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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2022年 40卷 12期
刊出日期：2022-12-25
泵理论与技术
   
1189 张德胜*,张奇,赵睿杰,祁炳,沈熙
基于RBF神经网络和NSGA-Ⅱ算法的海水淡化高压泵多工况优化设计
为提高透平式能量回收一体机的水力性能,采用RBF神经网络、NSGA-Ⅱ遗传算法和数值模拟集成的设计方法,对高压泵进行多工况优化设计.以高压泵三工况点的加权平均效率为优化目标,设计工况点下的扬程为约束条件,结合Plackett-Burman筛选试验,将进口安放角、出口安放角、叶片出口宽度及叶片包角作为优化变量,采用最优拉丁超立方设计试验空间,基于Isight多学科优化平台,通过编写批处理命令集成CFturbo,ICEM,CFX等,搭建智能水力优化平台,实现高压泵的CFD自动预报.基于数值模拟结果,利用RBF神经网络建立目标函数与几何参数之间的非线性关系,并运用NSGA-Ⅱ算法对该模型寻优.研究结果表明:RBF神经网络模型能够准确预测高压泵效率以及扬程与设计变量之间的关系;优化后高压泵与初始方案相比,3个工况点加权平均效率提高了3.38%,在0.8Qd,1.0Qd和1.2Qd工况下效率分别提高了2.21%,3.59%和4.23%;优化后叶轮在设计工况点附近轴功率略有减小;对比优化前后叶轮的流场分布,优化后的叶轮进口低速区减小,内部速度梯度分布更加均匀,流场得到明显改善,能量耗散减小.研究结果可为高压泵多工况水力优化设计提供一定理论依据.
2022 Vol. 40 (12): 1189-1196 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 585 )
1197 孙国勇,张逸军,张润强,王玉川*,毛秀丽
高含沙水流混流式水轮机磨蚀的数值预测与分析
为了研究高含沙水流混流式水轮机的磨蚀规律,应用SST k-ω湍流模型和Tabakoff磨蚀模型对渭河流域魏家堡水电站水轮机内部的多相流动及其磨蚀现象进行了数值模拟,预测了易发生磨蚀的部位并分析了产生磨蚀的原因.通过与电站实际运行后的水轮机磨蚀情况对比,数值模拟结果准确地预测了磨蚀发生的部位和磨蚀程度.数值模拟结果表明:磨蚀主要发生在蜗壳的隔舌、面与面连接的不光滑区域或缝隙等不规则的边界区域以及导叶和叶片的头部端面;壁面附近的流态对磨蚀有重要影响,磨蚀破坏最严重的区域为转轮出口靠近下环的叶片区域,此处的叶片弯曲的曲率较大,形成较高的速度和不稳定流动现象;尾水管中的弯肘段改变了流体的流动方向导致较为严重的磨蚀.研究成果为水轮机磨蚀的预防和抗磨蚀水轮机的优化设计提供了参考.
2022 Vol. 40 (12): 1197-1203 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 639 )
1204 俞芸芸*,周大庆,于安,刘佳佳
基于修正PANS模型的轴流泵空化特性数值模拟
为了研究轴流泵空化问题,利用CFX软件二次开发技术对湍流模型进行了修正,通过编写CCL语言实现了PANS模型中参数fk的动态定义,使其可以瞬时地根据当地网格条件和湍流长度尺度修改其值;利用修正后的湍流模型对轴流泵全流道进行空化数值计算,得出临界汽蚀余量为5.37 m,经试验可知实际临界汽蚀余量为5.68 m,两者误差是由试验条件及试验系统引起的,且在合理范围内,并通过拍摄空泡图验证了该湍流模型在轴流泵空化计算中的可靠性.分析数值计算结果,得出了不同工况下轴流泵的空化特性,随着汽蚀余量的减少,轴流泵叶轮内空泡体积分数变大,涡量变大,叶片表面压力和流速在空泡产生和溃灭的位置处发生相应波动;随着流量的增大,轴流泵临界汽蚀余量减少,空泡分布的整体量变大,叶轮内部湍动能值变大,湍流耗散变严重,与空化的发生溃灭有直接关系.
