降雨发生装置空间均匀性的研究
刘波1, 王晓蕾1*,*, 康钊菁1, 苏腾2, 翟东力3, 袁靖3
1.解放军理工大学气象海洋学院探测工程教研室,江苏 南京 211101
2 酒泉卫星发射中心, 甘肃 酒泉 732750
3.太原航空仪表技术有限公司南京分公司,江苏 南京 211106
王晓蕾(1964-),女,浙江宁波人,教授,主要从事军事气象计量与测试技术研究.E-mail:wangxiaolei0199@sina.com

作者简介:刘波(1991-),男,湖南娄底人,博士研究生,主要从事军事气象计量与测试技术研究.E-mail:liubonanjing@163.com

摘要

为提高降雨发生装置的空间均匀性,对通过测试平台旋转提高降雨场空间均匀性的方法进行研究,设计、研制了旋转测试平台,解决了旋转过程中的信号传输问题,建立了转速与降雨发生装置空间均匀性之间的关系,结合翻斗式雨量计在降雨场中的测试与流量式雨量雨强标准装置的测试,论证了降雨发生装置作为雨量和雨强的测试环境是可行的。结果表明,随着转台转速的增加,降雨场的空间均匀性先增大后减小,且随着测试面积的减小,不同转速呈现出不一样的变化趋势,转台转速为1 RPM时,测试面积为1.6 m ×1.6 m和1.2 m×1.2 m时,其均匀度系数最大(>95%);随着测试平台转速的增加,翻斗式雨量计累积降雨量和降雨强度之间的一致性增强,在转速为1 RPM和2 RPM时,翻斗式雨量计累积降雨量的最大偏差最小,为0.2 mm;流量式雨量雨强标准装置测试的累积降雨量的平均值与旋转测试平台在转速为1 RPM和2 RPM时测得的结果一致,充分说明通过旋转式测试工作平台可得到与流量式雨量雨强标准装置相一致的结果,证明了该方法提高降雨发生装置空间均匀性是可行的,且能得到累积降雨量的动态测量误差。

关键词: 降雨发生装置; 均匀性; 旋转工作平台; 流量式雨量雨强
中图分类号:P426.62+3 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)08-0820-09
Research on Spatial Uniformity of Rainfall Generator
Liu Bo1, Wang Xiaolei1, Kang Zhaojing1, Su Teng2, Zhai Dongli3, Yuan Jing3
1. College of Meteorology and Oceanography,PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101,China
2.Jiuquan Satellite Launch Center,Jiuquan 732750,China
3.Taiyuan Aero-Instruments Co., Ltd of Nanjing Branch,Nanjing 211106,China
Corresponding author:Wang Xiaolei(1964-), female, Ningbo City, Zhejiang Province,Professor. Research areas include military meteorological measurement and testing technology.E-mail:wangxiaolei0199@sina.com
Abstract

In order to improve the spatial uniformity of rainfall generator to natural rainfall uniformity, according to the rotation of the test platform, a rotary test platform was designed and developed, and the slip-ring was used to solve the problem of signal transmission in the process of the rotation. Besides, the relationship between rotational speed and spatial uniformity of rainfall generator was established. The results of tipping-bucket rain gauge tested in rainfall field and flow type rainfall intensity standard device testing demonstrated that rainfall generator as the rainfall accumulation and rainfall intensity of the test environment was feasible. Results showed that with the increase of the rotate speed, spatial uniformity first increased, and then decreases, and with the decrease of the test area, different speed presented different trends. When the rotational speed was 1 RPM, test area was 1.6 m×1.6 m and 1.2 m×1.2 m, its uniformity of rainfall generator reached maximum which was bigger than 95%; with the increase of the rotate speed, tipping-bucket rain gauge of RA and RI were of good consistency under the RPM 1 and RPM 2 and the RA maximum deviation reached minimum, 0.2 mm; the average of RA under flow type rainfall intensity standard device test consisted well with rotating test platform at speed RPM 1 and 2, which illustrated the rotary testing platform was consistent with the flow type rainfall intensity standard device. It showed that the method to improve the space uniformity of rainfall generator is feasible and it could find the dynamic difference of RA.

