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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2011年 29卷 1期
刊出日期：2011-01-30
泵理论与技术
流体工程
节水灌溉工程
泵站工程与给排水
   
泵理论与技术
1 王乐勤，刘锦涛，梁成红，焦 磊
水泵水轮机水轮机制动区的流动特性
摘要：为研究水泵水轮机水轮机制动区的不稳定流动特性，根据某抽水蓄能电站建立水力模型，应用计算流体动力学软件FIuent模拟其流动特征．采用SST k-ω，模型和SIMPLEC算法计算水轮机制动工况的内流场和外特性，并结合试验数据进行对比验证．结果表明，水泵水轮机在水轮机制动工况随流量的变化水头变化不大，在力矩为0时的水头最低；导叶开度越大，进入制动区时所需的转速越高，且流量越大，可以通过调节导叶开度防止水泵水轮机进入制动区；导叶工作开度下力矩为0时的流场不存在涡结构，随着流量的减小，在叶片和活动导叶的进口以及固导叶和活动导叶之间出现大量的回流涡，并且呈现出类周期性分布特征；转轮中的回流涡是由于前倾式叶片的倾角较大产生的，导叶中的回流涡是由于流体流动方向与导叶叶片的冲角引起的．以土结论可为水泵水轮机的优化设计提供一定的理论基础．
2011 Vol. 29 (1): 1-5 [摘要] ( 3079 ) [HTML 1KB] [PDF 1044KB] ( 1779 )
6 施卫东，孙新庆，陆伟刚，曹卫东，张 华
矿用潜水电泵性能正交试验
摘 要：以煤矿排水用的BQS20—40—5．5型固液两相流潜水电泵为例，选择对泵性能影响较大的3个因素叶片进口冲角、叶片出口安放角和叶片数，对3个因素分别取3个水平，采用lJ9(34)正交表，得到9种试验方案．在计算流体动力学软件Fluent中采用标准k一占湍流模型和SIMPLE算法，对正交试验中9种方案分别进行单相清水模拟和固液两相流模拟，并对模拟结果进行极差值计算，得到因素与效率指标的直方图．结果表明，叶片出口安放角和叶片数在清水模拟和两相
流模拟的最优方案中取值不同，小固体颗粒在叶轮内集中分布于叶片工作面，并沿工作面向外运动，在叶轮出口处以很小的出口角流出，部分颗粒会在叶片出口处与叶片工作面相撞，加剧叶片磨损．因此在设计固液两相流泵叶轮时，叶片出1：2安放角不易过大．采用两相流理论对BQS20—40—5．5型泵进行优化设计，在设计工况下，泵效率高于国家标准的规定值，叶轮磨损有较大改善，提高了泵运行寿命．
2011 Vol. 29 (1): 6-10 [摘要] ( 2259 ) [HTML 1KB] [PDF 939KB] ( 1671 )
11 杨正军，王福军，刘竹青，张志民
基于CFD的轴流泵空化特性预测
摘   要：基于空泡动力学和汽液两相流理论，应用计算流体动力学(CFD)技术模拟了轴流泵在不同进口压力条件下(包含轴流泵中未发生空化和发生剧烈空化的多种情况)的流场，研究了随 着空化发生、发展速度场及压力场变化过程，并对轴流泵能量特性、空化性能进行了预测。结果表明，在非空化条件下，CFD计算可较准确地预测水泵扬程等能量特性，预测值与试验值相差在2%以内；在空化条件下，CFD计算成功地捕获到了空化发生、发展过程；流场中空化发生直接影响叶轮叶片上的压力分布，进而影响水泵的扬程、轴功率等外特性；在发生空化条件下，导叶背面进水边靠近轮缘位置也会出现空化现象；在叶轮各个通道内空化区域分布相似。轴对称性明显．而导叶体内各个通道的空化区域分布差异大，呈明显的非轴对称分布，该非轴对称性的空化区域也是空化造成轴流泵不稳定运行的一个因素。
2011 Vol. 29 (1): 11-15 [摘要] ( 2574 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 597 )
