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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 4期
刊出日期：2011-07-30
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
277 邴浩， 曹树良， 谭磊
混流泵叶轮设计正反问题迭代方法
基于两类相对流面流动理论,通过迭代计算求解流体的连续方程与运动方程,得到混流泵叶轮内的轴面流场,实现了正问题计算.基于轴面速度分布规律,采用逐点积分法完成叶片骨线绘型,并在轴面内进行叶片加厚,在保角变换平面内对叶片头部和尾部进行修圆,完成了反问题设计.以此为基础,将正问题与反问题相结合,提出了混流泵叶轮正反问题迭代设计方法.在该设计方法中,正问题计算为反问题设计提供流场信息,反问题设计则为正问题计算提供叶轮模型,正反问题反复迭代直到收敛,最终完成叶轮的设计.结果表明：根据正反问题迭代方法设计得到的叶轮载荷分布均匀,水力效率高.该方法弥补了传统方法设计叶片时轴面流动计算仅满足流体连续方程的缺陷,同时考虑了叶片形状对轴面流动计算的影响,最终设计得到的叶片型线同时满足流体连续方程和运动方程,该方法提高了叶轮设计计算的精度,为进一步开展混流泵叶轮的优化设计研究提供了重要的平台.
2011 Vol. 29 (4): 277-281 [摘要] ( 2699 ) [HTML 1KB] [PDF 592KB] ( 2271 )
282 袁寿其， 黄萍， 骆寅， 梁赟， 付燕霞
基于小波包分解的离心泵关死点流动状态
为研究离心泵关死工况点时内部复杂流动产生的压力脉动对离心泵多工况设计的影响,基于虚拟仪器技术,应用LabView进行数据采集,利用小波包对离心泵压力信号进行分解,建立了不同频率范围的特征信号,并进行试验验证.分析结果表明：离心泵关死点时压力脉动呈现不规则变化,没有明显的周期性,低于1倍叶片通过频率的低频脉动占据主导地位,轴频处的幅值随着流量的减小先增大后减小;离心泵流量减小至关死点工况时,叶轮内部出现回流,低频段的小波包重构系数变化明显,可见回流对低频段产生了较大影响;离心泵关死点工况轴频处的振幅和强度明显增强;离心泵关死点进口回流为辫状回流.试验结果表明：与傅里叶方法比较,基于小波包分解可识别不同频率对应的不稳定流动,提高离心泵关死点内部流动诊断的分辨性.
2011 Vol. 29 (4): 282-286 [摘要] ( 2464 ) [HTML 1KB] [PDF 562KB] ( 1620 )
287 杨军虎， 王晓晖
叶片形状对能量回收水力透平性能的影响
以3台能量回收水力透平为研究对象,在透平轮基本几何参数（高压边直径、低压边直径、叶片进口宽度、叶片出口安放角及叶片数）和设计转速相同的情况下,根据不同的叶片进口角及包角设计了3种不同叶型,并应用计算流体动力学软件Fluent对其流场进行数值模拟.模拟结果表明：在最优工况下,叶型1透平轮流道内漩涡区域较小,相对速度和静压分布比叶型2和3透平轮均匀,叶型3的相对速度和静压分布最差,叶型1水力透平的最高效率比叶型2和3分别高约1%,2%;3种叶型水力透平的可回收水头和效率在流量小于设计流量时有H2〉H3〉H1,η1〉η2〉η3,大于设计流量时有H2〉H1〉H3,η3〉η2〉η1;在透平轮其他基本尺寸不变的情况下,存在最优的叶片进口角及包角组合;透平轮靠近叶片进口处压力面附近有轴向漩涡存在;相同流量下,叶型3透平轮可回收水头低;当流量大于设计流量时,包角越大,透平轮效率下降越明显.
