CN108415019A - 一种实验测量降水粒子群模型的制作方法 - Google Patents

一种实验测量降水粒子群模型的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了实验测量降水粒子群模型的制作方法，包括如下步骤：1）建立满足雨滴谱分布函数；2）得到呈扁椭球状的雨滴的轴比和雨滴等效直径之间的关系；步骤3）建立四个归一化雨滴谱分布函数的雨滴粒子群模型；4）得到雨滴粒子群模型雨滴粒子的种类及个数，并制定各种类的雨滴粒子参数；5）根据所述雨滴粒子参数绘制薄壁玻璃模具在满足MP、Gamma、JD和JT谱分布下的粒子群三维立体图；6）根据粒子群三维立体图制作薄壁玻璃模具，并在模具上打孔；7）通过注射器将水从圆孔注入到模具中，得到雨滴粒子模型；8）将雨滴粒子模型分布在用于支撑粒子排布的泡沫箱中，形成雨滴粒子群模型。有益效果：采用的模具尺寸形状具有可操作性。

Description

一种实验测量降水粒子群模型的制作方法
技术领域
本发明属于雷达气象探测领域，尤其涉及一种实验测量降水粒子群模型的制作方法。
背景技术
为了利用厘米波气象雷达数据精确地反演降水粒子，必须首先理解降水粒子与雷达电磁波之间的相互作用，即研究降水粒子的电磁散射特性。在降水粒子散射特性研究中，除了电磁散射理论方法以外，实验室的可控测量是获得降水粒子散射特性的有效途径。
目前应用于厘米波散射测试的粒子模型为：采用化学物质配制成有关物理常数与水相近的材料，再用紫铜电极——电火花机床加工法，按预定尺寸和扁椭率精密加工出金属球或者椭球壳模。将配制的液糊状代用材料注入金属壳模中，立即放入烘箱几小时后凝固成形。脱模即成完好的球或者椭球代用品。
但是本方法制作成本较高，工艺复杂，而且配制成型的模型有关物理常数的精确性有待进一步试验。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供了一种实验测量降水粒子群模型的制作方法，包括如下步骤：
步骤1)根据式(1)的普适性函数建立满足MP、Gamma、JD和JT谱分布的雨滴谱分布函数，
N(D)＝N0Dμe-λD， (1)
其中，D为粒子的等效直径；
步骤2)根据式(2)得到呈扁椭球状的雨滴的轴比和雨滴等效直径之间的关系：
其中，c是旋转扁椭球的旋转轴半轴长，垂直向上，a是对称轴半轴长，De是雨滴粒子的等效球直径，ρ为饱和空气水汽密度，μ为水表面张力系数，Vt是下落末速度；
步骤3)根据雨滴降落速度公式(3)分别建立满足式(3)以及式(1)的所述四个归一化雨滴谱分布函数的雨滴粒子群模型
步骤4)得到雨滴粒子群模型雨滴粒子的种类及个数，并制定各种类的雨滴粒子参数；再依据电磁相似理论，将实际的降水粒子尺寸从微米量级扩大到厘米量级；步骤5)根据所述雨滴粒子参数绘制薄壁玻璃模具在满足MP、Gamma、JD和JT谱分布下的粒子群三维立体图；
步骤6)根据粒子群三维立体图制作薄壁玻璃模具，并在模具上打直径为d的圆孔；
步骤7)通过注射器将水从圆孔注入到模具中，得到粒子模型，注射器针头最小直径为d；
步骤8)将雨滴粒子群模型分别对应按照所述MP、Gamma、JD和JT谱排列分布在用于支撑粒子排布的泡沫箱中，形成雨滴粒子群模型。
所述实验测量降水粒子群模型的制作方法的进一步设计在于，所述步骤1)中，进行归一化后的谱分布函数参数如表1：
表1