Keyword: Rainfall generator; Spatial uniformity; Rotary test platform; Flow type rainfall intensity.
1 引言

降雨资料是气候变迁研究、天气动力分析、数值天气预报模式、水分平衡计算、水文模型等方面的重要参数, 是雷达与卫星定标、水库管理、工程设计等方面的重要依据[1~3]。降雨测量的准确性对国计民生有着重要意义[4~6]。降雨测量仪器种类庞杂、原理各异, 目前, 对于承水式降雨测量仪器, 国内外已有较为完善的雨量、雨强标准装置及测试和校准方法[7~11], 对于非承水降雨测量仪器, 除了仪器出厂前的定标外, 世界气象组织(World Meteorological Organization, WMO)指出目前还没有一种可以适用于非承水式降雨测量仪器性能测试、校准的装置及方法[12]。因此, 探讨一种非承水式降雨测量仪器的测试校准方法已成为重要的研究内容。

为解决非承水式降雨测量仪器的测试校准问题, 已提出了许多研究方法, 包括采用玻璃球或钢珠[13, 14], 采用针管产生直径均一的液滴[15~17]等进行定标, 现场自适应算法[18, 19]等进行校准、算法修正法[20]对采集到的数据进行后期修正、旋转盘法[21]对光学雨滴谱仪的尺度和速度进行定标[21]和WMO组织的自然条件下的动态比对试验[12]进行比对。前2种方法只能对非承水式降雨测量仪器的尺度进行定标, 而其测量得到的降雨强度等宏观特征量不仅与尺度有关, 还与速度和正演算法有关; 现场的自适应算法校准需要增加激光器, 校准时必须保证其光路平行, 增加了现场校准的难度; 算法修正法仅能在采集到数据后再进行控制, 并不能对传感器采集部分进行控制; 旋转盘法的旋转盘上的粒子特性与实际的雨滴特性差异较大, 且仅能模拟单一的雨滴的信息; 动态比对试验主要依赖于天气条件, 要想短时间内获得不同强度的自然降雨条件较为困难, 致使试验周期长、成本较高。上述方法中除了动态比对试验外, 其他方法均只能针对某种特定原理的非承水式降雨测量仪器进行定标或测试, 缺乏通用性。为了模拟自然降雨, 为非承水式降雨测量仪器的测量产生一个均匀稳定的降雨测试校准环境, 陈文广等[22]提出了标准雨滴雨强模拟及测试技术, Colli等[23]提出了实验室模拟降雨装置的思想, 并设计出模拟样机。但是这2种都是针型的降雨发生装置, 而针型降雨发生装置存在着雨滴直径单一、无法产生直径小于1.5 mm的雨滴且雨滴的下落末速度与自然条件下相差较大的弊端。苏腾[24]结合自然降雨特性及降雨测量仪器测试校准需求, 设计和研制了喷头型降雨发生装置模拟样机, 很好地解决了这3个问题。刘波等[25]对模拟样机的大降雨强度进行了研究, 但是模拟样机产生的降雨场的均匀性为80.12%~87.32%, 而自然条件下的降雨空间均匀性高达95%[26, 27]。研究目前提高降雨场的空间均匀性的方法主要有喷头部分旋转[28]和测试平台旋转[29]2种, 现有的研究只是在固定的旋转速度下进行试验结果的分析, 并未建立旋转速度与整个降雨场的空间均匀度系数之间的关系, 且测试平台旋转测试时并未涉及仪器和信号传输的问题, 因此有必要解决旋转时绕线和信号传输的问题, 并对不同转速下降雨场的空间均匀性的改善情况进行测试分析。

基于此, 作者选取测试平台旋转这种方法, 采用汇流环的方法解决了旋转状态下的信号传输问题, 并对降雨发生器产生降雨的空间均匀性进行了测试, 得到了旋转速度与降雨场空间均匀性之间的关系, 证明该方法可有效提高降雨场的空间均匀性。

2 方法和材料
2.1 试验装置

降雨发生器采用单喷头降雨方式, 主要由降雨喷头、支架、供水系统、控制箱以及防风装置组成(图1), 其有效降雨面积为2.0 m× 2.0 m, 最大可测试面积为2.5 m× 2.5 m。由于测试平台的旋转, 最大可测试边长d2.52=1.77 m, 为了最大化测量整个降雨场的均匀性, 最大测试面积调整为1.6 m× 1.6 m。降雨发生装置通过控制箱调节供水系统管道中的水压, 通过旋转式自吸泵将水抽到一定的高度, 产生降雨。

