降雨發(fā)生裝置雨強和雨滴特性影響因素試驗研究

劉 波， 王曉蕾， 康釗菁， 杭天淵，蘇 騰

（1.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇 南京 211101；2.解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210007；3.中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750）

降雨發(fā)生裝置雨強和雨滴特性影響因素試驗研究

劉 波1，2， 王曉蕾1， 康釗菁1， 杭天淵1，蘇 騰3

（1.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇 南京 211101；2.解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210007；3.中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750）

為研究降雨發(fā)生裝置產(chǎn)生降雨場的特性，并為噴頭進一步的CFD仿真提供實測數(shù)據(jù)，用激光雨滴譜儀進行系統(tǒng)測試，提出基于降雨發(fā)生裝置的測試方法和測試指標，建立噴頭的高度、壓力和口徑等參量與模擬降雨場的降雨特征參量之間的相互關(guān)系。結(jié)果表明：噴頭高度與雨滴下落末速度成正相關(guān)關(guān)系，與雨滴的最大直徑無關(guān)，隨著高度增加，速度的最大增幅可達57%；噴頭壓力與降雨強度成正相關(guān)關(guān)系，與雨滴下落末速度和譜分布成負相關(guān)關(guān)系，根據(jù)降雨強度的穩(wěn)定性確定3種類型噴頭的最佳工作壓力分別為0.09，0.07，0.06MPa；噴頭口徑與降雨強度和雨滴譜分布在一定范圍內(nèi)成正相關(guān)關(guān)系。

降雨發(fā)生裝置；噴頭；雨強；雨滴譜；影響因素

0 引 言

降雨降水資料是研究氣候變遷、天氣動力、數(shù)值天氣預(yù)報模式、水分平衡、水文模型等方面的重要參數(shù)，是雷達與衛(wèi)星定標、水庫管理、工程設(shè)計等方面的重要依據(jù)[1]，研究降水測量的準確性對國計民生有著重要意義[2]。降雨測量儀器種類龐雜，原理各異，目前，對于承水式降雨測量儀器，國內(nèi)外已有較為完善的測試、校準方法[3-5]，對于非承水降雨測量儀器，除了儀器出廠前的定標外，WONG[6]指出目前還沒有一種適用于非承水式降雨測量儀器性能測試、校準的裝置及方法。因此，探討一種非承水式降雨測量儀器的測試校準方法已成為重要研究內(nèi)容。

解決非承水式降雨測量儀器的測試校準問題的方法很多，包括采用玻璃球或鋼珠[7-8]，自適應(yīng)算法和動態(tài)比對試驗[9]進行比對。目前公認的是動態(tài)比對試驗，但是該方法主要依賴于天氣條件，且其均勻性有待驗證。為了模擬自然降雨，為非承水式降雨測量儀器的測量產(chǎn)生一個均勻穩(wěn)定的降雨測試校準環(huán)境，陳文廣等[10-11]提出了標準雨滴雨強模擬及測試技術(shù)和實驗室模擬降雨裝置的思想，蘇騰[12]結(jié)合自然降雨特性及降雨測量儀器測試校準需求，設(shè)計和研制了降雨發(fā)生裝置模擬樣機，但是其產(chǎn)生的降雨環(huán)境特性尚不能滿足要求。

de Lima[13]指出雨滴特性和整個降雨場的特性主要取決于系統(tǒng)壓力和流量以及噴頭的特性（出口直徑，噴灑角度）?；诖?，本文提出了系統(tǒng)的測試方法，對噴頭離地面高度、噴頭出口處壓力和噴頭口徑等因素與降雨特征之間的關(guān)系進行了深入分析：1）介紹了試驗裝置和試驗方法，引入了評價指標；2）分析了噴頭高度、壓力和口徑等因素對降雨發(fā)生裝置的雨強和雨滴特性的影響；3）對論文研究內(nèi)容進行總結(jié)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

降雨發(fā)生裝置采用單噴頭降雨方式，主要由降雨噴頭、支架、供水系統(tǒng)、控制箱以及防風裝置組成，其有效降雨面積為2.0m×2.0m。降雨發(fā)生裝置通過控制箱調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)管道中的水壓，通過旋轉(zhuǎn)式自吸泵將水抽到一定高度，從而產(chǎn)生降雨。

降雨發(fā)生裝置采用恒壓供水系統(tǒng)，供水部分主要由水箱、旋渦式自吸泵、管路和閥門等構(gòu)成。水箱的容積為1m3，為降雨發(fā)生裝置提供足夠的水源。旋渦式自吸泵的額定功率為1.1 kW，吸程為8 m，規(guī)定揚程為30m，可以將水壓到一定的高度并保證噴頭處有一定的壓力[12]。