所述实验测量降水粒子群模型的制作方法的进一步设计在于，满足MP、Gamma、JD以及JT谱分布的雨滴粒子模型，包括球形与椭球形两种雨滴粒子形状。
所述实验测量降水粒子群模型的制作方法的进一步设计在于，步骤4)中选取满足MP、Gamma、JD以及JT谱的雨滴粒子分别为17个、15个、18个以及17个，各种类的雨滴粒子参数及扩大到厘米量级的粒子大小如表2所示，直径在3000到9000μm的雨滴将等效为椭球雨滴。
表2
所述实验测量降水粒子群模型的制作方法的进一步设计在于，结合步骤2)、步骤3)中直径为3000μm、5000μm、7000μm以及9000μm的雨滴粒子对应的等效扁椭球的轴比参数如表3。
表3
所述实验测量降水粒子群模型的制作方法的进一步设计在于，雨滴粒子按MP谱排列粒子群模型时，雨滴粒子由大到小从下至上分层排布，分成两层；泡沫箱底层雨滴粒子等效直径范围在15cm到45cm之间，泡沫箱上层雨滴粒子等效直径范围在0.5cm到4.5cm之间。
所述实验测量降水粒子群模型的制作方法的进一步设计在于，雨滴粒子按Gamma谱排列粒子群模型时，雨滴粒子由大到小从下至上分层排布，分成两层；泡沫箱底层雨滴粒子等效直径范围在15cm到45cm之间，泡沫箱上层雨滴粒子等效直径范围在1.5cm到4.5cm之间。
所述实验测量降水粒子群模型的制作方法的进一步设计在于，雨滴粒子按JD谱排列粒子群模型时，雨滴粒子由大到小从下至上分层排布，分成两层；泡沫箱底层雨滴粒子等效直径范围在25cm到45cm之间，泡沫箱上层雨滴粒子等效直径范围在0.5cm到4.5cm之间。
所述实验测量降水粒子群模型的制作方法的进一步设计在于，雨滴粒子按JT谱排列粒子群模型时，雨滴粒子由大到小从下至上分层排布，分成两层；泡沫箱底层雨滴粒子等效直径范围在25cm到45cm之间，泡沫箱上层雨滴粒子等效直径范围在0.75cm到4.5cm之间。
所述实验测量降水粒子群模型的制作方法的进一步设计在于，圆孔直径d为0.06mm-0.51mm。
本发明的优点如下：
本发明的应用于厘米波频率下探测的降水粒子群模型的制作方法采用的模具尺寸形状具有可操作性，应用于厘米波频率下探测的降水粒子群模型的制作方法；而且制作模型精度高，可操作性强、成本低廉，制作原材料较普遍,便于测试。
附图说明
图1降水粒子模型的加工流程。
图2为本发明的球体模型三维立体图，及其工程图。
图3为本发明的扁椭球模型三维立体图。
图4为本发明的满足MP谱的雨滴粒子群模型三维立体示意图。
图5为本发明的满足Gamma谱的雨滴粒子群模型三维立体示意图。
图6为本发明的满足JD谱的雨滴粒子群模型三维立体示意图。
图7为本发明的满足JT谱的雨滴粒子群模型三维立体示意图。
具体实施方式
结合具体实施例与附图对本发明的技术方案进一步说明。
如图1，本实施例提供的实验测量降水粒子群模型的制作方法，包括如下步骤：
实验测量降水粒子群模型的制作方法，包括如下步骤：
步骤1)根据式(1)的普适性函数建立满足MP、Gamma、JD和JT谱分布的雨滴谱分布函数，
N(D)＝N0Dμe-λD， (1)
其中，D为粒子的等效直径，N0和λ分别为浓度和尺度参数，μ为形状因子，N0取8000m-3mm-1。R为降水强度(mm h-1)，取10mm h-1。
步骤2)根据式(2)得到呈扁椭球状的雨滴的轴比和雨滴等效直径之间的关系：