16 孔繁余，周水清，沈小凯，王文廷，邵 飞
GPS40—9F型屏蔽泵的设计
摘要：为提高屏蔽泵的性能和缩短设计周期，在数值模拟的基础土对GPS40—9F型屏蔽泵的屏蔽电机和泵的水力元件进行了设计．利用ANSYS参数化设计语言APDL编写命令流完成磁场模拟过程，并对屏蔽电机的两个模型所计算得到的磁力线、磁流密度分布进行对比分析．对屏蔽泵的水力部件进行三维建模，运用CFX软件对多个不同工况点下的流场进行模拟，分别采用SIMPLER算法及SIMPLE算法进行迭代运算，对比分析了后处理得到的压力云图．结果表明，模型2的气隙磁通大于模型l，说明屏蔽电机设计成细长型更有利于机电能量转换．在相同模型、相同网格条件下，采用SIMPLER算法的计算效率要高于SIMPLE算法，SIMPLER算法具有更好的收敛效果，并将模拟计算结果与试验数值进行对比，验证了数值模拟计算的可行性和准确性．
2011 Vol. 29 (1): 16-20 [摘要] ( 1960 ) [HTML 1KB] [PDF 950KB] ( 1759 )
21 关红艳，杨逢瑜，王其磊
磁流体密封液下泵结构设计与试验
 为了解决输送核原料的液下泵工作过程中存在无色剧毒氟化氢气体溢出的问题,在此类液下泵的主轴上选取磁流体为密封材料,应用磁流体密封技术,设计了一套采用螺旋齿的磁流体密封结构,并推导出了密封压差设计公式.通过理论分析和试验研究,讨论了液下泵在液体工作环境下的转速、温度、磁流体体积、密封间隙和磁场强度对磁流体密封承压能力的影响.结果表明,设置在液下泵上的磁流体密封结构的承压能力随着转速、温度和密封间隙的增大而下降;随着磁场强度的升高而增大,且密封承压能力试验值最大可达8×105Pa;随着磁流体体积的增大而增大,但是当磁流体体积超过一定的临界值后,磁流体密封的承压能力将不再随着磁流体体积的改变而改变,仅仅保持在某一恒定值.该磁流体密封结构的密封方法将会有效地解决输送核原料的液下泵中害氟化氢气体泄漏的问题.
2011 Vol. 29 (1): 21-25 [摘要] ( 2477 ) [HTML 1KB] [PDF 461KB] ( 1821 )
26 朱荣生，胡自强， 杨爱玲
双叶片泵内非定常流动的数值模拟
为研究双叶片泵内非定常流动特性，采用RNG k-ε模型对由叶轮水体、蜗壳水体及叶轮进口延伸段水体组成的三维计算区域在设计工况下进行了非定常计算.比较了不同时刻泵内静压和相对速度的分布情况，同时分析了双叶片泵内压力脉动的时域图与频谱图以及瞬时扬程的变化.结果表明，在不同时刻同一流道的静压及相对速度分布并不相同，同一时刻不同流道的静压及相对速度分布也不相同，这主要和流道与隔舌的相对位置有关；双叶片泵内存在明显压力脉动，其中隔舌处的压力脉动最为剧烈.随着与隔舌距离增大，压力脉动强度逐渐减弱，压力脉动的主频等于叶轮转频与叶片数的乘积.该模拟对掌握双叶片泵内的流动规律、减少水力损失、提高泵效率提供了一定的理论依据.
2011 Vol. 29 (1): 26-30 [摘要] ( 2127 ) [HTML 1KB] [PDF 977KB] ( 1592 )
31 孙晓锋, 杨志刚, 姜德龙
两种双腔串联压电泵结构设计与性能比较
为研究结构形式对双腔串联压电泵输出性能的影响,根据其工作原理,设计了有导流槽和无导流槽两种结构形式的双腔串联有阀压电泵,并加工制造了试验样机,分别以水和空气为介质进行输出性能比较试验.试验结果表明,在110 V正弦交流电驱动下,有导流槽结构的双腔串联压电泵流量输出性能更好,输出的最大液体和气体流量分别为1 100和650 mL／min,但容易在导流槽内残留气泡;两者压力输出性能整体上比较接近,最大输出压力可达100 kPa;无导流槽的双腔串联压电泵整体自吸性能更好,最大自吸高度为45 cm水柱.
