专利名称：模拟降雨装置及其降雨方法
技术领域：
本发明涉及人工降雨技术领域，尤其涉及一种雨水利用技术研究和应用过程中用到的模拟降雨装置及其降雨方法。
背景技术：
21世纪人类将面临较为严重的水资源短缺问题。充分利用雨水资源是解决水资源短缺问题的重要途径之一。模拟降雨装置是雨水利用技术研究和应用过程中必须用到的装置。目前，多数人工模拟降雨装置需要电动水泵供水，但实际野外实验时往往会受到电力供应难的困扰。而且由于供水的水压较大，不易形成小降雨强度，使用电动水泵进行模拟降雨的强度往往要超过20mm/h才能比较稳定。一些人工模拟降雨装置虽未采用电动水泵供水， 但由于供水压力不够稳定，其模拟降雨的强度不稳定。
发明内容
(一)要解决的技术问题针对现有技术中的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种模拟降雨装置及其降雨方法，其无需电力，能够模拟小强度降雨，且降雨强度稳定。( 二 )技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种模拟降雨装置，所述模拟降雨装置包括呈矩形布置的输水管、多个定向排列的针头、调压罐、补水箱、第一导水管、第二导水管、活塞一和活塞二；其中，所述输水管、第一导水管和第二导水管用于输送降雨用水；所述针头向上与垂直方向成预定夹角安装于输水管上，用于使水从针头喷出后散落成水滴下落；所述调压罐用于储存降雨用水并使流出调压罐的水流保持恒压；所述补水箱用于储存降雨用水；所述调压罐的底部设有位于同一水平面的出水口和补水口，其顶部设有注水口， 所述出水口上设有阀门；所述第一导水管的一端安装于调压罐的所述补水口上，另一端位于补水箱内底部；所述第二导水管的一端安装于所述出水口上，另一端与输水管连接；所述补水箱的底部水平面高于调压罐的顶部水平面；所述活塞一和活塞二用于塞紧注水口，防止水或空气流出罐外，活塞二上设有导气管，导气管的下端与出水口和补水口位于同一水平面上，用于使出水口和补水口水平面的气压保持在大气压强。其中，所述针头与垂直方向的夹角为0 6°。优选地，所述针头与垂直方向的夹角为1°。其中，还包括支架一、支架二和支架三；所述输水管位于支架一上，所述补水箱位于支架二上，调压罐和支架二位于支架三上，所述支架一的顶部水平面低于支架三的支撑面的底部水平面。其中，所述输水管上相邻两个针头间距为20 80mm。优选地，所述输水管上相邻两个针头间距为50mm。其中，所述针头的内径为0.20 0.6mm。优选地，所述针头的内径为0.42mm。一种利用上述的模拟降雨装置进行模拟降雨的方法，包括步骤Sl 关闭阀门，从调压罐顶部的注水口向罐内注水，至超过罐高一半时停止；S2 用活塞一将注水口塞紧；S3 使补水箱内灌满水；S4:打开阀门，使第一导水管中空气排入调压罐上部气层，水由补水箱流入调压罐内；S5:调压罐内水位上升时，取下调压罐顶部的活塞一，用带有导气管的活塞二塞紧调压罐顶部的注水口，使导气管底端、出水口和补水口位于同一水平面上，调压罐中的水以恒定速度流入输水管，经与垂直方向成预定夹角的针头喷射形成稳定降雨。其中，还包括通过调整针头与垂直方向的夹角，来提高降雨区域的均勻性的步
马聚ο(三)有益效果本发明通过采用由导水管连接的调压罐和补水箱，使补水箱的底部水平面高于调压罐的顶部水平面，使其遵循虹吸原理，从而使补水箱自动为降雨用的输水管供水，并且使调压罐的底部水平面保持在大气压强，从而保证了供水的均勻与稳定，无需电力，便可形成强度稳定的降雨，且降雨强度小；本发明中的针头向上安装且与垂直方向成预定夹角，可使降雨更接近自然降雨的形态，并且通过调节夹角的大小可以提高拟降雨区域的降雨均勻性。
图1为本发明的实施例中所述模拟降雨装置的结构示意图；图2为本发明实施例中所述模拟降雨方法的流程图。其中，1 输水管，2 针头，3 调压罐，4 补水箱，5 第一导水管，6 第二导水管，7 活塞一，8 活塞二，9 出水口，10 补水口，11 注水口，12 阀门，13 导气管，14 支架一， 15 支架二，16 支架三。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1所示，本发明所述的模拟降雨装置包括呈矩形布置的输水管1、多个定向排列的针头2、调压罐3、补水箱4、第一导水管5、第二导水管6、活塞一 7 (未示出)、活塞二 8、支架一 14、支架二 15和支架三16 ；所述输水管1、第一导水管5和第二导水管6用于输送降雨用水；
