人工模擬降雨系統(tǒng)設(shè)計

劉光宇，邢曉陽，張春友

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 機械工程學(xué)院，通遼 028043；2.北京新立機械有限責(zé)任公司地面設(shè)備事業(yè)部，北京 100039）

0 引言

人工模擬降雨系統(tǒng)能夠彌補自然降雨規(guī)律性不足對科學(xué)研究的限制，不僅經(jīng)濟(jì)性、重復(fù)性及可控性較強，還能夠大大縮短試驗研究周期，已成為研究土壤侵蝕、水土保持、雨水利用的重要設(shè)施, 被廣泛用于多種農(nóng)業(yè)及環(huán)境特性研究[1～4]。從20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外相繼研制出單噴頭、多噴頭組合、針頭式、管網(wǎng)式、懸線式等不同性能的模擬降雨裝置[5～9]。隨著自動控制理論和技術(shù)的不斷提高[10]，人工模擬降雨裝置自動化程度逐漸提高[11,12]，很好地解決了在變雨強度下降雨均勻度與天然降雨相似性的問題。本文提出了一種通過改變噴頭型號、壓力及結(jié)構(gòu)布局的變雨強人工模擬降雨裝置，在研究單噴頭降雨特性的基礎(chǔ)上，將多個噴頭根據(jù)布置方式進(jìn)行降雨強度疊加得到布局范圍內(nèi)雨強分布特性，基于Matlab建立了降雨分布仿真軟件，對降雨裝置參數(shù)進(jìn)行計算分析優(yōu)化，得到降雨強度均勻性較高的最優(yōu)配置方案。

1 人工模擬降雨系統(tǒng)工作原理

人工模擬降雨系統(tǒng)（圖1）主要是由泵源系統(tǒng)、降雨系統(tǒng)和調(diào)試系統(tǒng)組成，通過對供水壓力、噴頭類型及數(shù)量的控制來調(diào)節(jié)降雨強度。

1.1 泵源系統(tǒng)

泵源系統(tǒng)主要由變頻電機、離心水泵、過濾器、流量計、安全閥、調(diào)壓閥及壓力傳感器組成。通過調(diào)節(jié)變頻電機轉(zhuǎn)速和溢流安全閥壓力來為降雨系統(tǒng)提供流量（雨量）連續(xù)可調(diào)并具有足夠壓力的水源。通過調(diào)壓閥和壓力傳感器閉環(huán)控制來保證供水系統(tǒng)的壓力。

圖1 人工降雨系統(tǒng)

1.2 降雨系統(tǒng)

降雨系統(tǒng)主要由n×m個噴頭、n根支管路、n×m個電磁開關(guān)閥組成。噴頭布置方式如圖2所示，各個噴頭采用等間距布置，中心距離為Lx，不同行之間噴頭中心的偏置距離為L0。電磁開關(guān)閥的作用是自動控制噴頭開關(guān)，起到避免非降雨過程滴水及調(diào)試過程關(guān)閉的作用。據(jù)國際上通用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和實際觀測，降雨高度大于15米時，雨滴落地的末速度即與自然降雨相似，因此調(diào)整噴頭高于15米。

圖2 噴頭布置方式

1.3 調(diào)試系統(tǒng)

調(diào)試系統(tǒng)是由放氣閥、電磁開關(guān)閥及背壓節(jié)流閥組成，主要在降雨系統(tǒng)的初始階段進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)系統(tǒng)上電準(zhǔn)備按一定雨強降雨時，由于泵控啟動過渡過程比較長，雨強穩(wěn)定時間難以保證，如果過早打開噴頭進(jìn)行降雨，會直接影響實驗結(jié)果。因此，為了避免調(diào)試過程降雨，在噴頭電磁關(guān)閉的狀態(tài)下，打開調(diào)試系統(tǒng)電磁閥并通過調(diào)節(jié)背壓節(jié)流閥開度來模擬降雨系統(tǒng)負(fù)載特性，這樣就組成了一個從泵源到回水的密閉系統(tǒng)，避免了調(diào)試過程降雨。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定流量（雨量）并穩(wěn)定后，關(guān)閉調(diào)試系統(tǒng)電磁閥并打開噴頭開始降雨。

