CN204380884U - 人工模拟降雨系统 - Google Patents

Abstract

一种人工模拟降雨系统，包括：喷头部分、供水及管路部分、调节部分、雨强检测部分等；喷头部分选择3个类型喷头正三角形分布成一组，既可以相互叠加模拟大雨强降雨，又可以独立进行小雨强降雨试验，优化喷头组分布，使降雨均匀度达到90％以上；每个喷头前端均设计有节流阀，保证最终雨强均匀度；流量计和调速阀组成闭环控制系统来保证雨量可调；调试部分设计有电磁开关阀来自动控制喷头开关，避免非降雨过程滴水及调试过程降雨干扰试验结果；多路激光雨强测试仪实时在线检测雨强强度并实时反馈；本降雨系统既可以在各独立分区上进行不同时空过程降雨模拟，又可以进行不同雨型的组合降雨，整个降雨过程实现实时动态观测。

Description

人工模拟降雨系统

技术领域

本实用新型涉及一种人工模拟降雨系统。

背景技术

近几十年，国内外雨水利用得到迅速的发展，不仅少雨国家(如以色列等)发展较快，而且一些多雨国家(如东南亚国家)也得到发展，一些工业发达国家(如日本、澳大利亚和美国等)都在积极开发利用雨水，所以积极开展雨水高效利用是摆在我国水利工作者面前的崭新研究方向之一。因此，如何因地制宜充分利用当地有潜力的降雨资源，发展有限灌溉(灌关键水、救命水)，提高作物产量，促使农牧民脱贫致富，不仅是当地迫切需要解决的问题，也是我国农业生产中一个带战略性的问题。目前国内的水土保持科研、试验及监测单位，在进行水土流失、养分流失、土壤水分变化、土壤渗透性能等研究和监测工作中，多数是利用坡地径流小区，在侵蚀降雨后，对小区产生的径流、泥沙、养分和污染物进行观测，对数据进行分析，探索科学规律。通过天然降雨观测土壤侵蚀情况，这是一种耗时费力的方法，试验周期较长，特别是在干旱和半干旱地区，天然降雨的观测数据积累很慢，难以取得规律性的有效数据，往往不能满足生产和研究的需要。

目前国内出现了一些人工降雨模拟设备，通过人工模拟降雨，不仅可以缩短试验周期，而且能够严格控制试验条件，便于观测研究土壤侵蚀的发生演变过程及其与各个因素之间的内在机制。但是，模拟降雨的雨滴特性，如雨滴滴谱，雨滴速度，雨滴均匀度等不可能与天然降雨完全一致，所以，所得数据的参考价值大大降低。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一种人工模拟降雨系统，主要 解决人工降雨系统的降雨特性与天然降雨相似性问题，通过多喷头、多单元组合式的间歇式可控降雨装置，有效地增加喷头的散水面积和均匀度，实时检测并控制雨强强度，真实模拟降雨系统。

本实用新型提供一种人工模拟降雨系统，包括：喷头系统、管路系统、供水系统、流量调节系统、压力调节系统、过滤系统、雨强检测系统；优选地，喷头系统选择3类型喷头正三角形分布成一组，即通径分别为2.45mm、2.05mm、1.2mm，对应大雨雨滴、中雨雨滴、小雨雨滴，在整个系统中，这几种喷头既可以相互叠加进行模拟大雨强降雨，又可以进行独立的小雨强降雨试验，喷头组采用了正方形布局方式，优选喷头组的分布距离，利用多个喷头有效喷射半径之间的重叠来达到降雨均匀度的最大均匀，每个喷头喷出的水滴进行相互补充和叠加，使得降雨的均匀度达到90％以上，传统单喷头叠加模拟降雨的雨强均匀度仅为40％左右，降雨均匀度提高了两倍。

供水系统主要由交流变频电机、离心水泵、进出口过滤器、溢流安全阀、流量计及压力表等组成；其主要功能是为降雨系统提供流量(雨量)连续可调并具有足够压力的水源；优选地，综合考虑到抗腐蚀性及性价比，主管路采用不锈钢管，支管路采用不锈钢复合管。

流量调节系统主要包括流量控制阀、流量计及电磁阀等，优选地采用泵控和阀控的组合控制方式，即通过变频器控制泵的转速来控制系统流量及控制流量控制阀的开度精确控制系统的流量，大大地提高了系统的快速性，使系统雨量调节过渡过程极大缩短，与单一控制方式相比，降雨稳定时间由6s降至2s。

压力调节系统主要由回水管路、放气阀、电磁开关阀及背压调节阀组成，当系统上电准备按一定雨强降雨时，由于泵控过渡过程比较长，雨强稳定时间难以保证，此时如果打开喷头降雨的话，会影响地面实验结果，为了避免调试过程降雨，在喷头电磁阀关闭状态下，打开调试系统电磁阀并通过调节背压节流阀开度来模拟降雨系统负载特性，这样就组成了一个从泵源到回水 的回路系统，避免了调试过程降雨，当系统达到设定的流量(雨量)并稳定后，关闭调试系统电磁阀并打开喷头降雨，快速实现稳定降雨过程，保证试验过程整个试验过程降雨的稳定性。