其中，c是旋转扁椭球的旋转轴半轴长，垂直向上，a是对称轴半轴长，De是雨滴粒子的等效球直径，饱和空气水汽密度ρ＝1.1937×10-3g/cm3，水表面张力系数μ＝72.75erg/cm2，Vt是下落末速度。
步骤3)根据雨滴降落速度公式(3)分别建立满足式(3)以及式(1)的四个归一化雨滴谱分布函数的雨滴粒子群模型。式(3)为在标准大气压P0＝1013hPa下的雨滴降落速度公式
步骤4)得到雨滴粒子群模型雨滴粒子的种类及个数，并制定各种类的雨滴粒子参数；再依据电磁相似理论，将实际的降水粒子尺寸从微米量级扩大到厘米量级。
步骤5)根据雨滴粒子参数绘制薄壁玻璃模具在满足MP、Gamma、JD和JT谱分布下的粒子群三维立体图。
步骤6)根据粒子群三维立体图制作薄壁玻璃模具，并在模具上打直径为d的圆孔。
步骤7)通过注射器将水从圆孔注入到模具中，得到粒子模型，注射器针头最小直径为d。
步骤8)将雨滴粒子群模型分别对应按照MP、Gamma、JD和JT谱排列分布在用于支撑粒子排布的泡沫箱中，形成雨滴粒子群模型。
步骤1)中，进行归一化后的谱分布函数参数如表1：
表1
满足MP、Gamma、JD以及JT谱分布的雨滴粒子模型，包括球形与椭球形两种雨滴粒子形状。
在步骤4)中选取满足MP、Gamma、JD以及JT谱的雨滴粒子分别为17个、15个、18个以及17个，各种类的雨滴粒子参数及扩大到厘米量级的粒子大小如表2所示，直径在3000到9000μm的雨滴将等效为椭球雨滴。
表2
结合步骤2)、步骤3)中直径为3000μm、5000μm、7000μm以及9000μm的雨滴粒子对应的等效扁椭球的轴比参数如表3。
表3
如图2，根据具体的球体工程图直径Dn，制作八种不同内径的玻璃壁球体，球体直径分别为0.5cm,0.75cm,1cm,1.25cm,1.5cm,2.5cm,3.5c和4.5cm。从玻璃壁上直径为0.17mm的小孔注水，即得到实验球体雨滴。
如图3，根据具体的扁椭球工程图的长短半轴An和Bn，分别制作长短半径分别为A1＝7.93622cm，B1＝6.69817cm；A2＝13.94652cm，B2＝10.04149cm；A3＝20.7949cm,B3＝12.3937cm和A4＝28.8980cm，B4＝13.6399cm的玻璃壁扁椭球。从玻璃壁上直径为0.21mm的小孔注水，即得到实验扁椭球雨滴。
如图4，将雨滴模型按上述MP谱排列分布在用于支撑粒子排布的泡沫箱中。实际建模型时，雨滴粒子由大到小从下至上分层排布，分成两层。即泡沫箱底层雨滴粒子等效直径范围在15cm到45cm之间，其中图左起第一列为2个扁椭球A4＝28.8980cm，B4＝13.6399cm。第二列为1个扁椭球A3＝20.7949cm，B3＝12.3937cm。第三列为1个扁椭球A2＝13.94652cm，B2＝10.04149cm。第四列为1个扁椭球A1＝7.93622cm,B1＝6.69817cm。泡沫箱上层雨滴粒子等效直径范围在0.5cm到4.5cm之间，图左起第一列为2个直径4.5cm的球形雨滴粒子，第二列为2个直径3.5cm的球形雨滴粒子，第三列为2个直径2.5cm的球形雨滴粒子，第四列为1个直径1.5cm的球形雨滴粒子，第五列为2个直径1.25cm的球形雨滴粒子，第六列为1个直径1cm的球形雨滴粒子，第七列为1个直径0.75cm的球形雨滴粒子，第八列为1个直径0.5cm的球形雨滴粒子。同一层中相邻两个雨滴粒子几何中心之间间距为两个雨滴粒子等效直径的和，相邻两层的雨滴粒子球心间垂直距离为两层雨滴粒子中最大粒子等效直径的和。