2011 Vol. 29 (1): 31-34 [摘要] ( 2612 ) [HTML 1KB] [PDF 389KB] ( 1845 )
35 何秀华， 毕雨时， 王　健， 禚洪彩
基于ANSYS/Fatigue的泵用压电振子疲劳分析
为预测压电泵驱动部件压电振子的疲劳寿命,建立了双晶片压电振子的有限元模型,并应用ANSYS软件对模型进行静力学分析,得到双晶片压电振子的等效应力图和危险区域最大应力节点.利用ANSYS/Fatigue模块对这些危险点进行疲劳分析,并和其他区域应力集中的点进行比较,得到双晶片压电振子的疲劳耗用系数.利用Miner法则判断压电振子是否满足设计要求,并预测其疲劳寿命.研究了不同基底材料以及结构参数对双晶片压电振子疲劳寿命的影响,并和单晶片压电振子进行了对应比较.结果表明,基底最优材料为Cu,半径变化不影响其疲劳寿命,而厚度变化对疲劳寿命的影响要比电压变化的影响要大,双晶片压电振子的疲劳寿命总要比单晶片的稍长些,这为选择和优化压电振子结构提供了理论依据.
2011 Vol. 29 (1): 35-38 [摘要] ( 2576 ) [HTML 1KB] [PDF 582KB] ( 2047 )
39 刘梅清, 赵文胜, 蒋　劲, 林　琦
轴向流中不同约束条件柔性板稳定性分析
基于板的轴向不可延伸假设,推导了轴向流中柔性板在不同约束条件下的运动偏微分方程及边界条件,柔性板采用两端固支、两端简支和悬臂3种支撑形式.采用伽辽金法离散该运动偏微分方程,采用复模态分析法,通过对物理量作量纲为一的处理,分析了3种约束条件下柔性板的失稳特性,计算了失稳临界速度,分析了振动频率、阻尼随流体速度的变化关系.研究结果表明,柔性板在较低流速作用下,保持稳定状态,在足够大流速作用下,发生屈曲失稳和颤振.两端固支柔性板发生一阶屈曲失稳和二阶、三阶振型颤振;两端简支柔性板发生一阶、二阶屈曲失稳和二阶、三阶振型颤振;悬臂柔性板由于受到流体阻尼作用,不会发生一阶屈曲失稳,发生二阶、三阶振型颤振.
2011 Vol. 29 (1): 39-44 [摘要] ( 2102 ) [HTML 1KB] [PDF 359KB] ( 1603 )
流体工程
45 王　泽， 张　静
有植被突扩明渠水流特性试验
通过水槽试验分别研究在沉水植物水蕨和挺水植物富贵竹两种植被作用下的突扩式明渠水流特性,采用声学多普勒测速仪,测量突扩前后不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算得出时均流速分布,分析其变化特征,探讨突扩明渠中植物对水流内部结构的影响.试验发现:在种植植被前,中垂线上突扩前后流速均呈半对数分布,而种植植被后,水流受两种不同植物的影响而产生不同的变化趋势,有沉水植物的情况流速分布可分为3层,即植被冠层内、植被层之上和过渡层,且过渡层有随流逐渐增大的趋势,有挺水植物情况由于植物不同部位阻水效应的差异,使得流速呈现"3"型分布.位于扩散段回流区内的左垂线流速分布更加复杂,不服从半对数关系.种植植被后,同一垂线不同流量下水流的流速分布有很大变化,并且流速分布的变化率随流量的增大而增大.
2011 Vol. 29 (1): 45-49 [摘要] ( 1904 ) [HTML 1KB] [PDF 559KB] ( 1706 )
50 高建民， 李扬波
低频超声二次雾化喷头声悬浮过程仿真
为研究声悬浮的悬浮机理,以对喷头二次雾化提供理论依据,进行设计指导,采用有限元数值分析的方法,建立了整个声悬浮系统的三维有限元模型;喷头的端面振动频率为28 kHz,振幅为5 μm;在声固耦合有限元理论的基础上,利用显式动力学软件LS-DYNA对其进行了求解;对金属球在悬浮过程中的运动状态进行了分析,得到了金属球质心上下运动随时间的位移、速度、加速度曲线图和金属球绕质心转动的角速度、角加速度图.计算结果表明:当低频超声二次雾化喷头振动时,喷头周围的声场分布很不均匀;喷头振动产生的声场辐射力能够将金属球悬浮起来做上下运动,并且金属球在上下运动的同时还发生了绕质心的旋转;通过仿真计算获得了悬浮球在悬浮过程中的各动力学参数,为喷头的设计提供了参考数据.
