一种人工降雨模拟系统及其使用方法

本发明涉及降雨模拟，具体涉及一种人工降雨模拟系统及其使用方法。

背景技术：

1、人工模拟降雨装置是开展土壤侵蚀、水文过程、边坡防护及市政排水等研究与测试的重要实验设备。现有喷嘴式模拟降雨装置多采用固定孔径喷头，雨滴直径取决于喷头出厂规格，在一场降雨实验中无法改变；部分装置通过更换喷头或多喷头切换来调整雨滴直径，但操作繁琐且无法实现连续过渡。另一方面，现有装置的供水压力与喷头孔径通常分别独立设置，缺乏两者之间的协同控制逻辑，导致雨滴直径与降雨强度的调节相互耦合、精度不足。此外，喷头在使用非纯净水或长时间运行时，水中杂质易在喷头内部沉积并造成出水孔堵塞，现有装置多依赖人工拆卸清洗，影响实验连续性。上述问题制约了人工模拟降雨对自然降雨过程中雨滴谱动态变化的复现能力。

2、因此，有必要提供一种人工降雨模拟系统及其使用方法，以解决上述背景技术中提到的问题。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案一种人工降雨模拟系统，包括降雨发生模块、驱动模块、控制模块和供水模块；所述降雨发生模块包括至少一个喷头单元，所述喷头单元包括固定出水件和可旋转地设置于所述固定出水件内的孔径调节件，所述固定出水件底部沿径向开设有出水孔，所述孔径调节件上开设有至少一列通孔，各列所述通孔沿所述孔径调节件周向均匀布设，且各列所述通孔直径不同，所述孔径调节件旋转时能够使不同列的所述通孔与所述出水孔对位连通，形成不同口径的出水通道；所述喷头单元外周侧连通其内部圆周布设有若干集渣单元，用于对水中杂质进行收集；

2、所述驱动模块与所述孔径调节件传动连接，用于驱动所述孔径调节件旋转至目标角度；

3、所述供水模块通过管路与所述降雨发生模块连接，用于向所述降雨发生模块提供压力可调的水源；

4、所述控制模块分别与所述驱动模块和所述供水模块电连接，所述控制模块内预存有出水孔径-供水压力-降雨参数映射关系，所述控制模块根据输入的目标降雨参数，基于所述参数映射关系调节所述孔径调节件的目标旋转角度和供水模块的目标供水压力，并分别向所述驱动模块和供水模块输出对应的控制指令，所述目标降雨参数至少包括雨滴直径和降雨强度中的一种；

5、所述控制模块还用于采集所述供水模块的实际供水压力和/或所述降雨发生模块的实际出水流量，将实际值与对应目标值进行比较，并根据比较结果修正所述驱动模块和/或所述供水模块的控制指令。

6、优选地，所述固定出水件包括壳体，所述壳体顶部设有顶盖，所述顶盖上安装有进水管，所述进水管与所述供水模块通过管路连接；所述壳体的底部开设有所述出水孔；所述壳体的外周侧底部圆周均布若干固定耳。

7、优选地，所述驱动模块包括：同轴悬空设置在所述壳体内部的驱动仓，所述驱动仓顶部为敞口结构，所述驱动仓内向下安装有伺服电机，所述伺服电机的输出轴穿过仓体底部与所述孔径调节件同轴固定连接；所述驱动仓的外周侧圆周水平布设有若干固定板，所述固定板一端固设两端分别与所述驱动仓外壁和壳体内壁固定连接。

8、优选地，所述孔径调节件为与所述壳体底面形状适配的隔板，所述隔板上贯穿开设有所述通孔，所述隔板上沿周向指向其轴心均匀布设有若干导流板，所述导流板与所述通孔错开布设，用于将壳体内杂质引导至所述壳体的侧壁。

9、优选地，所述壳体的侧壁开设有排渣孔，所述排渣孔外侧对应连通设置有所述集渣单元，所述集渣单元包括：收集仓，所述收集仓固定于壳体外壁上，所述收集仓上与所述排渣孔对应开设有收集孔，所述收集仓内底部为锥形导流结构，所述锥形导流结构的下端设置有排渣管，所述排渣管上设有控制阀。

10、优选地，所述控制模块将采集的实际出水流量与基于当前目标旋转角度和目标供水压力所确定的理论流量进行比较，当实际流量与理论流量的偏差超过预设阈值时，所述控制模块判定所述出水通道存在堵塞，并触发自清洁机制；