图1 降雨发生装置及主要部件实物图Fig.1 Rainfall generator and main components

降雨发生装置采用恒压供水系统, 供水部分主要由水箱、旋涡式自吸泵、管路和阀门等构成。水箱的容积为1 m3, 为降雨发生装置提供足够的水源。旋涡式自吸泵的额定功率为1.1 kW, 吸程为8 m, 规定扬程为30 m, 可以将水压到一定的高度并保证喷头处有一定的压力[24]

旋转工作测试平台主要由旋转工作台、汇流环、支架和接线盒组成(图2)。测试平台系统通过旋转工作台传动, 通过汇流环和接线盒传输数据。旋转工作台采用北京科盈创拓公司的高精度型电动旋转台, 中心可承载100 kg, 蜗轮蜗杆机构驱动, 步进电机的单步角度为1.8° , 传动比为180∶ 1, 角度范围为360° , 空转时的转速为25° /sec(25× 60÷ 360 = 4.17 RPM), 重复定位精度为0.002° , 绝对定位精度为0.005° , 转速和转角可通过PC端编写程序并烧录至转台控制器。汇流环采用默孚龙公司的MT012标准系列过孔滑环, 含12路2A信号, 4路10 A信号, 共16路信号, 可供每个方位的仪器接4根信号线(翻斗式雨量计有2根信号线, Parsivel 雨滴谱仪有4根信号线)。

图2 旋转工作台及组成部件实物图Fig.2 Rotary test platform and main components

旋转测试平台的启停控制主要是通过与转台相连的控制器的启动和停止按钮进行控制, 而旋转测试平台的转速和时间的控制是通过PC端的可编程运动控制器烧录控制程序后进行控制。测试平台采用缓启缓停的机制, 每次更改旋转测试平台的转速均需重新编程并烧录至转台运动控制器。

2.2 测试方法

在装置高度为6 m, 压力为0.07 MPa的情况下, 将雨量杯布置在测试平台上(图3), 对整个降雨场的空间均匀性进行评估, 评价指标选用模拟降雨均匀性运用最广泛的Christiansen 均匀度系数[30], 具体如公式(1)所示, 公式(1)中的每一个测试点的累积降雨量(Rainfall Accumulation, RA)用电子天平进行称量, 计算如公式(2)所示, 降雨强度(Rainfall Intensity, RI)的计算如公式(3)所示。由于转台的转速受转台承重的影响, 通过测试转台发现, 当转台上方为均匀性测试平台时, 转台的最大转速为2.4 RPM, 当转台上方为雨量筒时, 转台的最大转速为3 RPM。故可调整旋转工作台的转速, 测试工作台转速在0, 1, 2和2.4 RPM时, 比较整个降雨场的空间均匀性分布变化情况, 测试时间为20 min。

CU=1-i=1nRAi-RA¯nRA¯×100%(1)

式中:CU为均匀度系数; RAi为每一个测量点的降雨量(mm); RA¯为所有测量点降雨量的平均值(mm); n为测量点个数。

RA=(m-m0)ρ×s(2)

式中:RA为降雨量(mm); m为塑料杯中含降雨的总重量(g); m0为空杯子的质量; ρ 为水的密度(g/cm3); s为塑料杯口的面积(cm2)。由于等式右边除m以外, 其余量均为常量, 因此, mRA具有相同的变化规律。

RI=RAt(3)

式中:RI为降雨强度(mm/min或mm/h); t为达到RA所需的时间(min或h)。

同时, 将雨量筒放置在距离喷头投影点等距的半径处, 测试工作台转速在0, 1, 2和3 RPM时, 4个雨量筒测量值的差异, 雨量筒布置如图2 所示, 4个翻斗式雨量计通过接线盒经汇流环与PC端的多翻斗式雨量采集系统相连, 数据存储为txt文件, 方便后期的数据输出与处理。

