一種室內人工模擬降雨試驗系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種人工模擬降雨試驗系統，特別是涉及一種新型室內人工模擬降雨 試驗系統，屬于道路工程與環境科研儀器設備領域。本發明給出的試驗系統可用于室內降 雨模擬，可針對不同地域的氣象和降雨特點，通過芝加哥暴雨過程線模型和不同噴頭組合 形式以實現降雨強度在時間和空間上的控制與變化，并可實時記錄降雨強度。 技術背景
[0002] 室內人工模擬降雨試驗系統是一種在人為控制的條件下模擬自然降雨過程的試 驗系統，它可以在室內條件下用于透水路面的透水性能、污染物在路面結構內部的迀移、透 水路面結構優化、路基土水分和養分變化等研究，是道路工程學、生態學、環境學和土壤學 等學科重要的科學試驗設備。采用室內人工模擬降雨試驗系統進行模擬降雨試驗，不僅可 以針對具體地區的氣象和降雨特點，實現模擬不同降雨重現期、降雨歷時的自然降雨過程， 且試驗過程受人為控制，試驗周期大大縮短，同時通過嚴格控制試驗條件來研究不同因素 之間的相互作用。
[0003] 根據產生雨滴的方式的不同，人工模擬降雨裝置可分為：噴頭式、針頭式、懸線式、 噴灑式。而目前用以室內人工模擬降雨的試驗裝置主要有兩種：一種是用噴頭作為雨滴發 生器，這也是使用最為廣泛的一種；另一種是用醫用針頭作為雨滴發生器。
[0004] 由于自然降雨強度與被研究對象之間往往存在著多變量、強耦合和非線性的特 點，使得降雨強度與被研究對象之間的機理分析存在很大的難度。目前人工模擬降雨裝置 的假設性強，往往難以真實地模擬降雨強度的時間、空間上的變化，故得出的試驗結論往往 存在著通用性差、難以推廣等缺點。為此，本發明提出一種基于芝加哥暴雨過程線模型的室 內人工降雨試驗系統，從時間和空間上最大程度模擬自然降雨過程。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的就在于解決現有技術存在的上述問題，針對目前人工模擬降雨裝置 的無法真實地模擬自然降雨在時間、空間上的變化，且適用性不廣的現狀，本發明提供一種 基于芝加哥暴雨過程線模型的室內人工模擬降雨試驗系統，可針對給定地域的氣象和降雨 特點，通過芝加哥暴雨過程線模型對設計降雨重現期和降雨歷時下的設計降雨量進行時間 上的分配，控制每個時間節點的降雨強度，以在室內實現對典型降雨情景的還原；同時，本 發明采用組合式微型噴頭作為雨滴發生器，通過設定微噴頭的組合形式，實現不同降雨面 積；此外，該系統還可對降雨強度進行實時記錄，方便后期數據處理和分析。該室內人工模 擬降雨試驗系統可為道路工程學、環境學、生態學和土壤學等學科的科學研究與試驗提供 一套切實可行的試驗系統，具有模擬精度高、使用方便、成本低廉、適用性廣等優點。
[0006] 根據試驗需要，室內人工模擬降雨試驗系統應滿足以下要求：
[0007] (1)試驗裝置必須要有足夠的強度、剛度和穩定性，以承受（路面結構）模型的重 量；
[0008] (2)模擬降雨的均勻度應滿足試驗要求；
[0009] (3)通過調整試驗系統的相關參數，以實現降雨強度在空間和時間上的變化與控 制；
[0010] (4)試驗裝置應有良好的組合性和移動性，便于自動化控制。
[0011] 為實現上述目的，該發明采用如下技術方案：
[0012] -種室內人工模擬降雨試驗系統，其特點是主要由供水系統、模擬降雨器、試驗箱 和水樣采集裝置四部分組成，采用潛水栗輸水，使用組合式微型噴頭作為模擬降雨器，通過 調節供水系統輸水管道的流量和供水壓力，同時改變噴頭的組合形式，以實現不同降雨強 度、降雨歷時和降雨面積的降雨過程的人工模擬。采用流量計實時記錄輸水管道的流量，從 水樣采集裝置排水口排出的雨水由人工收集，作為試驗樣本。
[0013] 供水系統主要由人工雨水儲存水箱、流量傳感器、潛水栗、氣動薄膜調節閥、輸水 管組成。人工雨水在潛水栗的作用下由儲存水箱經輸水管進入模擬降雨器，流量傳感器通 過串口連接上位機實時記錄雨水流量變化，控制系統通過控制氣動薄膜調節閥的開度從而 控制人工雨水流量的大小。
[0014] 模擬降雨器主要由降雨支架、微噴頭和萬向管組成。噴頭由降雨支架支持，安裝在 樣本試驗箱正上方。噴頭經萬向管連接輸水管，以達到可以任意調整噴頭角度和噴頭組合 方式的目的。每個噴頭的設計工作壓力為〇. 25MPa，流量和噴灑范可調。模擬降雨系統的降 雨均勻度為〇. 956,噴頭全部開啟時平均噴灑強度為49. 38mm/h。