2022 Vol. 40 (12): 1204-1211 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 718 )
1212 陈金维,裴吉*,王文杰,邓起凡,王中升
立式管道离心泵多工况压力脉动试验
为研究不同工况下立式管道离心泵内部压力脉动特性,文中采用动态压力传感器在模型泵进口弯管处、蜗壳隔舌附近、蜗壳扩散管处分别设置压力监测点,对0.6Qd,1.0Qd和1.4Qd这3种流量下的压力脉动进行了测试,得到了压力脉动时域图、频域图和时频域图.试验结果表明:蜗壳隔舌附近的压力脉动信号波动最大.随着流量的增加,各监测点的压力脉动幅值先减小后增加.小流量和设计流量下,进口弯管处的压力脉动主频为2倍轴频,大流量下主频为轴频,幅值表现出强烈的波动特性.蜗壳隔舌附近的压力脉动主频均为叶频,幅值随流量增加而增大,在小流量和设计流量下高频处表现出较宽频段的波动性.蜗壳扩散管处的压力脉动在小流量和设计流量下主频为叶频,大流量下主频为轴频,轴频的幅值随流量增大而减小.
2022 Vol. 40 (12): 1212-1218 [摘要] ( 22 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 579 )
1219 王业富,王洋,宋建龙,金实斌,公续然,朱芮,曹璞钰*
弯管安装角对管道泵内压力脉动影响的数值研究
为了深入探究进流弯管与蜗壳相对周向位置对离心泵内水力激振的影响及其流动机理,选取立式管道离心泵为研究对象,通过对原型泵进水弯管周向安装角度的调整,衍生出6组新管道泵,并依次进行非定常数值计算.在数值计算过程中,主体监测叶轮域内压力脉动,对比分析6款新泵与原型泵的压力脉动特征,结果表明:在叶轮进口流域,当周向安装角φ=45°时,压力脉动在时域上产生了较明显的波峰相位提前,与二次流涡对激励的波谷有相互抵消作用,削弱波峰,最大降幅可达40.6%.在叶轮中段流域,安装角φ对叶片背面的压力脉动影响较大.在叶片尾缘附近流域,不同弯管安装角产生的影响沿流道从叶轮进口至叶片尾缘逐渐减小殆尽.本研究可为管道泵的实际安装及优化提供一定的参考.
2022 Vol. 40 (12): 1219-1226 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 580 )
1227 李可欣,郑源*,胡雪原
基于流体体积模型的叶轮宽径比对水车性能的影响
为了研究一种环保、简易的微水头发电水车装置,建立了水车在河流中的三维模型,采用流体体积(VOF)模型,压力-速度耦合选择PISO格式进行求解,对不同叶轮宽径比的水车进行非定常流动分析.结果表明:叶轮宽径比为3.93的胸射式水车效率区最为宽广,最优效率最高.叶轮宽径比增大使得流道的阻塞效应增强,上、下游水位差增大,出现明显涡流现象.不同宽径比的水车叶轮叶片转矩呈同一周期性变化,当水车处在枯水期运行时,叶片运动过程中浸入水中的两叶片间会出现回流现象,使得转矩有小范围的极值出现.未浸入水中的两叶片间压力随叶轮宽径比增大而增大.5种叶轮宽径比的水车叶片均在叶尖处正面压力达到最大,且叶轮宽径比为3.93的水车浸水叶片正、背面压力差最大,提高了叶片的做功能力.该结果对胸射式水车的叶轮结构设计与性能分析能够起到指导作用.