图3 空间均匀性测试平台
(a)均匀性测试平台实物图; (b) 雨量杯测试空间分布图
Fig.3 Test platform of uniformity
(a) Entity of platform; (b) Schematic of the test glass distribution

3 结 果
3.1 转速与降雨场的空间均匀性的关系

在转速分别为0, 1, 2和2.4 RPM时, 得到测试区域的降雨场空间等值线分布图(图4)。可以看出, 转速为0 RPM, 即转台未旋转时, 空间各点的降雨量呈发散状态, 并未形成闭环等值线。随着转速的增大, 降雨场等值线闭环的数量增加, 且降雨量的等值线圆从中心向四周辐射, 呈现出喷头正下方的降雨强度小于四周的降雨强度的现象。分析原因, 可能是喷头出口处压力偏小, 使雨滴破碎不够完整, 大雨滴集中分布在四周区域, 导致喷头正下方区域呈现“ 中空” 的现象。当缩小测试区域的面积时, 整个降雨场的降雨量的相对空间均匀性会提高。

为了进一步量化整个区域在不同转速和不同尺度下的均匀性, 减小测试区域的面积, 以喷头正下方投影点为中心, 测试面积分别为1.6 m × 1.6 m, 1.2 m× 1.2 m, 0.8 m× 0.8 m和0.4 m× 0.4 m时, 不同转速下的CU, 如表1所示。通常一个翻斗式雨量计的采样面积为直径0.2 m, 而降水微物理特征测量雨滴谱仪(Precipitation Microphysical Characteristics Sensor, PMCS)采样面积为0.3 m× 0.04 m, 加上防护装置, 仪器的面积约为0.6 m× 0.3 m, 因此对于0.4 m× 0.4 m的测试面积, 无法放下一个降雨测量仪器, 无法进行比对测试, 因此, 此时CU虽然较大, 但此处不予考虑。从表1 可知, 对于同一测试面积, 随着转台转速的增大, 降雨场空间均匀性先增大后减小; 对于同一转速, 当转台转速为0 RPM和2.4 RPM时, 随着测试面积的减小, 降雨场的空间均匀性增大, 而当转台转速为1 RPM和2 RPM时, 随着测试面积的减小, 降雨场的空间均匀性减小; 转速为1 RPM时, 降雨场的空间均匀性最好, 能达到95%, 与Kathiravelu等[26]测得的自然条件下的空间均匀性一致。分析原因, 可能是在转台速度较快时, 承雨的量杯与降雨场水平方向上存在着一定的相对速度, 相当于有风作用在下落的雨滴上, 因此, 转台的速度不宜过大, 故将1 RPM作为旋转台的最佳工作转速。

图4 不同转速时RA的等值线图(单位:g)
(a)转速为0 RPM; (b) 转速为1 RPM; (c) 转速为2 RPM; (d) 转速为2.4 RPM
Fig.4 Influence of rotary speed to RA contour line (unit:g)
Rotary speed at(a) 0 RPM; (b) 1 RPM; (c) 2 RPM; (d) 2.4 RPM

表1 不同转速和不同测试面积的CU Table 1 Influence of rotary speed and test area to CU
3.2 翻斗式雨量计的测试

为了分析旋转工作台的转动对整个降雨场带来的影响, 将翻斗式雨量计在旋转台不转(0 RPM)和最佳转速(1 RPM)以及其他转速(2 RPM和3 RPM)的条件下进行测试, 测试结果如图5所示。可见, 对于RA, 当转速为0 RPM时, TBRG 1的测量值(Tipping-Bucket Rain Gauge, 翻斗式雨量计)与其他3个的测量值偏差较大, 而当转速为1, 2和3 RPM时, 4个翻斗的数据基本吻合; 对于RI, 当转速为0 RPM时, 4个翻斗的数据围绕12 mm/h 上下波动, 而当转速为1, 2和3 RPM时, 4个翻斗的数据没有偏小的情况。分析可知, 转台不转时, TBRG 1 方位的降雨量较其他3个方位的降雨量偏大, 此时的偏差既包括空间均匀性差异造成的误差, 也包括仪器本身之间的机械误差; 而通过旋转后, 使其他3 个方位的降雨量增大, 使TBRG 1 方位的降雨量减小, 空间均匀性误差减小, 此时的误差主要是仪器误差造成的, 因此, 通过旋转工作测试平台可以提高降雨场各测试点的累积降雨量和降雨强度之间的一致性。