2011 Vol. 29 (4): 287-291 [摘要] ( 2072 ) [HTML 1KB] [PDF 668KB] ( 1861 )
292 何秀华，邓许连， 毕雨时，王健， 禚洪彩
压电无阀微混合器的数值模拟
设计了一种压电无阀微混合器,对微混合器的结构和工作原理进行了说明和分析,并对其进行了数值模拟.利用ANSYS软件对微混合器的驱动部件圆形复合压电振子进行了瞬态动力学分析,研究了压电振子中心平面上各点在正弦交变电压驱动下的振动位移随各点半径、驱动电压的变化规律,发现各点位移呈正弦变化规律,各点振幅随半径的增大而减小,随驱动电压的增大而增大.根据压电振子各点位移变化规律拟合得到了压电振子运动位移方程,并根据位移方程编写了UDF程序,经编译后将UDF程序调入到Fluent软件中,以此作为设定压电振子的运动边界条件,采用动网格模型对微混合器进行了动态数值模拟,得到了压电无阀微混合器的流量及微混合器不同时刻的微混合器腔内的混合情况.结果表明：设计的压电无阀微混合器不仅能实现流体泵送,也可以在较短的时间内实现流体间的均匀混合.
2011 Vol. 29 (4): 292-296 [摘要] ( 2029 ) [HTML 1KB] [PDF 532KB] ( 1787 )
297 张涛, 陈次昌, 吕东莉, 李丹
含沙水流中空化促进磨损破坏机理
在对翼型试件进行空蚀、磨损及联合作用破坏研究的基础上,结合空化流场的测试及处理,研究含沙水流中水力机械过流表面空化行为促进磨损破坏的机理.对翼型表面不同位置空蚀、磨损及联合作用破坏微观形貌进行对比分析,得到了3种试验条件下微观形貌的破坏模式,确定了造成破坏模式的流场作用因素.对空化场图像进行了分析和处理,获得了翼型表面空化行为变化规律及特征.结合翼型表面破坏方式和空化场的分析,提出了在空化过程的空穴结构生长和空泡云溃灭两个阶段中,空化行为促进泥沙颗粒磨损破坏翼型试件的不同机理.在空穴结构生长阶段中,空穴结构推动颗粒加速;而在空泡云溃灭阶段,压力波或微射流则显著增大泥沙颗粒的运动速度.在两个阶段各自对颗粒速度的影响增大了联合作用的破坏能力.对翼型表面磨损及联合作用时破坏深度测量的试验结果验证了该观点.
2011 Vol. 29 (4): 297-302 [摘要] ( 2912 ) [HTML 1KB] [PDF 554KB] ( 2148 )
303 柴立平，潘兵辉， 石海峡， 江伟， 曹敏红
高速部分流泵整机非定常流动数值模拟
为研究高速部分流泵内部由于叶轮和蜗壳之间动静干涉作用引起的压力脉动的机理,采用计算流体动力学软件Fluent中的滑移网格技术,对该泵在3种工况下（0.5Q0,1.0Q0,1.5Q0）的整机进行非定常数值模拟,捕捉到3个不同时刻不同流量下的蜗壳区中间截面的静压分布图,并对蜗壳内壁面设置的9个监测点速度以及静压进行快速傅里叶变换,得到压力脉动的时域和频域图.模拟结果表明：在相同流量下,各流道内的静压随着时间改变不大;在同一时刻,随着流量的增大静压变大;压力脉动呈周期性变化,且随着流量的增大,幅值也增大;在0.5Q0的工况时,监测点4的幅值最大且振动最为剧烈;在设计工况和大流量时,监测点5的压力幅值最大,且各个监测点频域幅值随流量的增大而逐渐增大,这表明流量对高速部分流泵的振动有极大的影响,且喷嘴区域的振动最为严重.