2022 Vol. 40 (12): 1227-1232 [摘要] ( 22 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 606 )
1241 万里,李永业*,张港,蔡鸿儒,张雪兰,杨小妮
弹簧板式明渠测流装置的水力特性
为提高灌区精准量水技术,设计了一种基于弹簧形变量与渠道过水断面瞬时流量之间关系的明渠测流装置.该装置的模型试验在矩形渠道中,选定流量范围为20~85 m3/h,共在14个流量工况下进行.结合理论分析及数值模拟对该装置的流量公式、测流精度、水头损失等量测特性进行分析.研究结果表明:渠道过水断面瞬时流量Q同形变量d与参数C1之和呈5/6次方关系,在量测板板宽为30,40,50,60 mm时Q与d+C1的5/6次方的线性相关性良好;拟合得到弹簧板式测流装置的流量公式,公式计算流量和试验时的实测流量相吻合,最大相对误差为4.56%,其中板宽40 mm时的最大相对误差为1.43%;量测板上游水位的模拟值和实测值最大相对误差为4.54%,模拟结果与实测结果吻合;量测板产生的水头损失随着板宽的增加而增加,在板宽小于40 mm时,水头损失占比总水头均小于10%.研究成果为弹簧板式测流装置在灌区的应用提供了理论依据.
2022 Vol. 40 (12): 1241-1247 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 571 )
1248 杜畅,刘喜元,张健*,汪宝罗,陈旭云,俞晓东
泵后管线先降后升的长距离输水系统水锤防护
针对泵后管线先降后升的长距离大流量输水系统,当水泵发生抽水断电时泵后管线高点处易出现负压的特点,提出了一种调压塔联合末端调流阀的停泵水锤防护方案,并基于瞬变流计算的特征线法建立了全系统水力过渡过程的数学模型,模拟了系统停泵水锤全过程.结合某实际输水工程,探究常规调压塔防护方案的调压塔最小面积,给出泵后设调压塔结合末端调流阀联动关闭的水锤防护方案的参数选取原则,对比常规调压塔防护方案与泵后设调压塔结合末端调流阀联动关闭的水锤防护方案对停泵水锤的影响.计算结果表明,常规调压塔防护方案调压塔面积达到1 100 m2,投资成本巨大;调压塔结合末端调流阀联动关闭的防护方案末端调流阀关闭过快会引起管道正压过大,关闭过慢会导致管道水流回流能力不足,选取合适的末端调流阀关闭时间,在满足系统水锤防护标准的前提下,可以有效地减小调压塔面积.
2022 Vol. 40 (12): 1248-1253 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 556 )
1254 石俊峰,郑源*,张海晟,郭绘娟
双曲面搅拌器翼型及安装高程对搅拌性能的影响
采用NX软件建立实体模型,Fluent18.0软件进行三维湍流分析,通过非结构化网格和动坐标系技术,选用标准k-ε湍流计算模型和SIMPLEC算法进行速度-压力耦合求解.在原有双曲面搅拌器翼型的基础上,对桨叶进行水平叠加,并计算了2种翼型下双曲面搅拌器在9 m×9 m×5 m的氧化池内的搅拌流场,对比分析了优化前后双曲面搅拌器桨叶附近流场变化和不同安装高程下特定区域的湍动能变化.双曲面搅拌器的桨叶延伸线为螺旋线,研究计算表明,其桨叶的迎水面作为直接与来流撞击的面,其最优应为螺旋线的凹侧且与转盘呈锐角的斜面,背水面最优为与转盘垂直的垂面,且背水面后增加一斜面可对加速后的水体起到整流作用,使搅拌器径向搅拌范围更大.安装高程为H=1 000 mm时,池内平均流速达到0.710 m/s,较优化前提升0.140 m/s,平均湍动能达到0.088 J /kg,较优化前提升0.043 J /kg,主要区域平均湍动能由0.015 J/kg提升至0.028 J/kg.
