一种保障土工离心机降雨强度精度的装置

1.本发明属于土工离心机模拟降雨试验相关技术领域，更具体地，涉及一种保障土工离心机降雨强度精度的装置。


背景技术：

2.土工离心模型试验是将土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受等于重力加速度n倍的离心加速度作用，补偿模型因缩尺1/n所造成的自重应力的损失，重应力的损失会达到与原型相同的应力水平，它比通常在静力(重力加速度)条件下的物理模拟更接近于实际，根据近代相对论的原理，重力与惯性力是等效的，而土的基本物理化学性质又不会因加速度的变化而变化，因此离心模拟技术对于以重力为主要荷载的土工构筑物来说特别有效。
3.目前，在离心场中模拟降雨时多采用筛网式或喷淋式降雨器，该装置形成的雨滴一般较大(2.4mm～6.0mm)，当其在离心场中经离心加速作用到达岩土结构体表面时会形成较大的惯性力，易对岩土结构体表面形成较大的溅蚀和动力作用，造成试验结果严重失真的现象，难以模拟岩土结构物受持续降雨影响的力学响应。此外，上述降雨器还面临雨强可调幅度有限(一般仅可模拟2～4个不同的雨强)的问题；申请号为201910617418.x公开了一种用于离心模型试验的模拟降雨装置及方法，通过对雾化喷嘴的个数及布设间距进行设定从而实现降雨，并通过电磁阀控制启停，但只是简单使用雾化喷嘴和电磁阀来实现降雨、避免冲刷，并未考虑在实际离心机高速转动的过程中，因存在科里奥利力、阻力、模型上方的人工风，会影响离心机内降雨效果，甚至严重影响到喷嘴的出水量。特别值得注意的是，模型箱内离心惯性力并不严格等效于重力，离心机应力场与重力场的区别不仅在于大小随半径变化的，而且其方向也是径向的，等势线以旋转中心为圆心呈扇形分布(如图7所示)。径向分布的离心力可分解为垂直于模型箱顶面与平行于模型箱顶面两个方向(如图8所示)，平行向的离心力分力会引起水管内的蓄水向结构低处流动，即喷嘴处，而市面上的常见喷嘴只要有液体压力下就能形成液滴，而液滴在离心场下会加速下落，这样会造成电磁阀关闭时雾化喷嘴出现漏水、输水管内形成空腔，水泵无法按实际功率输出的情况，影响下一轮雾化降雨的效果及降雨强度的准确性，最终导致试验结果出现严重误差、难以计算真实降雨量等问题。特别是对于在一次试验中需要模拟多轮降雨，意味着要对电磁阀和水泵进行多次启停操作，那么误差值还要在单次误差的基础上乘上启停的次数，这就会给结果的准确性大打折扣。另一方面，离心场中的降雨强度可以分为两种，第一种是喷嘴处喷出的供给强度和第二种是不同区域表面的实际接收到强度。喷出的雾滴在离心加速度场中并非如图9所示垂直下落，而是如图7所示呈散射状，且模型两侧的降水量会高于中间，这造成土工结构表面实际受到的降雨量和通过喷嘴喷出量并不一致且分布不均。
4.总的来说，现有技术中的降雨装置均没有考虑因离心力与重力并不是完全等效，水管完全水平放置会出现漏水，进而出现管内空腔，下次降雨填充空腔进而造成时间上的延迟的问题。而离心场并不等效于重力场，因此，即便是雾化后的雨滴在离心力等外力作用
下，也难以均匀的分布在土工结构的表面。因此要实现理想的雾化降雨效果和均匀分布的降雨量，也就是稳定的输出强度和均匀的接收强度，对降雨强度和降雨范围进行实时监控还需要进一步改善。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于离心模型降雨试验改良的雾化喷嘴降雨装置，解决因重力、科里奥利力以及不均匀分布的离心力场的综合作用下雾化喷嘴发生漏水、管内空腔、降雨延迟和雾滴空间分布不均的问题。
6.为实现上述目的，按照本发明，提供了一种保障土工离心机降雨强度精度的装置，该降雨装置包括离心箱、降雨模块和固定模块，其中，
7.所述降雨模块设置在所述离心箱的上方，用于向所述离心箱进行降雨，所述固定模块用于将所述降雨模块固定在所述离心箱上方；
