降雨发生装置雨强和雨滴特性影响因素试验研究

刘 波， 王晓蕾， 康钊菁， 杭天渊，苏 腾

（1.解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京 211101；2.解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京 210007；3.中国酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750）

降雨发生装置雨强和雨滴特性影响因素试验研究

刘 波1，2， 王晓蕾1， 康钊菁1， 杭天渊1，苏 腾3

（1.解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京 211101；2.解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京 210007；3.中国酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750）

为研究降雨发生装置产生降雨场的特性，并为喷头进一步的CFD仿真提供实测数据，用激光雨滴谱仪进行系统测试，提出基于降雨发生装置的测试方法和测试指标，建立喷头的高度、压力和口径等参量与模拟降雨场的降雨特征参量之间的相互关系。结果表明：喷头高度与雨滴下落末速度成正相关关系，与雨滴的最大直径无关，随着高度增加，速度的最大增幅可达57%；喷头压力与降雨强度成正相关关系，与雨滴下落末速度和谱分布成负相关关系，根据降雨强度的稳定性确定3种类型喷头的最佳工作压力分别为0.09，0.07，0.06MPa；喷头口径与降雨强度和雨滴谱分布在一定范围内成正相关关系。

降雨发生装置；喷头；雨强；雨滴谱；影响因素

0 引 言

降雨降水资料是研究气候变迁、天气动力、数值天气预报模式、水分平衡、水文模型等方面的重要参数，是雷达与卫星定标、水库管理、工程设计等方面的重要依据[1]，研究降水测量的准确性对国计民生有着重要意义[2]。降雨测量仪器种类庞杂，原理各异，目前，对于承水式降雨测量仪器，国内外已有较为完善的测试、校准方法[3-5]，对于非承水降雨测量仪器，除了仪器出厂前的定标外，WONG[6]指出目前还没有一种适用于非承水式降雨测量仪器性能测试、校准的装置及方法。因此，探讨一种非承水式降雨测量仪器的测试校准方法已成为重要研究内容。

解决非承水式降雨测量仪器的测试校准问题的方法很多，包括采用玻璃球或钢珠[7-8]，自适应算法和动态比对试验[9]进行比对。目前公认的是动态比对试验，但是该方法主要依赖于天气条件，且其均匀性有待验证。为了模拟自然降雨，为非承水式降雨测量仪器的测量产生一个均匀稳定的降雨测试校准环境，陈文广等[10-11]提出了标准雨滴雨强模拟及测试技术和实验室模拟降雨装置的思想，苏腾[12]结合自然降雨特性及降雨测量仪器测试校准需求，设计和研制了降雨发生装置模拟样机，但是其产生的降雨环境特性尚不能满足要求。

de Lima[13]指出雨滴特性和整个降雨场的特性主要取决于系统压力和流量以及喷头的特性（出口直径，喷洒角度）。基于此，本文提出了系统的测试方法，对喷头离地面高度、喷头出口处压力和喷头口径等因素与降雨特征之间的关系进行了深入分析：1）介绍了试验装置和试验方法，引入了评价指标；2）分析了喷头高度、压力和口径等因素对降雨发生装置的雨强和雨滴特性的影响；3）对论文研究内容进行总结。

1 材料与方法

1.1 试验装置

降雨发生装置采用单喷头降雨方式，主要由降雨喷头、支架、供水系统、控制箱以及防风装置组成，其有效降雨面积为2.0m×2.0m。降雨发生装置通过控制箱调节供水系统管道中的水压，通过旋转式自吸泵将水抽到一定高度，从而产生降雨。

降雨发生装置采用恒压供水系统，供水部分主要由水箱、旋涡式自吸泵、管路和阀门等构成。水箱的容积为1m3，为降雨发生装置提供足够的水源。旋涡式自吸泵的额定功率为1.1 kW，吸程为8 m，规定扬程为30m，可以将水压到一定的高度并保证喷头处有一定的压力[12]。

1.2 测试方法

测试仪器采用OTT Parsivel激光雨滴谱仪[14]，输出数据时间间隔采用1min。将Parsivel激光雨滴谱仪放置在喷头正下方进行测试，得到降雨强度、雨滴末速度和雨滴谱分布的数据。在分析高度影响时，在装置高度分别为4m和6m两个高度下，每个高度测量10 min；在分析压力影响时，喷头在0.05，0.10，0.15，0.20MPa 4个压力下工作，每个压力测量5min；在分析喷头口径影响时，在高度为6 m和0.07 MPa压力下，每个型号的喷头测量5min。