[0015] 試驗箱由試驗箱箱體、濕度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器和不銹鋼排水管組 成。濕度傳感器、氣壓傳感器和溫度傳感器分別通過串口與上位機連接以測量模擬降雨系 統中模擬環境的大氣濕度、氣壓和溫度。整個試驗箱由平行三組每組三個且尺寸相同的 可拆卸模具組合而成，箱體由鋼化玻璃板制作而成，以盡可能模擬實際研究對象的原則， 箱體制作成側面四個方向均封閉、上下兩側為開口的結構型式，尺寸（長X寬X高）為 300mmX300mmX700mm。不銹鋼排水管位于箱體底部垂直于試驗箱底部安裝。
[0016] 水樣采集器由不銹鋼排水管、漏斗型液體收集器和手動水閥組成。不銹鋼排水管 在驗箱底垂直于試驗箱水平面安裝，一頭接漏斗型液體收集器，另一頭外接手動水閥，開啟 水閥即可進行水樣采集。排水管內徑19mm，外徑22mm。
[0017] 本發明所設計的室內人工模擬降雨試驗系統可連續模擬多次自然降雨過程。為保 證降雨強度在整個模擬過程中穩定變化，降雨時間間隔自動設定為5min，降雨強度在每個 降雨時間間隔內保持不變。
[0018] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0019] 本發明能適應復雜的試驗環境，方便安裝、使用與轉移，成本低廉；基于芝加哥暴 雨過程線模型和不同噴頭組合形式以實現降雨強度真實地模擬自然降雨在時間、空間上的 變化；可調節降雨高度、降雨面積的大小；能夠實時記錄模擬環境中氣壓、濕度、溫度數據， 有助于研究和控制相關變量對試驗結果的影響；能夠通過流量傳感器實時記錄雨量大小， 方便數據處理。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明的整體結構示意圖，其中1是水箱支架；2是微型平整支座，其可調 范圍在0. 1mm~10.Omm之間；3是水箱；4是潛水栗（新為誠ASP2015) ;5是輸水管；6是數 字液位傳感器；7是流量傳感器；8是氣動薄膜調節閥；9是噴頭支架，上面排列有9個相同 型號的4分折射式微噴頭10 ; 10是4分折射式微噴頭（杰羅GYRORNET64000-024900)，通 過控制水量可得到不同大小的雨滴，這使得降雨器能夠模擬不同的降雨過程；11是萬向連 接管，內套聚乙烯軟管23 ;12是手動閥門；13是試驗箱箱體；14是氣壓傳感器；15是濕度 傳感器；16是溫度傳感器；17是漏斗型液體收集器；18是不銹鋼排水管；19是可伸縮角鋼； 20是帶制動輪子，方便降雨裝置轉移和固定；21是模擬降雨器支架，由可伸縮角鋼制成，其 高度可以較大范圍調節，以使模擬降雨器試驗系統能夠適應更大范圍的坡度；22是上位機 (中央控制系統），通過設定參數，實現降雨時程的分配，實時記錄流量傳感器7、氣壓傳感 器14、濕度傳感器15、溫度傳感器16和數字液位傳感器6的數據；23是聚乙烯軟管。
[0021] 圖2是噴頭支架9的平面圖，可連接固定萬向連接管11。
[0022] 圖3是試驗箱箱體13,不銹鋼排水管18位于箱體底部垂直于試驗箱底部安裝。
[0023] 圖4是萬向連接管11內套聚乙烯軟管23連接手動閥12和4分折射式微噴頭10。
【具體實施方式】
[0024] 實施例
[0025] (一）工作原理
[0026] 本室內人工模擬降雨試驗系統之所以能夠實現降雨強度在空間和時間上變化的 控制，在于以下幾個主要的方面：
[0027] (1)雨量設計
[0028] 芝加哥降雨過程線模型以統計的暴雨強度公式為基礎設計典型降雨過程。在我國 城市排水管網設計中，各地暴雨強度公式一般采用式（1):
[0029] (1)
[0030] 式中，i為平均暴雨強度（mm/min)么為降雨重現期為1年的設計降雨的雨量； C為雨量變動參數，是反映設計降雨各歷時不同降雨重現期的強度變化程度的參數之一；P 為降雨重現期（a) ;td為暴雨歷時（min) ;b、c為常數，用以描述特定降雨重現期下的設計降 雨強度隨降雨歷時延長而遞減變化的過程。
[0031] (2)雨型設計
[0032] 采用芝加哥暴雨過程線模型對選定暴雨公式做出符合實際的時程分配，計算出 每個降雨時間間隔內的降雨強度，通過控制系統調節氣動薄膜調節閥的開度，從而達到對 降雨強度在時間上的控制。由于芝加哥暴雨過程線模型引入參數雨峰系數r(0 <r大于 1)來描述雨峰值發生的時間，則降雨的時間序列分為峰前時間序列i(tb)和峰后時間序列 i(ta)：
[0033] (2)
[0034]
(3)
[0035] 式中，i(tb)為芝加哥暴雨過程線模型的峰前瞬時降雨強度（mm/min