2011 Vol. 29 (4): 303-306 [摘要] ( 2158 ) [HTML 1KB] [PDF 633KB] ( 1874 )
307 杨栗晶， 安源， 王幼青， 韩凤琴， 久保田乔
反转双涡轮机械非定常流动与干涉控制
为了大幅度提高水力机械的动力性能及运行稳定性,开发研制了反转双涡轮灯泡贯流式水轮机组.水轮机的前后涡轮均采用可动翼型,依新提出的翼型公平负荷设计方法,寻求两涡轮间欧拉能量需求及交换的合理化,在严密取得欧拉能量均衡之下设计两涡轮由轮毂至轮缘的翼型形状;接着通过非定常流动数值解析探讨双涡轮水轮机的欧拉能量平衡程度及干涉控制效果.研究结果表明：流量相等、落差相同、几何尺寸与单涡轮相同时,前后涡轮出力相加动力输出增为2倍.分析了两涡轮间、后涡轮出口与尾水管入口间的非定常流动干涉现象,得到了如下的结论：新开发的双涡轮间流动干涉程度非常小,协联工况时水力脉动只为各落差的2%程度左右,未见压力突变的发生,亦可以说干涉程度得到了成功的控制;反转两涡轮之间的动力矩相平衡,因此稳定性好.
2011 Vol. 29 (4): 307-311 [摘要] ( 2029 ) [HTML 1KB] [PDF 553KB] ( 1337 )
312 周岭， 施卫东， 陆伟刚， 许荣军， 王川
井用潜水泵导叶的正交试验与优化设计
为提高井用潜水泵的性能,采用正交试验的方法,按照L9（34）正交表,选取流道式导叶的叶片包角、叶片进口安放角、过渡段包角等4个因素,每个因素取3个水平,设计出9个导叶.采用变角对数螺线设计导叶叶片型线,并分别将9个导叶与同一个叶轮装配.通过Fluent提供的标准k-ε湍流模型、SIMPLEC算法、二阶迎风方程,对包含叶轮、导叶在内的两级井用潜水泵进行了全流场数值计算,从而获得了9组设计方案在额定工况下的效率、扬程.通过正交试验法分析了各几何参数对效率、扬程的影响规律,利用极差分析找到了影响流道式导叶性能的主要因素和次要因素,并提出了性能较优的模型泵设计方案.导叶叶片包角与叶片进口安放角对井用潜水泵的效率、扬程影响较大.样机试验结果表明：较优方案在额定工况下的泵效率为67.51%,单级扬程为13.84 m,其扬程与效率均超过国内同类产品及国家标准.
2011 Vol. 29 (4): 312-315 [摘要] ( 2512 ) [HTML 1KB] [PDF 455KB] ( 1718 )
泵站工程与给排水
316 杨帆， 刘超， 汤方平， 周济人
灌排双向立式泵装置内部水流压力脉动特性
通过物理模型试验方法研究灌排双向立式轴流泵装置内部压力脉动特性.在进水流道前端、导叶体出口和出水流道后端壁面上布置3个压力脉动测点.在额定转速为1 450 r/min时,对5个不同叶片安放角度下能量试验的压力脉动、叶片安放角为-4°时不同特征工况点空化试验的压力脉动,以及3种不同转速的压力脉动等进行了测试和分析.测试结果表明：进水流道前端、出水流道后端和导叶体出口处的最大压力脉动相对幅值分别为0.22,1.10和1.20.在不同叶片安放角度时,进水流道前端和出水流道后端的压力脉动相对幅值随流量的增大而增大;而导叶体出口处的压力脉动相对幅值随流量的增大,先减小后增大,其最小值出现在最优工况点对应的区域.在空化试验情况下,当泵装置进口压力降低至某一值后,导叶体出口处的压力脉动相对幅值开始增大.不同转速时,各测点的压力脉动相对幅值随扬程的变化趋势相同.在相同扬程时,进水流道前端和出水流道后端的压力脉动相对幅值随转速的增大而增大,然而未发现导叶体出口处的压力脉动相对幅值与转速的变化有明显的规律.