2011 Vol. 29 (1): 50-53 [摘要] ( 3561 ) [HTML 1KB] [PDF 668KB] ( 2320 )
54 张宽地, 王光谦, 吕宏兴， 陈俊英, 洪　成
基于改进粒子群算法求解马蹄形断面正常水深
为了解决马蹄形断面正常水深无显函数计算方法的现状,通过对明渠恒定均匀流方程进行数学变换,得到了标准Ⅰ,Ⅱ型马蹄形过水断面正常水深求解的分段非线性约束优化问题.将粒子群算法中的权重函数随着迭代次数和不同粒子与最优粒子之间的距离大小进行调整,用以加速算法的收敛速度和提高粒子的搜索能力,并将调整惯性权重模型的粒子群优化算法运用到马蹄形断面正常水深的求解中.通过实例计算及误差分析表明:分段优化模型在水深特征点连续,且该法能100%收敛到全局最优解,故该方法求解马蹄形断面正常水深适用性强、计算精度高、算法实现简单,为马蹄形过水断面水力计算提供了一条新途径.
2011 Vol. 29 (1): 54-60 [摘要] ( 2127 ) [HTML 1KB] [PDF 451KB] ( 1845 )
泵站工程与给排水
61 仇宝云, 裴　蓓, 申　剑, 冯旭松, 冯晓莉
灯泡贯流泵机组支撑形式比较
为了优化贯流泵机组支撑结构,提高其综合性能,将贯流泵机组支撑划分为主轴系轴承座支撑、灯泡体支撑和泵体支撑3个层次.研究了3种典型贯流泵机组的支撑形式;通过受力分析,计算了主轴变形和疲劳强度安全系数;从泵机组可靠性、安装维修性、总体结构和泵装置水力性能等方面,比较了几种支撑形式.从主轴轴承数量、布置及安装、灯泡体支撑和泵体支撑等方面,提出了灯泡贯流泵机组支撑的设计原则和方法.结果表明:灯泡贯流泵机组支撑形式不但影响可靠稳定性能和安装维修性能,还严重影响系统水力性能.电机转子和水泵叶轮挠度分别为0.19～0.39 mm和0.22～0.62 mm,滑动轴承和滚动轴承油膜厚度分别为0.41～0.53 mm和0.12～0.17 mm;为了保证运行时电机空气间隙和水泵叶片间隙均匀,导轴承座安装高程应考虑转子和叶轮的挠度以及导轴承的油膜厚度.合理布置导轴承,灯泡体采用辐射板支撑,进人孔与灯泡体底部主支撑合用,采用金属管泵段式结构,可以提高灯泡贯流泵机组的可靠性能和水力性能.结果对灯泡贯流泵机组的优化设计具有参考价值
2011 Vol. 29 (1): 61-66 [摘要] ( 1955 ) [HTML 1KB] [PDF 489KB] ( 1586 )
67 陈　坚, 叶渊杰, 陈　抒, 陈光大, 于永海, 王建明
基于不变矩和神经网络的泵机组轴心轨迹自动识别
基于泵机组故障信号处理的需要,介绍了不变矩原理,同时对神经网络建模,包括其样本获取进行了详细讨论;由于泵机组的多种故障与表征其运行状态的轴心轨迹形状有关,根据不变矩的平移、伸缩和旋转不变性特征,对实时检测的轴心摆度信号进行不变矩处理,利用BP型神经网络对其进行模式识别,进而判断出轴心轨迹的形状．为了弥补泵机组用于神经网络训练样本的不足,采用数值模拟与现场测试相结合的方法,将获取的所有样本进行求不变矩处理,并连同样本对应的实际形状作为神经网络的训练样本．网络训练完成后,将其输出结果与轴心轨迹图形进行比较验证．以山西大禹渡泵站水泵机组故障检测及诊断为例,在样本中选取其中的10组数据,比较的结果表明神经网络自动识别的结果准确．该方法为泵机组轴心轨迹自动识别和实现泵机组故障诊断智能化提供了依据．
2011 Vol. 29 (1): 67-71 [摘要] ( 2749 ) [HTML 1KB] [PDF 346KB] ( 1548 )
72 周济人, 成　立, 刘　超, 汤方平
后置灯泡贯流装置灯泡体形式的数值模拟
为了深入研究灯泡体形式对装置流动特性及水力性能的影响,采用RNG k-ε素流模型和SIMPLEC算法,基于多旋转坐标系模型,计算了总长均为10.72D(D为叶轮直径)的传统筒形灯泡体和纺锥细长形灯泡体两种典型形式的后置贯流泵定常流动,获得了整体流场结果.分析了不同灯泡体对泵装置整体流动的影响,灯泡体段设计不当将引起局部脱流和漩涡区,从而影响整体水力性能.分析了两种灯泡体贯流泵装置方案的叶片表面静压分布,显示出两个方案在最优工况、大流量工况和小流量工况下的叶片压力分布相似,这表明出水灯泡体形式不影响叶片工作状态.计算表明,纺锥细长形灯泡体水力损失最小值出现在约1.12QBEP(QBEP为设计点流量)处,而圆筒形灯泡体水力损失最小值出现在约1.06QREP处,且出水灯泡体的水力损失与流量的关系不满足传统管道内水力损失与流量成二次方比例关系的规律,而表现为与泵装置运行工况相关的特性.因此,纺锥细长形灯泡体结构泵装置形式在南水北调东线工程中有一定的应用前景.