8.所述降雨模块包括通过输水管依次连接的水源、雾化器水泵和末端出水单元，所述雾化器水泵用于在所述输水管中提供雾化水压，所述末端出水单元包括u型输水管和喷嘴，所述喷嘴之间通过直角终端连接，所述u型输水管入水口的管顶内壁的高度低于出水口管底内壁的高度，避免u型管内的水外溢形成管内空腔。
9.进一步优选地，所述降雨模块中包括一个或者多个末端出水单元，该一个或多个末端出水单元通过输水管雨所述雾化器水泵连接。
10.进一步优选地，所述固定模块包括横梁和竖梁，该横梁和竖梁在水平面内两个方向上固定所述降雨模块。
11.进一步优选地，所述竖梁为所述横梁的导轨，所述横梁沿所述纵梁移动，依次改变所述降雨模块在所述离心箱上方的分布。
12.进一步优选地，所述末端出水单元的前端设置有流量计，用于计算末端出水单元的降雨量。
13.进一步优选地，所述水源和雾化器水泵之间设置有电磁阀，用于控制降雨模块的启停。
14.进一步优选地，所述雾化器和电磁阀之间设置有流量计，用于供水量的实时监测。
15.进一步优选地，所述水源和电磁阀之间的输水管中设置有滤网。
16.进一步优选地，所述离心箱的底端设置有径流收集槽，用于收集坡面未入渗的表面径流。
17.进一步优选地，所述离心箱中还设置有标定单元，该标定单元包括分级台阶和设置在该分级台阶上的盛水盒，所述盛水盒用于标定阶段收集土工结构表面降雨，以得出实际降雨量分布情况，并以此为依据调整固定模块和降雨模块的布置，从而达到降雨量均匀分布的目的。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果
18.1.本发明中的末端出水单元中采用u型输水管，如图6所示，该输水管的出水口管底内壁的高度略高于入水口的管顶内壁的高度，虚线以上的液面因为受到斜交于模型箱表面离心惯性力的作用，在其平行向分力的作用下会有小部分蓄水外溢，但这部分蓄水和外溢形成的空腔相比于整个输水管内的水和空腔来说是微乎其微的，不会对试验结果和后续
降雨强度产生严重影响，且这部分误差是可以计算和定量化的，也在可以接受的误差范围内；而图中虚线下方的管内蓄水因为平行向受到了管壁的侧向限制无法外溢，垂直向无法与左侧输水管形成液面差，即没有压强差，不会发生外溢，保障了管内蓄水的稳定供给，防止了过度滴漏的现象，解决因形成空腔而造成的时间延迟；
19.2.本发明以台阶盛水盒中的水量分布为依据，通过横梁的移动改变喷嘴的分布规律，调控喷嘴的疏密与横纵间距，最终实现土工结构表面均匀降雨，额外的，还能通过改变喷头间距实现区域间差异降雨，为不同的试验工况提供便利；同时由于每级台阶上的盛水盒大小和间距都是一致的，即单位面积上的盛水面积是固定的，因此可以用盛水盒内的盛水量换算出每级台阶对应面积内的降雨量，也就能反映每一处区域在试验中实际的降雨强度大小；
20.3.本发明在离心机加速度场下保障理想的降雨效果和精准的降雨强度并且让降雨覆盖范围自由可调的同时，能够实时监测流量，计算喷嘴处的降雨量，还能控制土工结构表面实际接受到的降雨量，对试验过程及结果能更好的把控，让试验误差在可接受范围内。
附图说明
21.图1是按照本发明的优选实施例所构建的用于离心模型降雨试验改良的雾化喷嘴降雨装置的结构示意图；
22.图2是按照本发明的优选实施例所构建的用于离心模型降雨试验改良的雾化喷嘴降雨装置的俯视图；
23.图3是按照本发明的优选实施例所构建的用于离心模型降雨试验改良的雾化喷嘴降雨装置的正视图；
24.图4是按照本发明的优选实施例所构建的降雨模块的结构示意图；
25.图5是按照本发明的优选实施例所构建的降雨模块的正视图；
26.图6是按照本发明的优选实施例所构建的u型水管结构示意图；
27.图7是按照本发明的优选实施例所构建的离心力方向与等势线分布及雾滴实际下落轨迹示意图：
28.图8是按照本发明的优选实施例所构建的普通输水管与喷嘴受力示意图；
29.图9是按照本发明的优选实施例所构建的理想情况下的雾滴下落轨迹示意图；
30.图10是按照本发明的优选实施例所构建的45
°
边坡标定系统与盛水盒分布示意图。
31.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