2011 Vol. 29 (4): 316-321 [摘要] ( 2155 ) [HTML 1KB] [PDF 672KB] ( 1662 )
322 仇宝云， 冯晓莉， 朱庆元， 何钟宁， 葛强
大型泵站能量特性现场测试研究
为了直接获得大型泵站运行参数,对大型泵站能量性能进行了现场测试和分析.采用五孔探针和声学多普勒流速剖面仪（ADCP）测定水泵流量,根据泵站设置的仪表读取相关数据,计算得到泵装置扬程、电动机输入功率和泵装置效率;分析流量与效率测定的精度,检验原型与模型水泵效率和泵装置效率换算方法.试验泵站五孔探针测流断面选在水泵基坑以上、叶轮前的断面.结果表明：五孔探针法测定泵装置过流断面流速分布重复性好,能够反映断面实际轴向流速分布规律,流量和效率测试精度可以控制在2.0%以内,能够满足大型泵站现场测试的要求.泵装置扬程为1.73 m时,水泵流量与泵装置效率分别为11.837 8 m3/s,55.998%,达到了设计要求.由于尺寸效应,原型水泵和泵装置效率明显高于模型效率.采用相关公式,可以根据模型效率较为准确地预测原型水泵效率和泵装置效率
2011 Vol. 29 (4): 322-327 [摘要] ( 2260 ) [HTML 1KB] [PDF 449KB] ( 1741 )
流体工程
328 李志峰， 武鹏， 吴大转， 戴维平， 王乐勤
孔板流量计瞬时孔流系数的数值预测
为了研究孔板流量计在测量流量快速变化时的特性,以孔板流量计瞬时孔流系数C为研究对象,采用计算流体动力学（CFD）方法,基于Realizable分离涡模拟（DES）描述瞬时湍流流动,模拟研究了流量直线加速过程瞬时C和内流场随时间的演变结果.为了对比分析,将加速过程离散为不同流量下的稳态点,采用Realizable k-ε模拟各个稳态点的孔流系数和流场结构.稳态孔流系数C0的模拟结果与ISO试验回归曲线相比,误差在3%以内.将加速过程和稳态假设下模拟的孔流系数结果进行对比,结果表明：加速过程瞬时C从0逐渐增加至稳定值,而稳态C0基本保持在0.6附近.进一步将孔流系数与内流场和压力场分布的演化结合起来分析,得出以下结论：加速流动的漩涡滞后于稳定状态,加速前期压能没有在短距离内全部转换为动能,是导致C与C0产生偏差的内流原因.研究内容可为瞬时流量的测量提供参考基础.
2011 Vol. 29 (4): 328-332 [摘要] ( 2091 ) [HTML 1KB] [PDF 721KB] ( 2139 )
333 刘竹青， 毕慧丽， 王福军
空气阀在有压输水管路中的水锤防护作用
以输水管径为2.2 m的某长距离泵站输水系统作为研究对象,运用水锤理论及特征线方法,对泵站输水系统进行泵机组事故断电工况下的过渡过程计算,发现管路节点上存在较大负压,其中最大负压水头为-5.9 m.在管线上布置空气阀对负压进行控制,根据工程上空气阀的布置原则,在管线上安装18个空气阀,分别计算在空气阀流入流量系数依次为0.95,0.75和0.62,流出流量系数依次为0.65,0.45和0.62,以及孔口面积分别为0.018,0.071和0.196 m2下的水力过渡过程,得出在管线上安装空气阀的情况下,最大负压水头已控制在-1 m以内,比较分析空气阀的流入流出流量系数、孔口面积对水锤防护的差异,得出在3种空气阀流量系数下最大负压水头依次为-0.69,-0.70和0.71 m;3种孔口面积下最大负压水头依次为-0.88,-0.69和-0.67 m.对于输水管径为2.2 m的泵站输水系统,采用空气阀流入流量系数为0.95、流出流量系数为0.65,空气阀孔口面积为0.196 m2时,可对管路中的负压进行很好的控制.