2011 Vol. 29 (1): 72-76 [摘要] ( 1934 ) [HTML 1KB] [PDF 793KB] ( 1643 )
77 梁金栋, 陆林广, 刘荣华, 王　刚
中隔墩对大型泵站出水流道水力性能的影响
为了研究中隔墩对大型低扬程泵装置出水流道水力性能的影响,借用某泵站的有关参数,采用三维数值计算的方法,将出水流道从泵装置中分解出来,计算了出水流道内的流态和水力损失:设置中隔墩会使设计流量时的虹吸式和直管式出水流道的水力损失分别增加0.024m和0.033m:采用透明流道模型试验的方法对数值计算的结果进行了验证,模型试验结果与数值计算结果基本一致:根据计算和试验结果研究了中隔墩对虹吸式和直管式出水流道水力性能的影响.研究结果表明:由于水泵导叶出口水流具有环量,出水流道内的流态存在较为明显的偏流现象,流道的水力性能在一定程度上受到中隔墩的影响:中隔墩愈长,出水流道水力性能所受的影响愈大.因此,设置中隔墩无益于出水流道的水力性能.对于大型低扬程泵站,可在满足出水流道结构设计的条件下取消中隔墩或采用较短的中隔墩.
2011 Vol. 29 (1): 77-81 [摘要] ( 2055 ) [HTML 1KB] [PDF 605KB] ( 1380 )
节水灌溉工程
82 王新坤, 许文博, 赵　坤, 李俊红, 许　颖
基于CFD的多孔管热风数值模拟与设计方法
针对目前温室热风采暖效率较低的现状,提出将多孔管应用于温室热风采暖的设计方法.利用Pro/E软件完成多孔管造型,应用Fluent6.2软件并设置三维雷诺平均Navier-Stokes方程、RNG k-ε紊流模型和SIMPLEC算法对多孔管内部流场进行了数值模拟.采用二分法搜索原理、数值传热学理论、流体力学和逆递推法对多孔管热风采暖进行设计计算,并运用VB 6.0软件对其进行编程计算,得到了多孔管滴灌器的流态指数为0.507,性能良好:当设定进、出口压力分别为10,0kPa,进、出口温度分别为300,278K,边界壁面传热系数为0.055时,多孔管各出风孔口温度值几乎不变,压力值沿多孔管产生压降,约为200Pa.设计方法所得结果比数值模拟结果略高,各出风孔口处压力值和温度值的设计曲线和模拟曲线趋势一致,且压力值和温度值的均匀系数均大于0.8,满足多孔管热风流动均匀性的要求.
2011 Vol. 29 (1): 82-86 [摘要] ( 2148 ) [HTML 1KB] [PDF 466KB] ( 1716 )
87 李　刚, 王晓愚, 白　丹
地下滴灌中毛管水力计算的数学模型与试验
为了研究地下滴灌毛管水力特性与水力计算方法,用较短毛管并通过毛管末端泄流的方式,在室内利用地下滴灌毛管水力要素试验测试系统,分别测试了2种滴灌管在轻黏土中毛管上每个滴头的流量和毛管首末两端的压力水头.结果表明:在灌水持续2 min之后,地下滴灌毛管上各滴头流量均趋于恒定值;在稳定的压力水头差下,滴头流量沿程依次减少.根据毛管沿程压力变化规律,结合考虑土壤质地、土壤体积质量和初始含水率的地下滴灌滴头流量计算公式,提出了毛管水力计算数学模型.利用该模型计算的滴头流量值与其实测值之间的相对误差在1.0％左右;并计算出考虑毛管局部水头损失的加大系数约为1.20.将该模型推广应用于一般情况下的地下滴灌毛管水力计算,可求解均匀坡、均质土、均匀管径与滴头等间距时的地下滴灌毛管水力特征值.
2011 Vol. 29 (1): 87-92 [摘要] ( 2584 ) [HTML 1KB] [PDF 485KB] ( 1837 )
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