地面积水排出。
在模拟降雨时，具体实施步骤如下：
1）开启水泵，通过导流管将储水箱、供水箱注满水；
2）调节水平导轨位置并固定针头在导轨上的位置，通过升降杆固定导轨和针头高度；
3）将被检降雨测量仪器放置于降雨模拟室内，并开启电源；
4）开启鼓风机，利用风速调节阀调节鼓风机转速，使其保持某一稳定风速；
5）开启多路水流控制阀和空气控制阀，使针头滴落水滴保持一定的大小和速率；
6）根据测试需要，重复步骤2，调节针头及水滴的位置，对降雨测量仪器进行定标和测试；
7）根据测试需要，重复步骤（3～5），调节风速和水滴速率，对降雨测量仪器进行定标和测试；
8）开启排水泵，通过引流槽将地面积水排出。
虽然上述说明描述了完整的实施例，但并不限于上述举例。本领域的技术人员，在本发明的实质范围做出的变型、修改或替换，都应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种面均匀降雨场模拟装置，其特征在于：包括供水单元、水流控制单元、喷洒单元和排水单元，其中，供水单元包括储水箱、供水箱、导流管和水泵，水流控制单元包括进水管和多路水流控制阀，喷洒单元包括不同直径的针头、空气喷头和空气控制阀，位置调整单元包括步进电机、水平导轨和升降杆，风场控制单元包括鼓风机、风速调节阀和导流板，排水单元包括引流槽和排水泵;所述水流控制单元包括进水管和水流控制阀，水流控制阀与不同规格的针头相连，设置的水流水压与针头规格相配套，通过设置不同大小的水压来精确控制针头滴出的水滴大小及其滴落速率；
供水单元中储水箱用于储水，水泵通过导流管将储水箱的水导入到供水箱，保证供水箱始终保持充满状态，保持恒定的压力，供水箱在水流控制单元的控制下输出水流；
所述喷洒单元包括不同规格的针头、空气喷头和空气控制阀,喷洒单元中空气喷头位于针头上方，在空气控制阀的控制下向下喷出空气，带动水滴脱离针头，利用风压可以进一步调整滴落水滴的大小；针头直径介于0.05 mm ~ 0.5 mm之间共10种规格，空气喷头的喷出速度介于0 m/s ~ 20 m/s；
设有位置调整单元，位置调整单元包括水平与垂直导轨或升降杆，水平导轨在垂直导轨中可控滑动或随升降杆升降，位置调整单元中不同规格的针头放置于水平导轨不同位置，步进电机带动针头实时调整水平位置，通过升降杆带动喷洒单元的升降调整水滴的降落高度；
水平导轨呈交叉排列，不同规格针头能够在水平导轨上自由移动，根据需要能使其移动到任意位置；升降杆高度能从1 m ~ 5 m调节；
设有风场控制单元，包括鼓风机、风速调节阀和导流板,风场控制单元中鼓风机在风速调节阀的控制下输出不同的风速，导流板保证风场平行，模拟自然条件下风速对降雨的影响；
水流控制阀与不同规格的针头相连接，根据针头大小设置不同的水流水压，通过不同大小的水压来精确控制针头滴出的水滴大小及其滴落速率；
水平导轨可实时调整针头水平位置，升降杆能调整针头垂直高度；鼓风机在风速调节阀的控制下输出不同的风速，导流板保证风场平行，模拟自然条件下的风；引流槽设置于室内地板之上，排水泵通过引流槽将地面积水排出；
喷洒单元放置于水平导轨不同位置，步进电机能带动喷洒单元在水平导轨上移动到任意位置；水平导轨整体与升降杆相连，通过升降杆的升降调整水滴的降落高度，这一调整能在模拟之前和模拟过程中进行；
风速调节阀调节鼓风机的风速，气流经导流板后形成水平的平行风场，这一风速调整能在模拟过程中实时进行；导流板为均匀的百叶板，叶片与地面平行；
引流槽设置于室内地板之上，排水泵通过引流槽将地面积水排出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：模拟风速的范围介于0 m/s ~ 10 m/s之间。
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