32.1-水源，2-输水管，3-滤网，4-电磁阀，5-流量计，6-雾化器水泵，7-u型输水管，8-喷嘴，9-水箱支撑杆，10-横梁，11-竖梁，12-离心箱，13-盛水盒，14-分级台阶，15-径流收集槽
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.如图1-3所示，一种用于离心模型降雨试验改良的喷嘴降雨装置，包括外部水箱/水源1、输水管2、滤网3、电磁阀4、流量计5、雾化器水泵6、u型输水管7、喷嘴8、水箱支撑杆9、横梁10、竖梁11、绑扎带图中未标出，灵活布置、离心箱12、盛水盒13、分级台阶14和径流收集槽15。
35.如图4和5所示，输水管2连接外设水箱1预留的螺栓孔，在输水管的另一端安装滤网3，并连接到电磁阀4上，然后通过输水管2依次连接流量计5喷雾器水泵6、u型输水管7、喷嘴8，u型输水管7通过一个直角终端与喷嘴8连接，然后通过绑扎带与横梁10固定，横梁10通过螺栓固定在竖梁11上。分级台阶14在降雨标定前布置与离心箱底部，台阶上等间距布置若干盛水盒13，用于盛装喷嘴降水，图9所示，径流收集槽15用于收集坡面未入渗的表面径流。
36.在本实施例中，外部水源1为水箱，水箱的尺寸为1m*0.25m*0.2m，长1m，宽0.25m，深0.2m，并按0.2m为一个隔槽，隔槽间底部打通用于过水，在加水之后可以放置1-2个水压传感器并连接数控机床，以此通过水压的变化实时记录水箱内水位变化，并与喷嘴处的流量计数据比对判断降雨强度是否一致，以便观察旋转过程中有无漏水，在输水管内是否有气穴空腔形成，为减小在高压环境下因为材料微小变形产生漏水概率，只设置一个螺纹出水孔。
37.输水管2采用市面上常见的透明高强pu管，规格型号pu12x8mm，外径12mm，内径8mm，工作压力为1mpa，爆破压力3mpa，工作温度-30～60℃。
38.滤网3选用200目尼龙网，用于过滤水中细小杂质，防止在降雨过程中堵塞喷嘴，有效保证雾化效果、保证降雨强度不受影响，最终保证试验结果的准确性。
39.电磁阀4，采用san ye 2w-160-10ac220v，通径为10mm，允许的压力为10mpa，允许介质温度为-5～80℃，用于配合水泵一起控制降雨启停。
40.流量计5为叶轮式流量计，内径为10mm，流量范围为0.2～1.5m3/h，最大压力为6.3mpa，配有前后直管段和过滤器，可外接到离心机数控机床，实时监测流量大小。
41.喷雾器水泵6，选用虎跃电动喷雾器水泵hy-5800，最大压力为0.8mpa，流通量为5.0l/min，入口尺寸为10mm，配合喷嘴一起使用，达到雾化效果。
42.u型输水管7，连接在泵和喷嘴之间，喷嘴连接处液面要略高于雾化器水泵的连接处，如图6所示，目的是为了在较大的离心加速度场内恰好利用这一液面差，在离心力竖向分力作用下锁住大部分的管内蓄水如图6所示，以免影响降雨强度的精确度与试验结果，并且能保证在喷雾器水泵6施压过程中给喷嘴8提供足够水源和水压。
43.喷嘴8为fn喷嘴，喷口孔径为0.46mm，依靠独特的内部涡流叶片，只采用液体压力就可以产生非常细小的液滴，平均颗粒直径只有40微米，最小雾化粒径可达20微米，在7bar的压力下，喷雾形状为60
°
实心圆锥形，雾化效果十分均匀。
44.分级台阶14，可依据不同试验场地浇筑不同高度混凝土台阶，在本发明的实施是以45
°
斜坡为例，如图10所示为45
°
斜坡降雨标定布置情况。台阶上均匀分布盛水盒13，可以通过前后重量变化和各个盛水盒中水量多少确定坡面实际的降雨强度和分布情况，以调整固定模块和降雨模块的布设。径流收集槽15用于收集坡面未能入渗的径流，防止坡脚形成积水。
45.上述的模拟降雨装置模拟降雨的方法，步骤如下：
46.第一步：布设输水与降水系统：通过输水管连接外设水箱预留的螺栓孔，在输水管的另一端安装滤网，并连接到电磁阀上，然后通过输水管依次连接喷雾器水泵、流量计、u型输水管、喷嘴，u型输水管终端与雾化喷嘴连接，然后通过绑扎带与横梁固定。