1.2 測試方法

測試儀器采用OTT Parsivel激光雨滴譜儀[14]，輸出數(shù)據(jù)時間間隔采用1min。將Parsivel激光雨滴譜儀放置在噴頭正下方進行測試，得到降雨強度、雨滴末速度和雨滴譜分布的數(shù)據(jù)。在分析高度影響時，在裝置高度分別為4m和6m兩個高度下，每個高度測量10 min；在分析壓力影響時，噴頭在0.05，0.10，0.15，0.20MPa 4個壓力下工作，每個壓力測量5min；在分析噴頭口徑影響時，在高度為6 m和0.07 MPa壓力下，每個型號的噴頭測量5min。

1.3 評價指標

評價降雨發(fā)生裝置產(chǎn)生的雨滴的特性，主要包括宏觀特性和微觀特性，宏觀主要包括降雨強度的均勻性和穩(wěn)定性，微觀主要包括雨滴下落末速度和雨滴譜分布。

1.3.1 降雨強度的穩(wěn)定性

降雨強度的穩(wěn)定性用一段時間內(nèi)降雨強度的標準偏差[15]來表示，其計算公式如式（1）所示：

式中：B——降雨強度的標準偏差；

RI——每小時的降雨強度，mm/h；

n——總時間，min。

1.3.2 雨滴下落末速度

自然降雨的雨滴在下落一定距離后，其速度達到恒定，該速度稱為雨滴下落末速度。降雨發(fā)生裝置的噴頭距OTT雨滴譜儀的采樣面5.45 m。由于Lhermitte經(jīng)驗公式[16]與Gunn等[17]的實測結(jié)果擬合的較好，因此文中根據(jù)OTT的測量結(jié)果計算各尺度通道雨滴的平均速度，并與Lhermitte經(jīng)驗公式進行比較。

1.3.3 雨滴譜分布

雨滴譜（drop size distribution，DSD）又稱雨滴尺度譜，是指單位體積內(nèi)各種大小雨滴的數(shù)量隨其直徑的分布[18]。利用OTT雨滴譜儀進行降雨測量時，可得到單位時間內(nèi)穿過采樣面積的雨滴數(shù)目及其直徑。

雨滴譜常用的分布有MP分布[19]和Gamma分布[20]。MP分布由于其表達形式簡單，在遙感反演和大氣模式的降水參數(shù)化中被廣泛使用。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴頭高度對雨滴下落速度的影響

圖1 高度對B型噴頭下落末速度的影響

在現(xiàn)有裝置4m高度的基礎(chǔ)上，將6m高度下的試驗數(shù)據(jù)與4m高度下的數(shù)據(jù)進行比較，其中B型噴頭的速度與直徑的關(guān)系如圖1所示。從圖中可以看出：1）高度的增加會使大雨滴段的雨滴下落末速度增大；2）高度的增加并不會使雨滴的最大直徑發(fā)生變化，即產(chǎn)生的雨滴直徑分布并不會變寬；3）6m高度產(chǎn)生的雨滴下落末速度與經(jīng)驗公式給出的速度之間仍有差異。

為進一步分析每個尺度通道雨滴末速度的變化情況，建立每個尺度通道的速度變化表，如表1所示。從表可知，在雨滴平均直徑大于1.375mm時，隨著雨滴尺度的增大，高度對雨滴下落末速度的影響增強，最大達57%。小滴段測量值比經(jīng)驗公式偏高，主要是由雨滴譜儀的測量特性造成的，而直徑為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，降雨發(fā)生裝置的高度應(yīng)大于6m，而關(guān)于降雨發(fā)生裝置的最合適高度后期還需進一步研究。

2.2 噴頭壓力對降雨發(fā)生裝置雨滴的影響

由于壓力小于0.05MPa時，RI變化達30mm/h，且噴頭處的射流未完全噴灑開，因此將0.05MPa作為測試噴頭工作壓力的下限值，在現(xiàn)有裝置6m高度的基礎(chǔ)上，對3種型號的噴頭進行0.05，0.10，0.15，0.20MPa 4個不同壓力下的降雨強度、雨滴譜分布和下落速度的測試，得到相互之間的關(guān)系，其中B型噴頭的變化關(guān)系如圖2所示。從圖2（a）中可以看出，壓力越大，RI越大，但是壓力大時，RI穩(wěn)定性較差；從圖2（b）中可以看出，壓力越大，雨滴的下落末速度呈減小趨勢，與經(jīng)驗公式相差越大，由于OTT雨滴譜儀對自然降雨測得的速度譜與Lhermitte經(jīng)驗公式吻合，可見，壓力越小，雨滴末速度與經(jīng)驗公式越接近；從圖2（c）中可以看出，壓力越大，雨滴譜分布在小滴段的數(shù)量越多，大滴段越少，即壓力的增大，使得雨滴破碎，降雨發(fā)生裝置產(chǎn)生的雨滴譜分布在小滴段偏大，大滴段偏小，且所有壓力下的大滴段的譜分布與MP分布吻合程度較好，因此，壓力越小，RI越小，與MP分布吻合程度較好。綜上可知，噴頭的壓力越小越有利于噴頭噴灑穩(wěn)定，且其產(chǎn)生的雨滴下落末速度和雨滴譜分布也與自然降雨更為相似。