2022 Vol. 40 (12): 1254-1260 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 553 )
1261 刘一川,张锐,朱德兰,*,葛茂生,高飞,赵海青,
节能保质的卷盘式喷灌机双喷枪技术
针对卷盘式喷灌机搭载单喷枪灌溉所需工作压力较高的问题,文中提出使用双喷枪组合灌溉,并对双喷枪与单喷枪在不同工作压力下的移动喷洒水量分布开展试验,对比分析2种喷枪在不同轮灌组合间距下的灌水均匀度.结果表明,双、单喷枪工作压力分别为0.10和0.25 MPa时,其喷洒幅宽分别为45.08和45.60 m,2种喷枪以1.5倍喷头车喷洒半径组合轮灌时,组合均匀度分别为81.72%和80.36%,喷洒效果基本相同.运用等效年值法,对2种喷枪的初始投资、能耗费和年运行费进行对比发现,此工况下,双喷枪的初始投资、能耗费和年运行费分别为27.45,77.58和105.04元/ hm2,单喷枪分别为12.95,193.96和206.91元/ hm2,双喷枪初始投资虽略有增加,但能耗费和年运行费较单喷枪分别减小了60.00%和49.23%.因此,使用双喷枪喷洒可在保证喷洒质量的同时,降低工作压力、能耗费和年运行费.
2022 Vol. 40 (12): 1261-1267 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 646 )
1268 黄天寅*,朱甜
微囊藻衰败对沉积物中锑和砷迁移的影响
为了探究铜绿微囊藻对水环境的影响以及对沉积物中砷(As)和锑(Sb)迁移过程的影响,以沉积物/上覆水模拟柱为研究对象,监测不同浓度藻类衰亡过程中环境因素及物质浓度变化,分析藻类对沉积物中As和Sb迁移的影响.结果表明:在铜绿微囊藻活动的影响下,上覆水中溶解氧浓度和氧化还原电位均发生显著降低,为沉积物颗粒溶解提供了有利条件.渗透入沉积物中的铜绿微囊藻适应期间促进了As和Sb的迁移,二者的释放率均于投加藻细胞后第2天达到峰值,此时As在低藻组(LAD)和高藻组(HAD)中的最高释放率出现在沉积物-4 cm处,分别可达2.20和3.67,Sb的释放率在-2 cm处达到最大,分别为1.01和1.21,推测释放主要是由藻细胞在适应过程中对沉积物表面含As和Sb等营养物质的溶解作用导致的;藻类在衰亡阶段导致沉积物环境向还原性转化,此时As释放率再次增大,分别达到0.82和1.58,而Sb因还原性环境下的固化作用,释放率下降至0.13和0.12;HAD组中藻类活动对As和Sb迁移影响程度更大.研究表明沉积物中的藻类活动过程会影响As和Sb的迁移,为富营养化水体中重金属污染的控制提供依据.
2022 Vol. 40 (12): 1268-1274 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 522 )
1275 白芳芳,李 平,乔冬梅,齐学斌,Symbolj@@,郭魏,马灿灿,杜臻杰
地下水埋深和施氮量对冬小麦灌浆及水氮利用影响
探讨地下水埋深和施氮量对华北地区冬小麦灌浆特性和水氮利用效率影响,以百农4199为试验材料,设置地下水埋深(GW2:2 m,GW3:3 m,GW4:4 m)和施氮量(N300:纯氮量300 kg/hm2,N240:纯氮量240 kg/hm2)2个因素,评估地下水埋深和施氮量对冬小麦灌浆特性、产量形成及水氮利用效率等影响.结果表明:小麦千粒质量与快速增长期时间拐点、平均灌浆速率、灌浆持续时间显著正相关;路径分析表明,地下水埋深主要是通过影响小麦单株籽粒质量、穗数、穗粒数来影响产量的,地下水埋深对产量影响的直接标准化路径系数为0.334(P<0.05),施氮量主要是通过影响单株籽粒质量和穗数来间接影响产量;地下水埋深相同时,N240施氮水平氮肥偏生产力NPP和水分利用效率WUE均显著高于N300施氮水平.故建议地下水埋深大于2 m地区小麦高产和农业绿色可持续发展的施氮量为240 kg/hm2.