47.第二步：标定雾化喷嘴在特定加速度场下的不同泵压对应的降雨强度与土工结构表面实际的降雨量及辐射分布范围，并检验设备在离心场下的工作情况。下面以50g加速度场，模拟坡脚为45
°
的斜坡降雨为例：在离心箱底部搭建四个平台，对应图10中1-5级平台，用于收集45
°
斜坡上的降雨分布范围；通过混凝土块搭建成了5级台阶，每个台阶之间高差5cm，模拟40cm高的斜坡模型，在离心机内降雨分布的模拟情况，每个台阶上等间距排列了若干大小相同的盛水盒，每个盛水盒已提前编号并称重，一共80个盛水盒，每个盛水盒在放置前编号称重，外设水箱内加入一定重量的水，最终水位不宜超过水箱80％高度；
48.首先，在启动离心机前应先启动电磁阀和喷雾器水泵让输水管内充满水，排除管内空气，并用器皿接住喷嘴处降水，观察每个喷嘴的雾化情况，是否出现堵塞或者水柱现象，若雾化效果较好关闭电磁阀与喷雾器水泵，将器皿内的水倒入水箱，称量水位高度，加盖密封防止水箱内水漫出和蒸发；
49.然后，启动离心机加速至50g，启动电磁阀和喷雾器水泵，同时记录离心机数控台反馈回来的输水管流量计、水箱内的水压传感器数值变化情况，记录每个启停周期对应的泵压与水压、流量的关系。用同样的泵压应进行3-5个启停周期来测试降雨强度是否会产生较大波动，如流量计每次启停周期的流量波动在接受范围表明降雨强度较稳定未发生漏水、堵塞等情况。如图2所示，装置流量计5，用于记录输水系统内流量的变化，可以通过数据线连接到离心机的数控机床，在监控室时实时反映流量变化，在高速旋转的离心场内有线传输相比于无线传输会更加稳定可靠。并将此流量计在降雨周期内的变化量记为降雨强度1；试验开始前，在图4所示的水箱1中放入两个孔压传感器，水箱可以分为5个水槽，水槽之间打孔连通，这样每个槽内的水位变化是同步的，水位的变化会直接被两个孔压传感器记录下来，并通过数控机床记录孔压下降数据，将孔压的变化情况实时反映在监控屏上。由于水箱横截面积、水的密度和离心加速度、下降时间已知，因此可以换算出单位时间内的降雨强度，记为降雨强度2；同时，通过高清摄像头从监控中观察输水管内水的赋存情况，喷嘴工作情况，除了在开启时观察仪器的工作情况，还要特别注意从本次降雨停止到下一次启动之前这段间隙内喷嘴是否发生滴水、漏水的情况，留意流量计数值是否发生变化；
50.最后，同一个泵压值要历经3-5次启停周期，离心机停机后记录每级台阶盛水盒内降雨量，根据降雨周期、间隔时间、每级台阶上盛水盒面积与台阶面积之比计算出实际降雨强度3；根据每个盛水盒重量的变化值以此判断表面降雨量的分布情况，便于后续调整喷嘴横纵向间距和喷嘴疏密程度；停机后，测量水箱液面水位实际下降值，由于水箱底面积已知、水的密度和重力加速度已知，通过水位差可以计算出前后水量变化值，并结合降雨周期和时间得出降雨强度4；将水箱内和输水管内剩余的水倒出、称量并与离心机开机前加入的总水量取差值，根据总降雨时间和间隔次数计算总降雨强度5。
51.第三步：可以通过流量计和水箱内孔压传感器的数值变化实时监测输水系统和喷头的工作情况，并能换算出降雨强度1、2的大小。在理想情况下每个周期内的变化率应是固定的，如果出现大幅抖动则表明输水系统和降雨系统出现了空腔需要立即停止试验，进行
设备纠正。标定过程中计算出降雨强度3的值可以反映土工结构各个区域表面的实际降雨强度，以此为参考，通过横梁的移动改变喷嘴的分布规律，调控喷嘴的疏密与横纵间距。降雨强度4和5的数据用于校核实际的总降雨强度，能反映总水量的变化值，一般更具准确性和可靠性。试验结束后，将4、5的数据结合径流收集槽15里的蓄水量，推算出坡面入渗量和坡面径流量，从而得出该离心加速度场下的土壤渗透率，也能为后处理过程提供可靠的参数依据。