如图5，将雨滴模型按上述Gamma谱排列分布在用于支撑粒子排布的泡沫箱中。实际建模型时，雨滴粒子由大到小从下至上分层排布，分成两层。即泡沫箱底层雨滴粒子等效直径范围在15cm到45cm之间，图左起第一列为2个扁椭球A4＝28.8980cm，B4＝13.6399cm。第二列为1个扁椭球A3＝20.7949cm，B3＝12.3937cm。第三列为1个扁椭球A2＝13.94652cm，B2＝10.04149cm。第四列为1个扁椭球A1＝7.93622cm,B1＝6.69817cm。泡沫箱上层雨滴粒子等效直径范围在1.5cm到4.5cm之间，图左起第一列为2个直径4.5cm的球形雨滴粒子，第二列为2个直径3.5cm的球形雨滴粒子，第三列为2个直径2.5cm的球形雨滴粒子，第四列为1个直径1.5cm的球形雨滴粒子。。
如图6，将雨滴模型按上述JD谱排列分布在用于支撑粒子排布的泡沫箱中。实际建模型时，雨滴粒子由大到小从下至上分层排布，分成两层。即泡沫箱底层雨滴粒子等效直径范围在25cm到45cm之间，图左起第一列为1个扁椭球A4＝28.8980cm，B4＝13.6399cm。第二列为1个扁椭球A3＝20.7949cm，B3＝12.3937cm。第三列为1个扁椭球A2＝13.94652cm，B2＝10.04149cm。泡沫箱上层雨滴粒子等效直径范围在0.5cm到4.5cm之间，图左起第一列为2个直径4.5cm的球形雨滴粒子，第二列为2个直径3.5cm的球形雨滴粒子，第三列为2个直径2.5cm的球形雨滴粒子，第四列为2个直径1.5cm的球形雨滴粒子，第五列为2个直径1.25cm的球形雨滴粒子，第六列为2个直径1cm的球形雨滴粒子，第七列为2个直径0.75cm的球形雨滴粒子，第四列为1个直径0.5cm的球形雨滴粒子。
如图7，将雨滴模为2个扁椭球A3＝20.7949cm，B3＝12.3937cm。第三列为2个扁椭球A2＝13.94652cm，B2＝10.04149cm。第四列为2个扁椭球A1＝7.93622cm,B1＝6.69817cm。泡沫箱上层雨滴粒子等效直径范围在0.75cm到4.5cm之间，图左起第一列为2个直径4.5cm的球形雨滴粒子，第二列为1个直径3.5cm的球形雨滴粒子，第三列为1个直径2.5cm的球形雨滴粒子，第四列为1个直径1.5cm的球形雨滴粒子，第五列为1个直径1.25cm的球形雨滴粒子，第六列为1个直径1cm的球形雨滴粒子，第七列为1个直径0.75cm的球形雨滴粒子。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护型按上述JT谱排列分布在用于支撑粒子排布的泡沫箱中。实际建模型时，雨滴粒子由大到小从下至上分层排布，分成两层。即泡沫箱底层雨滴粒子等效直径范围在25cm到45cm之间，图左起第一列为3个扁椭球A4＝28.8980cm，B4＝13.6399cm。第二列范围为准。

Claims (10)

1.一种实验测量降水粒子群模型的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1)根据式(1)的普适性函数建立满足MP、Gamma、JD和JT谱分布的雨滴谱分布函数，
N(D)＝N0Dμe-λD， (1)
其中，D为粒子的等效直径，N0和λ分别为浓度和尺度参数，μ为形状因子，N0取8000m-3mm-1。R为降水强度；