2022 Vol. 40 (12): 1275-1283 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 532 )
1284 董立霞,谭军利,Symbolj@@,李淼,李存云,王西娜
覆砂下微咸水盐度和SAR对水盐入渗及分布的影响
为探讨覆砂条件下灌溉水盐度及钠吸附比对土壤水分入渗过程及水盐分布的影响规律,通过室内土柱模拟试验,研究了灌溉水盐度(EC为0,1.0,2.5,5.0,7.5 dS/m,SAR为5.8(mmol/L)0.5)和钠吸附比(SAR为 3.9,7.0,12.7,22.7(mmol/L)0.5,EC为2.5 dS/m)对土壤累积湿润锋和入渗量以及水盐分布的影响.结果表明,随灌溉水盐度的增加,累积湿润锋呈增加趋势,而累积入渗量呈减少趋势.与去离子水相比,7.5 dS/m处理的累积湿润锋较蒸馏水增加了7.0%,而土壤平均含水率降低了36.0%.累积湿润锋和入渗量随灌溉水钠吸附比增加先增大后减小,土壤含水率受灌溉水钠吸附比的影响较小.土壤含盐量随灌溉水盐度增加而呈幂函数增加,但与钠吸附比无明显关系.灌溉水的钠吸附比提高了土壤pH值.
2022 Vol. 40 (12): 1284-1289 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 556 )
1290 倪雨欣,张川,闫浩芳,张文程,周俊安,薛润
苏南丘陵地区茶树蒸散发估算模型的适用性评估
根据波文比能量观测系统在2017—2020年间的ETc观测数据,分别对FAO-56作物系数模型(S-kc)与Priestley-Taylor(PT-α)模型进行参数率定及修正,分析了茶树ETc在各生育期内对气象因子的响应特性,并评估了修正后的S-kc与PT-α模型对于苏南丘陵地区茶园的应用效果.研究表明:S-kc模型的作物系数kc在茶树生长初期为0.83、中期为1.19、后期为1.06,PT-α模型系数α年均值为1.09;气温、水汽压差及土壤体积含水率对ETc的影响在0.05的水平下具有统计学意义,且各气象因子对ETc的相关性均表现为在茶树生长中期高度相关,生长后期偏低;以波文比能量观测系统的ETc观测数据作为参照,修正后的S-kc模型高估了茶树ETc,PT-α模型低估了ETc,但PT-α模型的误差(R2=0.91)稍低于S-kc模型(R2=0.88),S-kc模型的模拟效果在茶树快速生长期(MAE=0.72 mm/d,RMSE=0.99 mm/d)和生长中期(MAE=0.36 mm/d,RMSE=0.48 mm/d)较好,PT-α模型的模拟效果在茶树生长后期(MAE=0.35 mm/d,RMSE=0.23 mm/d)较好.该研究明确了苏南丘陵地区茶树各生育期ETc的变化特征和模拟手段,对于苏南丘陵地区茶树实现科学生产具有重要参考价值.
2022 Vol. 40 (12): 1290-1296 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 578 )
泵理论与技术
1233 赵钦,白清俊，聂坤堃,王晗,曾雪梅
基于NSGA-Ⅲ算法与TOPSIS决策下的区域水资源多目标优化配置
为缓解水资源供需紧张，指导区域用水管理，以社会、经济、生态综合发展为目标，供水量与需水量双向约束构建区域水资源优化配置模型.结合该模型特点，引入NSGA-Ⅲ算法对模型进行求解，以寻求Pareto前沿面与最优解集.同时，利用TOPSIS决策理论对众多Pareto可行解进行综合评价，选择权衡解作为最佳折衷方案.将该模型应用于南阳市鸭河口灌区进行验证，对灌区来水频率P=75%时下近期水平年与远期水平年进行水资源优化配置，并进行二次水资源供需平衡分析.结果表明，相对于基本方案，折衷方案在近期水平年余水量增长至11 497.60万m3，可节约水资源3 272.38万m3；远期水平年由缺水4 279.28万m3变为余水3 950.30万m3，可节约水资源8 229.58万m3，节水效果明显，符合鸭河口灌区整体规划与用水需求.
2022 Vol. 40 (12): 1233-1240 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 627 )
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