11、所述自清洁机制包括停水机械清洁阶段和通水水力清洁阶段；

12、在所述停水机械清洁阶段中，所述控制模块控制所述供水模块停止供水，并控制所述驱动模块驱动所述孔径调节件往复旋转，利用所述导流板将壳体内松脱的浮动杂质刮至所述排渣孔处聚集；

13、在所述通水水力清洁阶段中，所述控制模块控制所述排渣管上的控制阀开启，利用水流将聚集在所述排渣孔处的杂质经由所述收集孔冲入所述收集仓内，并通过开启的所述排渣管排出；然后关闭排渣阀，并控制所述供水模块脉冲式提升供水压力，依次对各列通孔处的堵塞进行清洁。

14、优选地，所述降雨发生模块包括多个所述喷头单元，多个所述喷头单元通过模块通过固定耳拼接为面阵结构；所述控制模块根据输入的目标雨强分布矩阵，为每个所述喷头单元发送对应的目标旋转角度和目标供水压力分配值，并按预设时序分别向各所述喷头单元对应的所述驱动模块输出控制指令，以实现面域降雨强度的均匀化控制。

15、优选地，所述隔板底部嵌设有密封层，所述密封层上与所述通孔对应开设有避让孔。

16、本技术还提供一种利用所述人工模拟降雨系统的模拟降雨控制方法，包括以下步骤：

17、s1、预先通过校准实验建立出水孔径-供水压力-降雨参数映射关系，并将所述映射关系存储于控制模块中；

18、s2、将目标降雨过程离散为多个连续的时间片，每个时间片对应一组目标降雨参数，并将所述参数录入所述控制模块，所述目标降雨参数至少包括雨滴直径和降雨强度中的一种；

19、s3、所述控制模块针对每个时间片，基于所述映射关系联合解算孔径调节件的目标旋转角度和供水模块的目标供水压力，生成时间序列控制指令；

20、s4、启动所述供水模块，所述控制模块按所述时间序列控制指令依次向所述驱动模块和所述供水模块输出控制指令，驱动所述孔径调节件旋转至对应目标角度并调节供水压力至对应目标值；

21、s5、在降雨过程中，所述控制模块实时采集实际供水压力和/或实际出水流量，将实际值与对应目标值进行比较，并根据偏差修正后续时间片的控制指令；

22、s6、达到预设降雨时长后，所述控制模块关闭所述供水模块并控制所述驱动模块带动所述孔径调节件复位。

23、优选地，还包括预降雨校准步骤：所述控制模块控制所述供水模块以低压供水，并依次驱动所述孔径调节件旋转至各预设角度，采集各角度下的实际出水流量，基于实际流量对所述映射关系进行现场修正；

24、当实际出水流量与理论流量的偏差超过预设阈值时，触发自清洁机制，所述自清洁机制具体包括：

25、第一阶段，所述控制模块控制所述供水模块停止供水，并驱动所述孔径调节件往复旋转，利用所述导流板将壳体内壁的浮动杂质刮向所述排渣孔处聚集；

26、第二阶段，在停水清洁完毕后，所述控制模块控制所述排渣管上的控制阀开启，利用水流将聚集在所述排渣孔处的杂质经由所述收集孔冲入所述收集仓内，并通过开启的所述排渣管排出；然后关闭排渣阀，并控制所述供水模块脉冲式提升供水压力，依次对各列通孔处的堵塞进行清洁。

27、与现有技术相比，本发明提供了一种人工降雨模拟系统及其使用方法，具有以下有益效果：

28、1、本发明通过孔径调节件旋转切换不同孔径的通孔与出水口对位，无需更换喷头即可在单场降雨过程中连续调节出水口径，从而实现雨滴直径的动态调节，能够复现自然降雨中雨滴谱随时间演变的过程。

29、2、本发明中控制模块基于出水口径-供水压力-降雨参数映射关系计算孔径调节件角度与供水压力，将雨滴直径和降雨强度两个目标参数解耦为两个可控变量的协同调节，提高了降雨参数的控制精度和可重复性；并通过采集实际供水压力和实际出水流量进行闭环反馈控制，能够自动补偿水压波动、管路损耗及制造误差带来的参数偏差，保证降雨过程的稳定性。

30、3、本发明通过流量偏差检测自动识别堵塞状态，并触发孔径调节件往复旋转配合脉冲水压冲洗的自清洁机制，无需人工拆卸即可清除喷头堵塞，提高了系统连续运行能力。

31、4、本发明通过多个喷头单元模块化拼接为面阵结构，控制模块根据目标雨强分布矩阵为各喷头独立分配控制参数，实现面域降雨强度的均匀化控制，适配不同尺度的降雨实验需求。