步骤2)根据式(2)得到呈扁椭球状的雨滴的轴比和雨滴等效直径之间的关系：
其中，c是旋转扁椭球的旋转轴半轴长，垂直向上，a是对称轴半轴长，De是雨滴粒子的等效球直径，ρ为饱和空气水汽密度，μ为水表面张力系数，Vt是下落末速度；
步骤3)根据雨滴降落速度公式(3)分别建立满足式(3)以及式(1)的所述四个归一化雨滴谱分布函数的雨滴粒子群模型
步骤4)得到雨滴粒子群模型雨滴粒子的种类及个数，并制定各种类的雨滴粒子参数；再依据电磁相似理论，将实际的降水粒子尺寸从微米量级扩大到厘米量级；
步骤5)根据所述雨滴粒子参数绘制薄壁玻璃模具在满足MP、Gamma、JD和JT谱分布下的粒子群三维立体图；
步骤6)根据粒子群三维立体图制作薄壁玻璃模具，并在模具上打直径为d的圆孔；
步骤7)通过注射器将水从圆孔注入到模具中，得到粒子模型，注射器针头最小直径为d；
步骤8)将雨滴粒子群模型分别对应按照所述MP、Gamma、JD和JT谱排列分布在用于支撑粒子排布的泡沫箱中，形成雨滴粒子群模型。
2.根据权利要求2所述的实验测量降水粒子群模型的制作方法，其特征在于所述步骤1)中，进行归一化后的谱分布函数参数如表1：
表1
3.根据权利要求1所述的实验测量降水粒子群模型的制作方法，其特征在于满足MP、Gamma、JD以及JT谱分布的雨滴粒子模型，包括球形与椭球形两种雨滴粒子形状。
4.根据权利要求3所述的实验测量降水粒子群模型的制作方法，其特征在于步骤4)中选取满足MP、Gamma、JD以及JT谱的雨滴粒子分别为17个、15个、18个以及17个，各种类的雨滴粒子参数及扩大到厘米量级的粒子大小如表2所示，直径在3000到9000μm的雨滴将等效为椭球雨滴。
表2
5.根据权利要求4所述的实验测量降水粒子群模型的制作方法，其特征在于结合步骤2)、步骤3)中直径为3000μm、5000μm、7000μm以及9000μm的雨滴粒子对应的等效扁椭球的轴比参数如表3。
表3
6.根据权利要求1所述的实验测量降水粒子群模型的制作方法，其特征在于雨滴粒子按MP谱排列粒子群模型时，雨滴粒子由大到小从下至上分层排布，分成两层；泡沫箱底层雨滴粒子等效直径范围在15cm到45cm之间，泡沫箱上层雨滴粒子等效直径范围在0.5cm到4.5cm之间。
7.根据权利要求1所述的实验测量降水粒子群模型的制作方法，其特征在于雨滴粒子按Gamma谱排列粒子群模型时，雨滴粒子由大到小从下至上分层排布，分成两层；泡沫箱底层雨滴粒子等效直径范围在15cm到45cm之间，泡沫箱上层雨滴粒子等效直径范围在1.5cm到4.5cm之间。
8.根据权利要求1所述的实验测量降水粒子群模型的制作方法，其特征在于雨滴粒子按JD谱排列粒子群模型时，雨滴粒子由大到小从下至上分层排布，分成两层；泡沫箱底层雨滴粒子等效直径范围在25cm到45cm之间，泡沫箱上层雨滴粒子等效直径范围在0.5cm到4.5cm之间。
9.根据权利要求1所述的实验测量降水粒子群模型的制作方法，其特征在于雨滴粒子按JT谱排列粒子群模型时，雨滴粒子由大到小从下至上分层排布，分成两层；泡沫箱底层雨滴粒子等效直径范围在25cm到45cm之间，泡沫箱上层雨滴粒子等效直径范围在0.75cm到4.5cm之间。
10.根据权利要求1所述的实验测量降水粒子群模型的制作方法，其特征在于圆孔直径d为0.06mm-0.51mm。
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