所述针头2向上安装于输水管1上，并以与垂直方向呈0 6°夹角，例如1°向输水管1的矩形区域内部倾斜；针头2内径为0. 20 0. 6mm，例如0. 42mm,同一输水管1上相邻两个针头2间的距离为20 80mm，例如50mm。针头2用于使水从针头2喷出后散落成水滴下落；针头向上，可使降雨更接近自然降雨的形态，如果针头被安装成垂直向下，则水流自针头喷出后，水滴不易分散，往往水滴会连成串，形成类似水柱状的线式下落，与自然降雨的形态就有明显差异。所述调压罐3用于储存降雨用水并使流出调压罐的水流保持恒压；所述补水箱4 用于储存降雨用水；所述补水箱4的底部水平面高于调压罐3的顶部水平面；所述调压罐3 的底部设有位于同一水平面的出水口 9和补水口 10，其顶部设有注水口 11，所述出水口 9 上设有阀门12;所述第一导水管5的一端安装于调压罐3的所述补水口 10上，另一端位于补水箱 4内底部，可用胶带将所述第一导水管5的另一端固定在箱底；所述第二导水管6的一端安装于所述出水口 9上，另一端与输水管1连接；所述活塞一 7和活塞二 8用于塞紧注水口 11，防止水或空气流出罐外，活塞二 8上设有导气管13，导气管13的下端与出水口 9和补水口 10位于同一水平面上，用于使出水口 9和补水口 10水平面的气压保持在大气压强。支架一 14为矩形支架，可由木质、铁质或钢质材料制成，长1. 10m、宽0. !、高 1. 86m ；所述输水管1置于木质矩形支架一 14上，沿矩形支架四周布置一圈，并用绳子将其与矩形支架固定牢固，所述补水箱4置于支架二 15上，调压罐3和支架二 15置于支架三16 上，所述支架一 14的顶部水平面低于支架三16的支撑面底部的水平面。调压罐3下面的支架三16可以由角铁焊接而成。调压罐3内径为160mm，高630mm，罐体材料可为有机玻璃， 顶部和底部可由塑料制成，与罐体密封粘结成一体，塑料顶部中心出留直径为例如15mm的孔洞，并配橡胶活塞一 7以及700mm长塑料导气管13从中心穿过的橡胶活塞二 8各1个。例如，当调压罐3底面距地面2. 76m。塑料补水箱4长为0. 6m,宽为0. 4m,高为 0. 5m，其底面距地面3. 40m。使用本发明所述装置，经检测，降雨强度为9. 20mm/h,降雨均勻系数为93%。如图2所示，本发明所述的一种利用上述的模拟降雨装置进行模拟降雨的方法； 包括步骤Sl 关闭阀门12，从调压罐3顶部的注水口 11向罐内注水，至超过罐高一半时停止；S2 用活塞一 7将注水口塞紧；S3 使补水箱4内灌满水；本步骤中，可由人工用水桶提水，通过移动爬梯对补水箱4进行补水。S4 打开阀门12，使第一导水管5中空气排入调压罐3上部气层，水由补水箱4流入调压罐3内；本步骤中，打开阀门12后，罐内水位逐渐下降，第一导水管5中的空气随水流被从调压罐3的补水口 10吸入到调压罐3内，并升入调压罐3内上部气层。此时，若关上调压罐3的出水口 9的阀门12，调压罐3中的水位开始上升，则说明第一导水管5中的空气已排完，虹吸作用可以形成，补水箱4中的水可在大气压的作用下通过第一导水管5流入调压罐3中。设大气压为1 ，调压罐3内气压为Ptl，调压罐3出水口 9到罐内水面的高度为h1; 调压罐3内水面到补水箱4内水面间的高度为Iv打开调压罐3的出水口 9的阀门12，第一导水管5中的气体被排出后，由于补水箱4底部水平面高于调压罐3顶部水平面，Pc^h1 <(均按水头高度考虑)，补水箱 4通过第一导水管5向调压罐3补水，且只要第一导水管5位于补水箱4内一端的端头低于补水箱4内的水面，补水过程就遵循虹吸原理，在大气压的作用下自动完成向调压罐3的供水过程。S5 调压罐3内水位上升时，取下调压罐3顶部的活塞一 7，用带有导气管13的活塞二 7塞紧调压罐3顶部的注水口 11，使导气管13底端、出水口 9和补水口 10位于同一水平面上，调压罐3中的水以恒定速度流入输水管1，经与垂直方向成预定夹角的针头2喷射形成稳定降雨。随着上一步骤不断补水，调压罐3中水位不断上升，Ii1逐渐增大，罐内气体体积随之减小，罐内上部气室内的压力Ptl增大。此时，将调压罐3顶部的活塞一 7取下，换上插有导气管13的活塞二 8塞紧调压罐3顶部注水口 11。导气管13下端接到调压罐3进水口， 其与调压罐3的出水口 9和补水口 10保持在同一水平面上。阀门12打开后，调压罐3内水位下降，调压罐3内水面上方变为真空，Pfh1小于大气压，空气经导气管13被吸入罐内水面上方空间，待水面上方压强加上出水口以上水柱的静压强等于大气压时，停止进气，这样一直保持出水口、补水口水平面为大气压强，在出水口、补水口水平面以上水排放过程中都维持这种平衡状态，于是实现了出水口、补水口水平面以上水的恒速排放，从而调压罐3的水由出水口恒速向模拟降雨装置供水，以保证模拟降雨器的降雨强度的稳定。