1.3 评价指标

评价降雨发生装置产生的雨滴的特性，主要包括宏观特性和微观特性，宏观主要包括降雨强度的均匀性和稳定性，微观主要包括雨滴下落末速度和雨滴谱分布。

1.3.1 降雨强度的稳定性

降雨强度的稳定性用一段时间内降雨强度的标准偏差[15]来表示，其计算公式如式（1）所示：

式中：B——降雨强度的标准偏差；

RI——每小时的降雨强度，mm/h；

n——总时间，min。

1.3.2 雨滴下落末速度

自然降雨的雨滴在下落一定距离后，其速度达到恒定，该速度称为雨滴下落末速度。降雨发生装置的喷头距OTT雨滴谱仪的采样面5.45 m。由于Lhermitte经验公式[16]与Gunn等[17]的实测结果拟合的较好，因此文中根据OTT的测量结果计算各尺度通道雨滴的平均速度，并与Lhermitte经验公式进行比较。

1.3.3 雨滴谱分布

雨滴谱（drop size distribution，DSD）又称雨滴尺度谱，是指单位体积内各种大小雨滴的数量随其直径的分布[18]。利用OTT雨滴谱仪进行降雨测量时，可得到单位时间内穿过采样面积的雨滴数目及其直径。

雨滴谱常用的分布有MP分布[19]和Gamma分布[20]。MP分布由于其表达形式简单，在遥感反演和大气模式的降水参数化中被广泛使用。

2 结果与分析

2.1 喷头高度对雨滴下落速度的影响

图1 高度对B型喷头下落末速度的影响

在现有装置4m高度的基础上，将6m高度下的试验数据与4m高度下的数据进行比较，其中B型喷头的速度与直径的关系如图1所示。从图中可以看出：1）高度的增加会使大雨滴段的雨滴下落末速度增大；2）高度的增加并不会使雨滴的最大直径发生变化，即产生的雨滴直径分布并不会变宽；3）6m高度产生的雨滴下落末速度与经验公式给出的速度之间仍有差异。

为进一步分析每个尺度通道雨滴末速度的变化情况，建立每个尺度通道的速度变化表，如表1所示。从表可知，在雨滴平均直径大于1.375mm时，随着雨滴尺度的增大，高度对雨滴下落末速度的影响增强，最大达57%。小滴段测量值比经验公式偏高，主要是由雨滴谱仪的测量特性造成的，而直径为4.25mm的雨滴下落末速度均偏低，主要是由雨滴的高度造成的。因此，降雨发生装置的高度应大于6m，而关于降雨发生装置的最合适高度后期还需进一步研究。

2.2 喷头压力对降雨发生装置雨滴的影响

由于压力小于0.05MPa时，RI变化达30mm/h，且喷头处的射流未完全喷洒开，因此将0.05MPa作为测试喷头工作压力的下限值，在现有装置6m高度的基础上，对3种型号的喷头进行0.05，0.10，0.15，0.20MPa 4个不同压力下的降雨强度、雨滴谱分布和下落速度的测试，得到相互之间的关系，其中B型喷头的变化关系如图2所示。从图2（a）中可以看出，压力越大，RI越大，但是压力大时，RI稳定性较差；从图2（b）中可以看出，压力越大，雨滴的下落末速度呈减小趋势，与经验公式相差越大，由于OTT雨滴谱仪对自然降雨测得的速度谱与Lhermitte经验公式吻合，可见，压力越小，雨滴末速度与经验公式越接近；从图2（c）中可以看出，压力越大，雨滴谱分布在小滴段的数量越多，大滴段越少，即压力的增大，使得雨滴破碎，降雨发生装置产生的雨滴谱分布在小滴段偏大，大滴段偏小，且所有压力下的大滴段的谱分布与MP分布吻合程度较好，因此，压力越小，RI越小，与MP分布吻合程度较好。综上可知，喷头的压力越小越有利于喷头喷洒稳定，且其产生的雨滴下落末速度和雨滴谱分布也与自然降雨更为相似。