表1 每個尺度通道的速度變化

圖2 降雨發(fā)生裝置4個壓力對B型噴頭雨滴特性影響

為了進一步研究每個噴頭的最佳工作壓力，在0.05 MPa和0.10 MPa之間插入0.06，0.07，0.08，0.09 MPa 4個試驗壓力，結(jié)合0.15 MPa和0.20 MPa共8個試驗壓力，在這8個壓力下進行試驗，其中B型噴頭的變化關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出，噴頭隨著壓力的增大，雨滴譜分布小雨滴段數(shù)量變多，大雨滴段數(shù)量變少，且譜寬變窄。這是由于壓力過小使噴頭出口處射流破碎不完整，有大滴的雨滴產(chǎn)生，且其產(chǎn)生大滴的概率是不確定的，對RI的穩(wěn)定性造成了很大的影響，且隨著壓力的增大，噴頭出口處的射流破碎成小雨滴，導致大雨滴數(shù)量減少。總體來看，可知壓力太小導致雨滴破碎不完整，壓力太大導致雨滴譜寬變窄，因此，最合適壓力的標準，是在保證小雨滴完整破碎和RI穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，使壓力盡量偏小。

表2 壓力對RI的影響分析1）

為了量化壓力對3個噴頭的RI穩(wěn)定性的影響，得到了3個噴頭5 min內(nèi)每1 min RI的變化偏差，標準偏差如表2所示，從表中可知，當噴頭壓力從0.05MPa變化到0.20MPa的過程中，每個噴頭的RI變化偏差先降低，然后又升高，即穩(wěn)定性從比較差到比較好，再到比較差。綜合考慮后，最合適的壓力分別為，A型噴頭為0.09 MPa，B型噴頭為0.07 MPa，C型噴頭為0.06 MPa，即隨著噴頭口直徑的增大，噴頭最合適壓力降低。

圖3 降雨發(fā)生裝置8個壓力對B型噴頭雨滴特性影響

圖4 降雨發(fā)生裝置噴頭類型對雨滴特性影響

2.3 噴頭口徑與雨滴特性的關(guān)系

對3種型號的噴頭在6m高度和0.07MPa壓力下進行試驗，測試結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，隨著噴頭口徑的增大，RI先增大再減??；下落末速度在雨滴直徑小于1mm部分具有較好的一致性，大于1mm后A型噴頭速度較經(jīng)驗公式偏小較為明顯，且隨著噴頭口徑的增大，雨滴譜變寬；雨滴譜特性在小滴段均偏高，而在大滴段B型噴頭和C型噴頭與MP分布具有較好的一致性。

3 結(jié)束語

分析了降雨發(fā)生裝置中噴頭高度、噴頭壓力和噴頭口徑等因素對模擬降雨場雨強和雨滴下落末速度和雨滴譜分布的影響，主要得到以下結(jié)論：

1）隨著噴頭高度的增加，雨滴下落末速度增加，高度增大2 m，速度的最大增幅可達57%，但是高度的增加并不會增加雨滴的最大直徑，最佳高度大于6m。

2）隨著噴頭壓力的增加，降雨強度增大，不穩(wěn)定性也隨之增加，但是，雨滴下落末速度反而降低，且雨滴的譜寬也相應(yīng)變窄，因此，兼顧降雨強度范圍及雨滴特性要求，對每種噴頭而言，均存在一個最佳工作壓力。根據(jù)降雨強度的穩(wěn)定性得出A、B和C型號噴頭的最佳工作壓力分別為0.09，0.07，0.06MPa。

3）隨著噴頭口徑的增加，雨滴的譜寬增加，B和C型噴頭的性能較A型噴頭好，噴頭的口徑應(yīng)大于3.5mm。

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（編輯：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

國家自然科學基金（41327003，41475020）

劉 波（1991-），男，湖南婁底市人，博士研究生，研究方向為軍事氣象計量與測試技術(shù)。