52.横向对比总降雨强度1-5的数据，来判断最终的降雨强度，一般来说，降雨强度1和2的值应近似相等；降雨强度1的数值会高于降雨强度3的数值；降雨强度3的数值小于降雨强度4的数值；降雨强度5的值可能略大于4的数值。若5个数据相差不大，可取平均值作为在给定加速度场和给定泵压下的降雨强度，一般来说降雨强度3的数据更能作为实际的降雨强度分布数据即该试验工况的实际降雨强度。依据盛水盒内水位高低的直观判断各区域降雨的分布规律。降雨系统是依附于横梁上的，因此通过横梁的移动改变喷嘴的分布规律，调控喷嘴的疏密与横纵间距，最终实现土工结构表面均匀降雨。
53.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种保障土工离心机降雨强度精度的装置，其特征在于，该降雨装置包括离心箱(12)、降雨模块和固定模块，其中，所述降雨模块设置在所述离心箱的上方，用于向所述离心箱(12)进行降雨，所述固定模块用于将所述降雨模块固定在所述离心箱上方；所述降雨模块包括通过输水管依次连接的水源(1)、雾化器水泵(6)和末端出水单元，所述雾化器水泵(6)用于在输水管(2)中提供雾化水压，所述末端出水单元包括u型输水管(7)和喷嘴(8)，所述喷嘴(8)之间通过直角终端连接，所述u型输水管(7)入水口的管顶内壁的高度低于出水口管底内壁的高度，避免u型管内的水外溢形成管内空腔。2.如权利要求1所述的一种保障土工离心机降雨强度精度的装置，其特征在于，所述降雨模块中包括一个或者多个末端出水单元，该一个或多个末端出水单元通过输水管雨所述雾化器水泵连接。3.如权利要求2所述的一种保障土工离心机降雨强度精度的装置，其特征在于，所述固定模块包括横梁(10)和竖梁(11)，该横梁(10)和竖梁(11)在水平面内两个方向上固定所述降雨模块。4.如权利要求3所述的一种保障土工离心机降雨强度精度的装置，其特征在于，所述竖梁(11)为所述横梁(10)的导轨，所述横梁(10)沿所述纵梁(11)移动，依次改变所述降雨模块在所述离心箱上方的分布。5.如权利要求1或2所述的一种保障土工离心机降雨强度精度的装置，其特征在于，所述末端出水单元的前端设置有流量计(5)，用于计算末端出水单元的降雨量。6.如权利要求1或2所述的一种保障土工离心机降雨强度精度的装置，其特征在于，所述水源(1)和雾化器水泵(6)之间设置有电磁阀(4)，用于控制降雨模块的启停。7.如权利要求1或2所述的一种保障土工离心机降雨强度精度的装置，其特征在于，所述雾化器水泵(6)和电磁阀(4)之间设置有流量计(5)，用于供水量的实时监测。8.如权利要求1或2所述的一种保障土工离心机降雨强度精度的装置离心箱，其特征在于，所述水源(1)和电磁阀(4)之间的输水管中设置有滤网(3)。9.如权利要求1所述的一种保障土工离心机降雨强度精度的装置，其特征在于，所述离心箱(12)的底端设置有径流收集槽(15)，用于收集坡面未入渗的表面径流。10.如权利要求1所述的一种保障土工离心机降雨强度精度的装置，其特征在于，所述离心箱(12)中还设置有标定单元，该标定单元包括分级台阶(14)和设置在该分级台阶上的盛水盒(13)，所述盛水盒(13)用于标定阶段收集土工结构表面降雨，以得出实际降雨量分布情况，并以此为依据调整固定模块和降雨模块的布置，从而达到降雨量均匀分布的目的。

技术总结
本发明属于土工离心机模拟降雨试验相关技术领域，公开了一种用于离心模型降雨试验改良的降雨装置。该降雨装置包括离心箱、降雨模块和固定模块，降雨模块设置在离心箱上方模拟降雨，固定模块用于将降雨模块固定在离心箱上方；降雨模块包括用输水管依次连接的水源、雾化器水泵和出水单元，雾化器水泵用于在输水管中提供雾化水压，出水单元包括U型输水管和喷嘴，U型输水管入水口管顶内壁高度低于出水口管底内壁高度，防止U型管内的水外溢形成空腔。通过本发明，解决因重力、科氏力以及离心力综合作用下喷嘴漏水、管内空腔和降雨延迟及土体表面雨量分布不均匀问题。表面雨量分布不均匀问题。表面雨量分布不均匀问题。


技术研发人员：田雨豪 汪华斌 周博 李波 刘振江
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/7