表1 每个尺度通道的速度变化

图2 降雨发生装置4个压力对B型喷头雨滴特性影响

为了进一步研究每个喷头的最佳工作压力，在0.05 MPa和0.10 MPa之间插入0.06，0.07，0.08，0.09 MPa 4个试验压力，结合0.15 MPa和0.20 MPa共8个试验压力，在这8个压力下进行试验，其中B型喷头的变化关系如图3所示。从图中可以看出，喷头随着压力的增大，雨滴谱分布小雨滴段数量变多，大雨滴段数量变少，且谱宽变窄。这是由于压力过小使喷头出口处射流破碎不完整，有大滴的雨滴产生，且其产生大滴的概率是不确定的，对RI的稳定性造成了很大的影响，且随着压力的增大，喷头出口处的射流破碎成小雨滴，导致大雨滴数量减少。总体来看，可知压力太小导致雨滴破碎不完整，压力太大导致雨滴谱宽变窄，因此，最合适压力的标准，是在保证小雨滴完整破碎和RI稳定的基础上，使压力尽量偏小。

表2 压力对RI的影响分析1）

为了量化压力对3个喷头的RI稳定性的影响，得到了3个喷头5 min内每1 min RI的变化偏差，标准偏差如表2所示，从表中可知，当喷头压力从0.05MPa变化到0.20MPa的过程中，每个喷头的RI变化偏差先降低，然后又升高，即稳定性从比较差到比较好，再到比较差。综合考虑后，最合适的压力分别为，A型喷头为0.09 MPa，B型喷头为0.07 MPa，C型喷头为0.06 MPa，即随着喷头口直径的增大，喷头最合适压力降低。

图3 降雨发生装置8个压力对B型喷头雨滴特性影响

图4 降雨发生装置喷头类型对雨滴特性影响

2.3 喷头口径与雨滴特性的关系

对3种型号的喷头在6m高度和0.07MPa压力下进行试验，测试结果如图4所示。从图中可以看出，随着喷头口径的增大，RI先增大再减小；下落末速度在雨滴直径小于1mm部分具有较好的一致性，大于1mm后A型喷头速度较经验公式偏小较为明显，且随着喷头口径的增大，雨滴谱变宽；雨滴谱特性在小滴段均偏高，而在大滴段B型喷头和C型喷头与MP分布具有较好的一致性。

3 结束语

分析了降雨发生装置中喷头高度、喷头压力和喷头口径等因素对模拟降雨场雨强和雨滴下落末速度和雨滴谱分布的影响，主要得到以下结论：

1）随着喷头高度的增加，雨滴下落末速度增加，高度增大2 m，速度的最大增幅可达57%，但是高度的增加并不会增加雨滴的最大直径，最佳高度大于6m。

2）随着喷头压力的增加，降雨强度增大，不稳定性也随之增加，但是，雨滴下落末速度反而降低，且雨滴的谱宽也相应变窄，因此，兼顾降雨强度范围及雨滴特性要求，对每种喷头而言，均存在一个最佳工作压力。根据降雨强度的稳定性得出A、B和C型号喷头的最佳工作压力分别为0.09，0.07，0.06MPa。

3）随着喷头口径的增加，雨滴的谱宽增加，B和C型喷头的性能较A型喷头好，喷头的口径应大于3.5mm。

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（编辑：徐柳）

The experimental research on the factors of rainfall intensity and raindrop properties of a rainfall generator

LIU Bo1，2，WANG Xiaolei1，KANG Zhaojing1，HANG Tianyuan1，SU Teng3
（1.College of Meteorology and Oceanography，PLA University of Science and Technology，Nanjing 211101，China；2.College of Field Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China；3.Jiuquan Satellite Launch Center，Jiuquan 732750，China）

In order to quantify the rainfall properties of rainfall generator and provide a reference for the CFD models of nozzles，systematic experiments under laser disdrometerare conducted，the test method and indicators of rainfall generator are investigated.The relationship between the height of nozzle，operating pressure，nozzle diameter and rainfall characteristic parameters are established and evaluated subsequently.Experimental results show that，the height of nozzle and the terminal velocity have positive correction while the maximun diameter is in reverse and the growth of terminal velocity approaches 57%with the increasing of diameter.Operating pressure is positively correlated with rainfall intensity，and the termianal velocity and raindrop size distribution are negatively correlated.Combining with the stability of the rainfall intensity，the best working pressure of three types of nozzlesare ascertained as 0.09 MPa，0.07 MPa and 0.06 MPa.Nozzle diameter are positively correlated with rainfall intensity and drop size distribution in a certain range.

rainfall generator；spray nozzle；rainfall intensity；raindrop size distribution；factors

A

：1674-5124（2017）02-0125-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.025

2016-07-18；

：2016-09-05

国家自然科学基金（41327003，41475020）

刘 波（1991-），男，湖南娄底市人，博士研究生，研究方向为军事气象计量与测试技术。