人工模拟降雨系统设计

刘光宇，邢晓阳，张春友

（1.内蒙古民族大学 机械工程学院，通辽 028043；2.北京新立机械有限责任公司地面设备事业部，北京 100039）

0 引言

人工模拟降雨系统能够弥补自然降雨规律性不足对科学研究的限制，不仅经济性、重复性及可控性较强，还能够大大缩短试验研究周期，已成为研究土壤侵蚀、水土保持、雨水利用的重要设施, 被广泛用于多种农业及环境特性研究[1～4]。从20世纪80年代开始，国内外相继研制出单喷头、多喷头组合、针头式、管网式、悬线式等不同性能的模拟降雨装置[5～9]。随着自动控制理论和技术的不断提高[10]，人工模拟降雨装置自动化程度逐渐提高[11,12]，很好地解决了在变雨强度下降雨均匀度与天然降雨相似性的问题。本文提出了一种通过改变喷头型号、压力及结构布局的变雨强人工模拟降雨装置，在研究单喷头降雨特性的基础上，将多个喷头根据布置方式进行降雨强度叠加得到布局范围内雨强分布特性，基于Matlab建立了降雨分布仿真软件，对降雨装置参数进行计算分析优化，得到降雨强度均匀性较高的最优配置方案。

1 人工模拟降雨系统工作原理

人工模拟降雨系统（图1）主要是由泵源系统、降雨系统和调试系统组成，通过对供水压力、喷头类型及数量的控制来调节降雨强度。

1.1 泵源系统

泵源系统主要由变频电机、离心水泵、过滤器、流量计、安全阀、调压阀及压力传感器组成。通过调节变频电机转速和溢流安全阀压力来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。通过调压阀和压力传感器闭环控制来保证供水系统的压力。

图1 人工降雨系统

1.2 降雨系统

降雨系统主要由n×m个喷头、n根支管路、n×m个电磁开关阀组成。喷头布置方式如图2所示，各个喷头采用等间距布置，中心距离为Lx，不同行之间喷头中心的偏置距离为L0。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。据国际上通用设计标准和实际观测，降雨高度大于15米时，雨滴落地的末速度即与自然降雨相似，因此调整喷头高于15米。

图2 喷头布置方式

1.3 调试系统

调试系统是由放气阀、电磁开关阀及背压节流阀组成，主要在降雨系统的初始阶段进行调试。当系统上电准备按一定雨强降雨时，由于泵控启动过渡过程比较长，雨强稳定时间难以保证，如果过早打开喷头进行降雨，会直接影响实验结果。因此，为了避免调试过程降雨，在喷头电磁关闭的状态下，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密闭系统，避免了调试过程降雨。当系统达到设定流量（雨量）并稳定后，关闭调试系统电磁阀并打开喷头开始降雨。

2 喷头建模

从人工模拟降雨系统的工作原理可以得知，喷头作为降雨系统的终端执行元器件，其性能直接关系到降雨特性。但是无论哪一种喷头，建模仿真计算分析其在不同压力下的喷射投影面及在投影面上的雨强分布尤为重要。

喷头喷射过程及雨滴的受力状态如图3所示，雨滴主要受到重力Mg，空气阻力fc的作用。由于最外侧雨滴在空气阻力fc的作用下，其横向喷射速度ux逐渐衰减到零，则最外侧雨滴的最大行走距离为喷头的喷射半径xmax。

图3 喷头喷射过程及雨滴受力图

喷嘴出口的流量Q为：

式中u为流速；△P为压差；Cq为流量系数；ρ为水的密度；A=πd2/4为喷嘴截面积；d为喷嘴直径。

雨滴在x轴方向的初速度为：

雨滴在x轴方向的微分方程为：

设空气阻力系数为c，则：

因此：

通过求解方程(5)可以得到其解为：

式中m为雨滴的质量。

选用德国莱克勒扇形喷头，夹角为120°。由于喷头直径很小，雷诺数较大，喷头模型为圆孔紊流射流模型，其雨强分布符合正态分布。在喷射半径为r时，降雨强度w为：

式中be正比于xmax/tan60°，k为比例因子，因此：

喷嘴的喷射流量为：

通过联合式(1)～式(2)、式(7)～式(10)可以得到降雨强度与喷嘴喷射半径及系统压力之间的关系，从而得到喷头降雨强度的数学模型w=f（r，ΔP）)。

3 喷头实验及参数辨识

为了合理选择和布置喷头来达到降雨特性要求，首先应对现有喷头特性进行研究，喷头特性包括压力-流量特性及雨量分布特性。为了获得喷头特性，建立喷头实验系统（图4）。通过调节变频电机转速来改变喷头流量；通过调压阀与压力传感器闭环控制来控制系统压力；通过多个雨量计测试不同喷射半径处的降雨强度，从而为降雨强度控制提供基础实验数据。

首先通过测量喷头实验系统中的压力和流量根据公式1可以得到流量系数Cq，然后在不同系统压力下通过多个雨量计组测试不同喷射半径下的降雨强度，采用喷头模型仿真与实验数据进行模型参数辨识，从而得到比例因子k和空气阻力系数c。在不同压力和喷头型号时，喷头仿真与实验数据如图5所示，仿真计算与实验曲线基本重合，从而验证了该模型及参数的正确性。

图4 喷头实验系统

4 降雨分布仿真分析

图5 仿真与实验

各个喷头按照图2的方式进行布置，为了分析在不同喷头及组合方式和系统压力下降雨强度的分布特性，根据各个喷头的降雨特性进行组合叠加计算仿真，并基于Matlab制作了人工模拟降雨仿真软件（如图6所示）。通过对喷头压力、喷嘴直径、喷头中心距、喷头行列数和喷头偏置距离进行设定，可以非常清晰的得出喷头组合方式图、单个喷头雨强分布图、全域雨强分布图、全域雨强分布截面图，85%雨强分布截面图和雨强分布等高线图。由图6可以非常直观的得出在此设定参数下全域内雨强分布特性，从而为人工模拟降雨系统中喷头的型号、数量、布置方式及压力的设定提供理论依据。

图6 人工模拟降雨仿真软件

5 结论

通过人工模拟降雨仿真软件可以快速的得到系统在不同参数设置下的雨强分布特性，从而为人工模拟降雨系统中喷头型号、压力及布置方式的选择提供理论依据。