Rainfall energy characteristics of a Kamphorst’s simulator

In this paper, the results of a Kamphorst rainfall simulator characterization obtained by laboratory experiments carried out at the Department of Agricultural, Food, and Forest Sciences of the University of Palermo, are presented. At first, the rainfall uniformity distribution was positively verified considering several pressure heads (from 2.9 to 12.9 cm) and water temperatures (from 24°C to 27°C), and a mean uniformity coefficient of 97% was achieved. Then, the simulator characterization in terms of both kinetic power and momentum was performed, for several test conditions and referring to a single nozzle, by applying weighing and photographic techniques. In particular, the single drop mean mass was evaluated by weighing a known number of raindrops, while its fall velocity was estimated, for falling heights varying from 0.3 m to 1.3 m, by analyzing its displacement between two consecutive frames obtained by a high resolution and high frame rate video. Data analysis showed that rainfall intensity, which increases with water temperature and pressure head, is the only variable that influences the single raindrop mass determination. Moreover, velocity measurements, whose reliability was confirmed by a comparison with the velocity of a body falling in a vacuum, suggest that in the explored field the single drop velocity can be proportional to the falling height square root. These results enabled to develop two empirical relationships that allow, for a fixed falling height, to simulate rainfalls of a fixed energy content or fixed intensity.

Nella memoria sono riportati i risultati della caratterizzazione di un simulatore di pioggia Kamphorst eseguita nel Dipartimento di Scienze Agrarie, Alimentari e Forestali dell’Università degli Studi di Palermo. Dapprima è stata positivamente verificata l’uniformità di distribuzione della pioggia al variare del carico idraulico (da 2.9 a 12.9 cm) e della temperatura dell’acqua (da 24°C a 27°C), registrando un coefficiente di uniformità medio del 97%. Si è quindi proceduti alla caratterizzazione del simulatore in termini di potenza cinetica e quantità di moto nelle differenti condizioni di esercizio e con riferimento a un singolo ugello, mediante tecnica ponderale e fotografica. In particolare, dal peso di un numero noto di gocce di pioggia è stata ricavata la loro massa media, mentre la misura dello spostamento delle gocce di pioggia tra due frame successivi di un video ad alta risoluzione ed elevato framerate ha consentito la stima della loro velocità di caduta per altezze variabili tra 0.3 e 1.3 m. Le analisi mostrano che l’intensità di precipitazione, che aumenta al crescere della temperatura dell’acqua e del carico idraulico, è la sola variabile che interviene nella determinazione della massa delle singole gocce di pioggia. Inoltre, le misure di velocità, la cui affidabilità è confermata dal confronto con quella di caduta di un grave nel vuoto, suggeriscono che nel campo di esplorazione essa potrebbe essere proporzionale alla radice quadrata dell’altezza di caduta. Tali risultati hanno permesso di mettere a punto due relazioni empiriche che consentono, per fissata altezza di caduta, di simulare piogge di fissato contenuto energetico o di fissata intensità.