花篮状水造型组合喷头的设计、计算方法的研究

马子萱李淑琴孙进贤

花篮状水造型组合喷头的设计、计算方法的研究

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本文介绍通过设计一种能喷出花篮状水造型的组合喷头，研究这种组合喷头中每个单喷头的空间排列的设计、计算方法。

水造型；花篮；计算；方法

人们对水景观的欣赏水平不断发展，追求水在动中的韵律，也欣赏一些新鲜典雅的水造型。制造和创新水景观设计的喷头部件，以喷出适合人们审美要求的新颖水造型不但可以给人们以美感，而且对于提高人们的审美水平也很有帮助。

在吉庆的场合，人们往往摆放花篮，在许多喷泉的设计中，也希望用水喷射形成一个个花篮的造型，以示吉祥与迎宾之寓意，天安门金水河喷泉就曾经设计过56组“丰收花篮”造型。但是由于花篮的水型是由一环若干个单喷头组合喷射才能形成，如何调整每一个喷头的喷射角度以形成一个理想的整体效果，以前没有理论计算，所以制作出的造型均不很理想，尤其是多组造型的一致性要求更不好实现，不能实现整齐化一，往往调成外翻造型代替了“花篮”。本文将研究花篮型造型组合喷头的设计及理论计算。

1.造型描述

花篮水造型是由一环若干独立的直流水柱喷头组成，单个喷头向圆心方向及圆环切线方向均有一定的倾斜角，众多喷头组合喷水时便形成花篮状的水造型。从正面投影看，底部稍大，中间缩小，上部又逐渐增大，形似“小蛮腰”。如图1所示：

图1 “花篮”水造型的正面投影图

每个独立的喷头与Z向θ及切线向的ϕ角度不同（各个字母代表的数值下公式处有注释），花篮的造型也不相同。本文将通过理论分析与数学推演，满足设计师在确定造型需求后，通过理论计算求得每个喷头的空间角度，以便给工业制造加工及现场安装提供精确的数据、方法，或者设置不同的数据通过理论计算获得水造型效果，供设计师从中择优选择。

2.系统计算（计算方法和步骤）

2.1 水流计算的基本理论

在不考虑风阻情况下，水流倾斜喷射形成的是一条完整的抛物线形，如果把喷出的水看成一个质点，那么离开喷头的水质点的位置可以用下面公式计算：

h=v·sinα·t-gt2/2

s=v·cosα·t

式中：

h——水质点离开喷头的垂直距离；

v——水出喷头的初速；

α——喷头与Z轴的夹角；

g——重力加速度；

t——水质点离开喷头的运动时间；

s——水质点离开喷头的水平距离。

2.2 “花篮”水造型面方程计算

假设“花篮”底部一圈的喷头无穷多，“花篮”的水柱便形成一个密闭的水面。为了计算方便，设喷口(也即“花篮”底）所在的平面（水平面）为xoy平面，设z轴竖直向上，那么“花篮”的面方程可以用下式来计算：

式中：

R—为“花篮”底圆形的半径（单位：米）；

θ—为喷水方向与竖直方向的夹角；

ϕ—水柱抛物线在xoy平面上的投影与圆的切线的夹角；

v—为出水口的喷水速度（单位：米/秒）；

g—为重力加速度（单位：米/秒2）

不难看出，调整上式中v，R，θ，ϕ的数值即可得出高低、胖瘦不同造型的“花篮”。至于一个“花篮”倒底要由多少水柱组成，也就是“花篮”看起来是编织的密还是疏，这一点是可以就设计者的审美自行确定。

2.3 “花篮”水造型数据的设计选择

上式在不同大小的“花篮”设计中可以实现方便的选择。一般情况下设计师设计“花篮”首先要初定“花篮”高度，“花篮”的底部直径，然后调整θ和φ的值，即可得出不同的“花篮”造型，再从众多的造型中择优选择适合于整体景观需要的一个造型。

如果要得“花篮”的正面投影造型，可令式中的Y=0，即可得出Z=F（X）的外轮廓关系。

根据喷水实况，水质点具有到最高点后即下落散开的现象，因此人们看到的“花篮”其实是水质点运动的多半个过程，而不是其运动的全部过程；因此在计算机计算取值时要注意取水质点运动时间的一半稍多一些，可以用下式来计算T值：

t=K·v/g

t——为水质点运动所经过的时间；

v——为喷口出水的初速度；

g——重力加速度；

K——约等于1.1 （K值凭喷水实验实况测得）。

图2 “花篮”单个喷头在XOYZ坐标系中的位置模型图

3.结论

本计算方法在实际操作中具有很好的实用价值：一是设计师可以运用此公式轻松而简洁地做出任何理想的“花篮”水造型设计；二是工厂可以运用计算机等自动控制设备直接精确地进行喷水部件加工；三是安装者可以按照设计数据精确地调试出设计的水造型。

[1]全国民用建筑工程技术措施给水排水（2009年版）

[2]《水力学基础》.2003年，中国水利水电出版社

(作者单位：1.中国农业大学水利学院2. 水景喷泉委员会专家组)

TU986.43

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1671-3362（2015）10-0070-02