为进一步分析旋转后 RIRA的变化情况, 对RIRA进行了统计(表2)。分析可知, 测试平台转动较不转动时, RI之间的一致性提高了1倍, 且RA的最大偏差降低为0.2 mm或0.3 mm, 即随着测试平台转速的提高, 空间均匀性显著提高, 且4个翻斗式雨量计RI测量值之间的一致性变好; 但是随着转速的提高, 4个翻斗式雨量计RA之间的最大偏差反而增大, 这也充分说明旋转测试平台的转速并不能一味增大, 这与图4分析的结果一致。

图5 不同转速时RARI的变化
(a)转速为0 RPM; (b) 转速为1 RPM; (c) 转速为2 RPM; (d) 转速为3 RPM
Fig.5 Influence of rotary speed to RA and RI
Rotary speed at(a) 0 RPM; (b) 1 RPM; (c) 2 RPM; (d) 3 RPM

表2 RARI的数据统计 Table 2 Statistics of RA and RI
3.3 流量式测试校准装置的测试

为了量化分析上述4台翻斗式雨量计测量值偏差的原因, 用实验室常用的流量式雨量雨强标准装置对其进行测试, 参照翻斗式雨量计在旋转工作测试平台测得的RIRA, 分别按RI 为12 mm/h(0.2 mm/min), RA为3.0 mm, 将776加液器流速RATE设置为6.28 mL/min, 体积VOLUMN设置为94.2 mL, 每台翻斗式雨量计测试3次, 试验结果如表3所示。可见, 在前述条件下, 4台翻斗式雨量计中, TBRG 2和TBRG 3翻斗式雨量计测量的RA值较TBRG 1和TBRG 4翻斗式雨量计偏大, 4个翻斗式雨量计RA测量值的平均值与表2 中旋转式测试平台转速为1 RPM和2 RPM时测得的结果相一致, 充分说明了采用降雨发生装置旋转测试平台能够得到翻斗式雨量计RA的动态测量误差。

表3 TBRG测试结果 Table 3 Test results of TBRG
4 结论

通过设计和研制旋转式测试工作平台, 分析了旋转式测试工作平台改善降雨发生装置降雨场空间均匀性的效果, 主要得到以下结论:

随着测试平台转速的增加, RA的等值线图趋近于一个圆, 降雨场的均匀度系数CU呈现先增大后减小的趋势, 且随着测试面积的减小, 不同转速呈现出不一样的变化趋势, 转台转速为1 RPM时, 测试面积为1.6 m × 1.6 m和1.2 m× 1.2 m时, 其均匀度系数最大(> 95%), 因此, 将1 RPM作为旋转台的最佳工作转速。

随着测试平台转速的增加, 翻斗式雨量计RARI测量值之间的一致性增强, 在转速为1 RPM和2 RPM时, 翻斗式雨量计RA测量值的最大偏差最小, 为0.2 mm。因此, 在测试翻斗式雨量计时, 测试平台转速取1 RPM或2 RPM为宜。

流量式雨量雨强标准装置的测试的平均RA与旋转测试平台在转速为1 RPM和2 RPM时测得的结果相一致, 充分说明了通过旋转式测试工作平台可得到与流量式雨量雨强标准装置相一致的结果, 证明了该方法提高降雨发生装置空间均匀性的可行性, 且能得到RA的动态测量误差。

以上结果为降雨发生装置的空间均匀性的提高提供了一种新的方法, 但是本文的测试仅仅针对降雨强度和降雨量等宏观特性, 且产生的降雨量和降雨强度较小, 关于大降雨量和大降雨强度下的测试以及降雨的微观特征量雨滴的尺度谱和速度谱, 结合喷头的CFD仿真, 还将设计试验进行系统的研究, 研究降雨发生装置对仪器雨滴谱和速度谱测量性能的测试的可行性。

致 谢:感谢太原航空仪表技术有限公司南京分公司对旋转式测试工作平台的设计和研制提供的帮助。

The authors have declared that no competing interests exist.

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