此后，调压罐不断自动调节出水口的水流速，使其趋于稳定。本步骤中，通过调整针头与垂直方向的夹角，来提高降雨区域的均勻性。打开调压罐3出水口 9的阀门12，3min后模拟降雨装置即可形成稳定降雨。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种模拟降雨装置，其特征在于，所述模拟降雨装置包括呈矩形布置的输水管(1)、多个定向排列的针头( 、调压罐C3)、补水箱(4)、第一导水管( 、第二导水管(6)、活塞一⑵和活塞二⑶；其中，所述输水管(1)、第一导水管(5)和第二导水管(6)用于输送降雨用水； 所述针头O)向上与垂直方向成预定夹角安装于输水管(1)上，用于使水从针头(2) 喷出后散落成水滴下落；所述调压罐C3)用于储存降雨用水并使流出调压罐的水流保持恒压； 所述补水箱(4)用于储存降雨用水；所述调压罐(3)的底部设有位于同一水平面的出水口(9)和补水口(10)，其顶部设有注水口(11)，所述出水口(9)上设有阀门(12)；所述第一导水管(5)的一端安装于调压罐(3)的所述补水口(10)上，另一端位于补水箱内底部；所述第二导水管(6)的一端安装于所述出水口(9)上，另一端与输水管(1) 连接；所述补水箱的底部水平面高于调压罐(3)的顶部水平面； 所述活塞一(7)和活塞二(8)用于塞紧注水口，防止水或空气流出罐外，活塞二(8)上设有导气管(13)，导气管(13)的下端与出水口(9)和补水口(10)位于同一水平面上，用于使出水口(9)和补水口(10)水平面的气压保持在大气压强。
2.如权利要求1所述的模拟降雨装置，其特征在于，所述针头(2)与垂直方向的夹角为 0 6°。
3.如权利要求2所述的模拟降雨装置，其特征在于，所述针头(2)与垂直方向的夹角为1°。
4.如权利要求1所述的模拟降雨装置，其特征在于，还包括支架一(14)、支架二(15) 和支架三(16)；所述输水管位于支架一(14)上，所述补水箱(4)位于支架二(1 上，调压罐(3)和支架二(1 位于支架三(16)上，所述支架一(14)的顶部水平面低于支架三(16) 的支撑面的底部水平面。
5.如权利要求1所述的模拟降雨装置，其特征在于，所述输水管(1)上相邻两个针头(2)间距为20 80mm。
6.如权利要求5所述的模拟降雨装置，其特征在于，所述输水管(1)上相邻两个针头 (2)间距为50mm。
7.如权利要求1所述的模拟降雨装置，其特征在于，所述针头的内径为0.20 0. 6mm。
8.如权利要求7所述的模拟降雨装置，其特征在于，所述针头的内径为0.42mm。
9.一种利用权利要求1 8中任一项所述的模拟降雨装置进行模拟降雨的方法，其特征在于，包括步骤Sl 关闭阀门，从调压罐顶部的注水口向罐内注水，至超过罐高一半时停止； S2:用活塞一将注水口塞紧；53使补水箱内灌满水；54打开阀门，使第一导水管中空气排入调压罐上部气层，水由补水箱流入调压罐内； S5:调压罐内水位上升时，取下调压罐顶部的活塞一，用带有导气管的活塞二塞紧调压罐顶部的注水口，使导气管底端、出水口和补水口位于同一水平面上，调压罐中的水以恒定速度流入输水管，经与垂直方向成预定夹角的针头喷射形成稳定降雨。
10.如权利要求9所述的一种模拟降雨方法，其特征在于，还包括通过调整针头与垂直方向的夹角，来提高降雨区域的均勻性的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种模拟降雨装置及其降雨方法，涉及人工降雨技术领域，所述模拟降雨装置包括呈矩形布置的输水管、多个定向排列的针头、调压罐、补水箱、第一导水管、第二导水管、活塞一和活塞二；其中，所述针头竖直向上安装于输水管上；所述调压罐的底部设有位于同一水平面的出水口和补水口，其顶部设有注水口，所述出水口上设有阀门；所述第一导水管的一端安装于调压罐的所述补水口上，另一端位于补水箱内底部；所述第二导水管的一端安装于所述出水口上，另一端与输水管连接；所述补水箱的底部水平面高于调压罐的顶部水平面；所述活塞二上设有导气管，导气管的下端与出水口和补水口位于同一水平面上。本发明无需电力，能够模拟小强度降雨，且降雨强度稳定。
文档编号B05B13/02GK102266830SQ20111013083
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者彭红涛, 梁鹏锋, 王珺, 谷博轩, 赵宏程 申请人:中国农业大学