2 噴頭建模

從人工模擬降雨系統(tǒng)的工作原理可以得知，噴頭作為降雨系統(tǒng)的終端執(zhí)行元器件，其性能直接關(guān)系到降雨特性。但是無論哪一種噴頭，建模仿真計算分析其在不同壓力下的噴射投影面及在投影面上的雨強分布尤為重要。

噴頭噴射過程及雨滴的受力狀態(tài)如圖3所示，雨滴主要受到重力Mg，空氣阻力fc的作用。由于最外側(cè)雨滴在空氣阻力fc的作用下，其橫向噴射速度ux逐漸衰減到零，則最外側(cè)雨滴的最大行走距離為噴頭的噴射半徑xmax。

圖3 噴頭噴射過程及雨滴受力圖

噴嘴出口的流量Q為：

式中u為流速；△P為壓差；Cq為流量系數(shù)；ρ為水的密度；A=πd2/4為噴嘴截面積；d為噴嘴直徑。

雨滴在x軸方向的初速度為：

雨滴在x軸方向的微分方程為：

設(shè)空氣阻力系數(shù)為c，則：

因此：

通過求解方程(5)可以得到其解為：

式中m為雨滴的質(zhì)量。

選用德國萊克勒扇形噴頭，夾角為120°。由于噴頭直徑很小，雷諾數(shù)較大，噴頭模型為圓孔紊流射流模型，其雨強分布符合正態(tài)分布。在噴射半徑為r時，降雨強度w為：

式中be正比于xmax/tan60°，k為比例因子，因此：

噴嘴的噴射流量為：

通過聯(lián)合式(1)～式(2)、式(7)～式(10)可以得到降雨強度與噴嘴噴射半徑及系統(tǒng)壓力之間的關(guān)系，從而得到噴頭降雨強度的數(shù)學(xué)模型w=f（r，ΔP）)。

3 噴頭實驗及參數(shù)辨識

為了合理選擇和布置噴頭來達(dá)到降雨特性要求，首先應(yīng)對現(xiàn)有噴頭特性進(jìn)行研究，噴頭特性包括壓力-流量特性及雨量分布特性。為了獲得噴頭特性，建立噴頭實驗系統(tǒng)（圖4）。通過調(diào)節(jié)變頻電機轉(zhuǎn)速來改變噴頭流量；通過調(diào)壓閥與壓力傳感器閉環(huán)控制來控制系統(tǒng)壓力；通過多個雨量計測試不同噴射半徑處的降雨強度，從而為降雨強度控制提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。

首先通過測量噴頭實驗系統(tǒng)中的壓力和流量根據(jù)公式1可以得到流量系數(shù)Cq，然后在不同系統(tǒng)壓力下通過多個雨量計組測試不同噴射半徑下的降雨強度，采用噴頭模型仿真與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)辨識，從而得到比例因子k和空氣阻力系數(shù)c。在不同壓力和噴頭型號時，噴頭仿真與實驗數(shù)據(jù)如圖5所示，仿真計算與實驗曲線基本重合，從而驗證了該模型及參數(shù)的正確性。

圖4 噴頭實驗系統(tǒng)

4 降雨分布仿真分析

圖5 仿真與實驗

各個噴頭按照圖2的方式進(jìn)行布置，為了分析在不同噴頭及組合方式和系統(tǒng)壓力下降雨強度的分布特性，根據(jù)各個噴頭的降雨特性進(jìn)行組合疊加計算仿真，并基于Matlab制作了人工模擬降雨仿真軟件（如圖6所示）。通過對噴頭壓力、噴嘴直徑、噴頭中心距、噴頭行列數(shù)和噴頭偏置距離進(jìn)行設(shè)定，可以非常清晰的得出噴頭組合方式圖、單個噴頭雨強分布圖、全域雨強分布圖、全域雨強分布截面圖，85%雨強分布截面圖和雨強分布等高線圖。由圖6可以非常直觀的得出在此設(shè)定參數(shù)下全域內(nèi)雨強分布特性，從而為人工模擬降雨系統(tǒng)中噴頭的型號、數(shù)量、布置方式及壓力的設(shè)定提供理論依據(jù)。

圖6 人工模擬降雨仿真軟件

5 結(jié)論

通過人工模擬降雨仿真軟件可以快速的得到系統(tǒng)在不同參數(shù)設(shè)置下的雨強分布特性，從而為人工模擬降雨系統(tǒng)中噴頭型號、壓力及布置方式的選擇提供理論依據(jù)。