作为优选，流量控制是采用压力平衡调速阀控制(流量与阀口压差无关)，保证调试模式切换到正常使用模式后系统流量波动会很小或不波动。

作为优选，在管道的一端设计有放气阀，其主要完成初始雨量调节，调节降雨过程的管道排气。

作为优选，设计一套多路激光雨强测试仪，实现雨强实时在线检测反馈，在降雨区上方纵横两个方向按一定间距分别布置若干激光发射头和接收头。每一对激光可以测出其所在路径上平均雨量，两路激光交点的平均雨强按照一定的关系进行加权组合即可为该点的雨强，加权系数可通过试验标定，实时反馈激光通路上的雨强变化，极大的增强了系统雨强监控的连续性和雨强调节的快速性。

作为优选，管路通过管夹固定在三角支撑架上，支撑架之间及管道与墙壁之间均设计有拉筋，起固定支撑作用。

降雨系统由两个降雨区，分别采用7×11和16×21个喷头组，每组有3个不同型号的喷头组成。降雨系统由23根支管路、23个调速阀、23个流量计、23个压力表、1239个电磁开关阀及1239个手动节流阀组成。其主要功能是完成雨量连续可调的均匀降雨。其中，流量计和调速阀组成闭环自动控制系统来保证具有一定均匀度的可调雨量降雨；电磁开关阀的作用是自动控制喷头开关，起到避免非降雨过程滴水及调试过程关闭的作用；节流阀的作用是调整每个喷头雨量保证最终雨强均匀度。压力表可以实时监测各支管路压力状态及负载畅通情况。

本降雨系统既可以在各独立分区上进行不同时空过程降雨模拟，又可以在大型下垫面模型上进行不同雨型的组合降雨。降雨过程由计算机全自动控制，所有喷头的开关可以独立控制，对降雨过程可以远程实时动态观测，中 央控制台可对所有相关电器设备进行控制。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统结构示意图1；

图2是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统结构示意图2；

图3是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统结构示意图3；

图4是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统结构示意图4；

图5是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统结构示意图5；

图6是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统控制原理图；

图7是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统原理图；

图8是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统喷头总体布置图；

图9是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统管路布置图；

图10是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统结构局部示意图1；

图11是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统结构局部 示意图2；

图12是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统喷头布置图1；

图13是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统喷头布置图2；

图14是根据本实用新型的一个实施方式的人工模拟降雨系统结构局部示意图3；

图中：1、地下室；2、水池；3、水泵；4、流量计；5、压力计；6、电控开关阀；7、水管；8、地面；9、放气阀；10、楼梯；11、变频器；12、流量传感器；13、防爆压力传感器；14、三角支撑架；15、拉筋；16、管夹；17、球阀；18、喷头；19、喷嘴过渡件；20、喷嘴电磁开关阀；21、弯管；22、四通；23、过渡管；24、槽钢；25、滤清组；26、泵电机组及变频控制柜；27、压力表；28、单向阀；29、滤油器(精)；30压力传感器；31、流量控制阀；32、流量计；33、手动球阀；34、减压阀；35、放气阀；36、节流阀；37、电动球阀；38、喷头；39、变径接头；40、饮水机防爆电磁阀；41、接头。

具体实施方式

下面结合附图详细说明根据本实用新型的实施方式。

如附图所示，人工模拟降雨系统包括：喷头系统、管路系统、供水系统、流量调节系统、压力调节系统、过滤系统、雨强检测系统；优选地，喷头系统选择3个类型喷头18正三角形分布成一组，即通径分别为2.45mm、2.05mm、1.2mm，对应大雨雨滴、中雨雨滴、小雨雨滴，在整个系统中，这几种喷头 既可以相互叠加进行模拟大雨强进行降雨，又可以进行独立的小雨强降雨试验，喷头组采用了正方形布局方式，优选喷头组的分布距离，利用多个喷头有效喷射半径之间的重叠来达到降雨均匀度的最大均匀，每个喷头喷出的水滴进行相互补充和叠加，使得降雨的均匀度达到90％以上，传统单喷头叠加模拟降雨的雨强均匀度仅为40％左右，降雨均匀度提高了两倍。

供水系统主要由交流变频电机26、离心水泵3、进出口过滤器(25、29)、溢流安全阀、泵出口流量计32及出口压力表27等组成；其主要功能是为降雨系统提供流量(雨量)连续可调并具有足够压力的水源；优选地，综合考虑到抗腐蚀性及性价比，主管路采用不锈钢管，支管路采用不锈钢复合管。

流量调节系统主要包括流量控制阀31、流量计32及电磁阀6等，优选地采用泵控和阀控的组合控制方式，即通过变频器控制泵的转速来控制流量及控制流量控制阀的开度精确控制流量的大小，大大地提高了系统的快速性，使系统雨量调节过渡过程极大缩短，与单一控制方式相比，降雨稳定时间由6s降至2s。

