馬子萱李淑琴孫進(jìn)賢

花籃狀水造型組合噴頭的設(shè)計(jì)、計(jì)算方法的研究

馬子萱1李淑琴1孫進(jìn)賢2

本文介紹通過設(shè)計(jì)一種能噴出花籃狀水造型的組合噴頭，研究這種組合噴頭中每個(gè)單噴頭的空間排列的設(shè)計(jì)、計(jì)算方法。

水造型；花籃；計(jì)算；方法

人們對(duì)水景觀的欣賞水平不斷發(fā)展，追求水在動(dòng)中的韻律，也欣賞一些新鮮典雅的水造型。制造和創(chuàng)新水景觀設(shè)計(jì)的噴頭部件，以噴出適合人們審美要求的新穎水造型不但可以給人們以美感，而且對(duì)于提高人們的審美水平也很有幫助。

在吉慶的場(chǎng)合，人們往往擺放花籃，在許多噴泉的設(shè)計(jì)中，也希望用水噴射形成一個(gè)個(gè)花籃的造型，以示吉祥與迎賓之寓意，天安門金水河噴泉就曾經(jīng)設(shè)計(jì)過56組“豐收花籃”造型。但是由于花籃的水型是由一環(huán)若干個(gè)單噴頭組合噴射才能形成，如何調(diào)整每一個(gè)噴頭的噴射角度以形成一個(gè)理想的整體效果，以前沒有理論計(jì)算，所以制作出的造型均不很理想，尤其是多組造型的一致性要求更不好實(shí)現(xiàn)，不能實(shí)現(xiàn)整齊化一，往往調(diào)成外翻造型代替了“花籃”。本文將研究花籃型造型組合噴頭的設(shè)計(jì)及理論計(jì)算。

1.造型描述

花籃水造型是由一環(huán)若干獨(dú)立的直流水柱噴頭組成，單個(gè)噴頭向圓心方向及圓環(huán)切線方向均有一定的傾斜角，眾多噴頭組合噴水時(shí)便形成花籃狀的水造型。從正面投影看，底部稍大，中間縮小，上部又逐漸增大，形似“小蠻腰”。如圖1所示：

圖1 “花籃”水造型的正面投影圖

每個(gè)獨(dú)立的噴頭與Z向θ及切線向的?角度不同（各個(gè)字母代表的數(shù)值下公式處有注釋），花籃的造型也不相同。本文將通過理論分析與數(shù)學(xué)推演，滿足設(shè)計(jì)師在確定造型需求后，通過理論計(jì)算求得每個(gè)噴頭的空間角度，以便給工業(yè)制造加工及現(xiàn)場(chǎng)安裝提供精確的數(shù)據(jù)、方法，或者設(shè)置不同的數(shù)據(jù)通過理論計(jì)算獲得水造型效果，供設(shè)計(jì)師從中擇優(yōu)選擇。

2.系統(tǒng)計(jì)算（計(jì)算方法和步驟）

2.1 水流計(jì)算的基本理論

在不考慮風(fēng)阻情況下，水流傾斜噴射形成的是一條完整的拋物線形，如果把噴出的水看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，那么離開噴頭的水質(zhì)點(diǎn)的位置可以用下面公式計(jì)算：

h=v·sinα·t-gt2/2

s=v·cosα·t

式中：

h——水質(zhì)點(diǎn)離開噴頭的垂直距離；

v——水出噴頭的初速；

α——噴頭與Z軸的夾角；

g——重力加速度；

t——水質(zhì)點(diǎn)離開噴頭的運(yùn)動(dòng)時(shí)間；

s——水質(zhì)點(diǎn)離開噴頭的水平距離。

2.2 “花籃”水造型面方程計(jì)算

假設(shè)“花籃”底部一圈的噴頭無窮多，“花籃”的水柱便形成一個(gè)密閉的水面。為了計(jì)算方便，設(shè)噴口(也即“花籃”底）所在的平面（水平面）為xoy平面，設(shè)z軸豎直向上，那么“花籃”的面方程可以用下式來計(jì)算：

式中：

R—為“花籃”底圓形的半徑（單位：米）；

θ—為噴水方向與豎直方向的夾角；

?—水柱拋物線在xoy平面上的投影與圓的切線的夾角；

v—為出水口的噴水速度（單位：米/秒）；

g—為重力加速度（單位：米/秒2）

不難看出，調(diào)整上式中v，R，θ，?的數(shù)值即可得出高低、胖瘦不同造型的“花籃”。至于一個(gè)“花籃”倒底要由多少水柱組成，也就是“花籃”看起來是編織的密還是疏，這一點(diǎn)是可以就設(shè)計(jì)者的審美自行確定。

2.3 “花籃”水造型數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)選擇

上式在不同大小的“花籃”設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)方便的選擇。一般情況下設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)“花籃”首先要初定“花籃”高度，“花籃”的底部直徑，然后調(diào)整θ和φ的值，即可得出不同的“花籃”造型，再從眾多的造型中擇優(yōu)選擇適合于整體景觀需要的一個(gè)造型。

如果要得“花籃”的正面投影造型，可令式中的Y=0，即可得出Z=F（X）的外輪廓關(guān)系。

根據(jù)噴水實(shí)況，水質(zhì)點(diǎn)具有到最高點(diǎn)后即下落散開的現(xiàn)象，因此人們看到的“花籃”其實(shí)是水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的多半個(gè)過程，而不是其運(yùn)動(dòng)的全部過程；因此在計(jì)算機(jī)計(jì)算取值時(shí)要注意取水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的一半稍多一些，可以用下式來計(jì)算T值：

t=K·v/g

t——為水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)所經(jīng)過的時(shí)間；

v——為噴口出水的初速度；

g——重力加速度；

K——約等于1.1 （K值憑噴水實(shí)驗(yàn)實(shí)況測(cè)得）。

圖2 “花籃”單個(gè)噴頭在XOYZ坐標(biāo)系中的位置模型圖

3.結(jié)論

本計(jì)算方法在實(shí)際操作中具有很好的實(shí)用價(jià)值：一是設(shè)計(jì)師可以運(yùn)用此公式輕松而簡潔地做出任何理想的“花籃”水造型設(shè)計(jì)；二是工廠可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)等自動(dòng)控制設(shè)備直接精確地進(jìn)行噴水部件加工；三是安裝者可以按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)精確地調(diào)試出設(shè)計(jì)的水造型。

[1]全國民用建筑工程技術(shù)措施給水排水（2009年版）

[2]《水力學(xué)基礎(chǔ)》.2003年，中國水利水電出版社

(作者單位：1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院2. 水景噴泉委員會(huì)專家組)

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1671-3362（2015）10-0070-02