人工模拟降雨系统喷头喷洒雨滴特性测试

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1、2014年12月农业机械学报第45卷第12期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．12．009*人工模拟降雨系统喷头喷洒雨滴特性测试1，211韩文霆曹培刘文帅(1．西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌712100;2．西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100)摘要:利用2D视频雨滴谱仪，对喷头喷洒的雨滴形状、尺寸分布、平均直径和垂直降落速度等进行准确测量，分析了喷嘴直径、工作压力对雨滴平均直径变化趋势的影响，建立了雨滴平均直径与垂直降落速度间的关系模型。结果表明:人工模拟降雨系统下喷头喷洒雨滴的直径范围在0～3mm;在相

2、同喷嘴直径下，随着工作压力的增大，雨滴平均直径呈下降趋势;在工作压力不变的条件下，随着喷嘴直径的增大，雨滴平均直径会随之增大;通过雨滴平均直径与垂直下落速度间的关系模型，能够较好地预测雨滴的降落速度。关键词:雨滴特性人工模拟降雨系统2D视频雨滴谱仪平均直径中图分类号:S157文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)12-0056-06算出雨滴粒径，从而能够快速地得出雨滴大小;刘乃引言［10］玲等对螺旋形喷嘴的液滴分布特性和直径经验在节水灌溉中，雨滴特性是喷头水力性能的一公式进行了研究，建立了螺旋型喷嘴液滴直径的准个重要指标，通过测量雨滴特性可以计算喷头喷洒

3、则关系式。但是从现有的资料来看，目前针对以水雨滴的打击强度、雾化程度，从而判断喷头的水力性为雾化介质的模拟降雨喷头雨滴特性的研究还比较能，同时喷头喷洒雨滴的特性是开展侵蚀定量分析少。喷头是人工模拟降雨系统的关键部件之一，不与建立侵蚀量预报数学模式提供有关降雨侵蚀力的仅在农业中被广泛应用，在消防灭火等方面也有重［1］［11］基本依据。反映喷头喷洒雨滴特性的参数主要要应用，因此对该种喷头进行研究，不仅具有重有雨滴直径大小、组成分布、降落速度和动能。其中要的理论意义，而且具有较强的现实意义。雨滴直径决定了降落雨滴的质量和速度，而这两者在喷头雨滴特性的测量中，雨滴直径的测量一又

4、决定了雨滴所具有的动能，因此通过测量、分析雨直是一个难点，这是由于雨滴降落时运动的形状国滴直径的大小和分布，可以得出雨滴特性的各个参内外没有一个比较确定的定量公式来描述它，而且数。在雨滴采集测量的过程中有许多不确定的因素，雨［12］近年来，国内外许多学者对雨滴特性展开了研滴的采集处理也具有较强的繁复性。现有的测［2］［13］［14］究，并取得较大进展。Best研究了天然降雨雨滴量方法主要有色斑法、面粉法、高速摄影［15－16］［17－18］分布特征，提出了著名的Best雨滴大小分布式;法、浸入法、雷达观测法、光学雨量计［3］［19］Atlas等研究了雨滴垂直下落速度与直

5、径的关系，法等。得出静止大气中雨滴垂直下落速度与直径的相关方但上述各种方法都存在工作冗繁和误差较大的［4］程;Gunn和Kinzer同样研究了雨滴直径和下落速问题，并且适用于实验室的各种雨滴特性测试方法度的关系，得出了著名的Gunn-Kinzer关系;Marshall都不能进行实时测量。奥地利JoanneumＲesearch［5］和Palmer研究了雨滴直径分布的经验公式，得出公司与欧洲太空局、欧洲空间技术中心(EuropeanM－P分布公式;在国内，窦葆璋、周佩华、吴光艳SpaceAgency/EuropeanSpaceandTechnology［6－8］等采用色斑法

6、对天然降雨雨滴特征进行了研Centre)等机构共同研发的2D视频雨滴谱仪(2D-究，得出雨滴大小特征符合Best分布函数;徐向舟video-distrometer)能够进行雨滴特性的观测和初步［9］等对模拟降雨雨滴运用AutoCAD软件描绘雨滴分析，而且能快速、准确、实时地观测雨滴大小、运动［20－22］色斑图案并计算色斑面积，进而运用Excel软件换速度、雨滴形状及分布等雨滴特性。收稿日期:2014-07-21修回日期:2014-07-23*新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-12-0473)、“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2011BAD29B08)和高等

7、学校学科创新引智计划(111计划)资助项目(B12007)作者简介:韩文霆，研究员，博士生导师，主要从事节水灌溉技术与装备研究，E-mail:hanwt2000@126．com第12期韩文霆等:人工模拟降雨系统喷头喷洒雨滴特性测试57本文利用2D视频雨滴谱仪，研究人工模拟降雨系统喷头雨滴特性与工作参数之间的关系，分析喷嘴直径、工作压力对雨滴平均直径变化趋势的影响，建立雨滴平均直径与垂直下落速度间的关系模型。1材料与方法1.1试验环境试验在陕西省杨凌区中国旱地节水农业研究院国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心的灌溉水力学图2试验设计方案图Fig