压力调节系统主要由回水管路7、放气阀35、电磁开关阀6及背压调节阀组成，当系统上电准备按一定雨强降雨时，由于泵控过渡过程比较长，雨强稳定时间难以保证，此时如果打开喷头降雨的话，会影响地面实验结果，为了避免调试过程降雨，在喷头电磁阀关闭状态下，打开调试系统电磁阀并通过调节背压节流阀开度来模拟降雨系统负载特性，这样就组成了一个从泵源到回水管7的回路系统，避免了调试过程降雨，当系统达到设定的流量(雨量)并稳定后，关闭调试系统电磁阀并打开喷头18降雨，快速实现稳定降雨过程，保证试验过程整个试验过程降雨的稳定性。

优选地，在管道7的一端设计有放气阀35，其主要完成初始雨量调节，调节降雨过程的管道排气。

作为优选，设计一套多路激光雨强测试仪，实现雨强实时在线检测反馈，在降雨区上方纵横两个方向按一定间距分别布置若干激光发射头和接收头。 每一对激光可以测出其所在路径上平均雨量，极大的增强了系统雨强监控的连续性和雨强调节的快速性。

人工模拟降雨系统的一个示例性实施方式的工作方式如下，也可以其他方式工作。

在图示的实施方式中，降雨系统由两个降雨区，分别采用7×11和16×21个喷头组，每组有3个不同型号的喷头组成。降雨系统由23根支管路、23个调速阀、23个流量计、23个压力表、1239个电磁开关阀及1239个手动节流阀组成。人工模拟降雨系统的主要功能是完成雨量连续可调的均匀降雨，其中，流量计4和调速阀31组成闭环自动控制系统来保证具有一定均匀度的可调雨量降雨；电磁开关阀20的作用是自动控制喷头18开关，起到避免非降雨过程滴水及调试过程关闭的作用；节流阀36的作用是调整每个喷头雨量保证最终雨强均匀度。压力表27可以实时监测各支管路压力状态及负载畅通情况。

系统上电后准备按一定雨强降雨时，由于泵控过渡过程比较长，雨强稳定时间难以保证，此时如果打开喷头降雨的话，会影响地面实验结果，为了避免调试过程降雨，系统上电后首先进入调试模式，在喷头电磁阀关闭20状态下，打开调试系统电磁阀6并通过调节背压节流阀开度来模拟降雨系统负载特性，这样就组成了一个从泵源到回水管的回路系统，避免了调试过程降雨，当系统达到设定的流量(雨量)并稳定后，关闭调试系统电磁阀6并打开喷头18降雨，虽然背压节流阀负载特性与降雨系统负载特性不可能做到完全一致，但由于流量控制是采用压力平衡调速阀控制(流量与阀口压差无关)，切换后的流量波动会很小或不波动，这样可保证雨强调节时间。在调试过程中，打开放气阀9，排除管道内气体。

多路激光雨强测试仪实时在线检测雨强大小并实时反馈，在降雨区上方纵横两个方向按一定间距分别布置若干激光发射头和接收头。每一对激光可以测出其所在路径上平均雨量，两路激光交点的平均雨强按照一定的关系进 行加权组合即可为该点的雨强，加权系数可通过试验标定，实时反馈激光通路上的雨强变化，极大的增强了系统雨强监控的连续性和雨强调节的快速性。

当需要改变降雨强度时，系统通过控制变频器控制泵的转速来控制流量及控制流量控制阀的开度来精确控制流量的大小，采用泵控和阀控的组合控制方式，不仅减少系统在改变雨强过程中的能量损失，而且大大地提高了系统的快速性，使系统雨量调节过渡过程极大缩短，保证降雨稳定时间小于5s。

本降雨系统既可以在各独立分区上进行不同时空过程降雨模拟，又可以在大型下垫面模型上进行不同雨型的组合降雨。降雨过程由计算机全自动控制，所有喷头的开关可以独立控制，对降雨过程可以远程实时动态观测，中央控制台可对所有相关电器设备进行控制。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种人工模拟降雨系统，其特征在于，包括：喷头系统、管路系统、供水系统、流量调节系统、压力调节系统、过滤系统、雨强检测系统；所述喷头系统选择3个类型喷头正三角形分布成一喷头组，即通径分别为2.45mm、2.05mm、1.2mm；所述流量调节系统包括流量控制阀、流量计及电磁阀，喷头既可以相互叠加进行模拟大雨强进行降雨，又可以进行独立的小雨强降雨试验；所述喷头组采用了正方形布局方式。

2.根据权利要求1所述的人工模拟降雨系统，其特征在于，所述流量调节系统采用泵控和阀控的组合控制方式，即通过变频器控制泵的转速来控制流量及控制流量控制阀的开度精确控制流量的大小。

3.根据权利要求1所述的人工模拟降雨系统，其特征在于，压力调节系统包括回水管路、放气阀、电磁开关阀及背压调节阀，在喷头开启前，通过控制背压调节阀的开度调节系统所需压力，并模拟降雨系统负载特性。

4.根据权利要求2所述的人工模拟降雨系统，其特征在于，所述流量控制阀采用压力平衡控制，流量与阀口压力无关。