2011 Vol. 29 (4): 333-337 [摘要] ( 2284 ) [HTML 1KB] [PDF 562KB] ( 1615 )
338 王贞涛， 张星， 黄继伟， 黄俏梅
机翼形堰绕流流场的PIV测量
为了研究机翼形溢流堰流动特性并探讨其水力特性,利用粒子图像速度场仪（PIV）在水槽中测量了相对水头高度（H0/P）分别为1.05,1.25,1.37,1.48,1.54时堰高与堰长比（P/C）为0.30的某机翼形堰的绕流流场,获得了5种雷诺数（Re）下对应流场的速度矢量、流线和涡量图.试验结果表明：在不同相对水头高度或来流速度下,机翼形堰具有相同的溢流流动特性,其速度、涡量分布规律基本相同,流线近似平行,流动平稳,无明显的漩涡出现,其绕流流动类似＂贴体＂流动,试验中堰顶处主流最大速度为0.36 m/s,上游堰踵和下游堰趾处速度较主流速度小得多,其值大小为0.05 m/s,速度的降低有效减少了水流对堰面的冲刷.堰顶处涡量最大为19.12 m2/s,加快了堰顶水流能量的耗散;上游堰踵和下游堰趾涡量几乎为0,避免了堰踵与堰趾出现危害性负压.
2011 Vol. 29 (4): 338-342 [摘要] ( 2468 ) [HTML 1KB] [PDF 558KB] ( 1699 )
343 王锐， 孙西欢，李永业
管道车在不同雷诺数条件下的输送特性
针对传统运输工具存在的能源危机问题,提出了筒装料管道水力输送技术,设计了一套旨在研究管道车输送特性的智能试验系统.通过对管道车进行动力学分析,划分了管道车的运动阶段,揭示了管道车运动的主要动力来源.采用理论分析与模型试验相结合的方法,探讨了管道车在不同雷诺数条件下的输送特性.试验结果表明：随着雷诺数的增大,管道车的运行速度、环状缝隙流速以及管内水流速度都增大,但增大的幅度不同,即环状缝隙流速的增幅最小,管内水流速度次之,管道车速度的增幅最大.当管道车运行速度、环状缝隙流速以及管内水流速度三者相等时,管道车的运行是最平稳的.此外,随着雷诺数的增大,管道车的输送量呈现先增大后减小的趋势,雷诺数范围在160 000～210 000时,输送量最大.最后,根据质量守恒定律建立了管道车在不同雷诺数条件下运动的数学模型,并与试验结果进行了对比分析,其最大相对误差不超过9%.
2011 Vol. 29 (4): 343-346 [摘要] ( 1906 ) [HTML 1KB] [PDF 490KB] ( 2181 )
347 何文博， 王元， 龚霄雁， 金文
方截面直微通道内低雷诺数流动分析
为了研究植物水分通道导管内流等雷诺数小于1的微通道内流流场特性,采用Micro-PIV试验测量技术和Fluent软件,通过设置合适的多孔介质区域厚度与动量源项,建立多孔介质模型模拟壁面粗糙元影响的数值模拟方法,在雷诺数分别为0.15,0.25和0.35时,对断面尺寸为400μm×400μm的方截面直微通道内流流场进行研究,并将试验与数值模拟结果与直接对控制方程解析求解所得的解析解进行比较.结果表明：微尺度通道往往具有壁面相对粗糙度高的特性,该特性对通道内流场分布造成的影响,在雷诺数很低的情况下,仍然不可忽视.解析解是针对常规尺度通道推出的,未考虑微通道较高的相对粗糙度对流场的影响,虽然其流场速度廓线的变化趋势与试验值相近,但其值在距离流道中心小于0.04 mm的主流区小于试验值,而在距离流道中心大于0.04 mm的近壁区大于试验值.采用多孔介质模拟壁面粗糙元则可以有效地实现对方截面直微通道低雷诺数内流的模拟,试验值所得数据点与模拟值所成曲线重合.
2011 Vol. 29 (4): 347-351 [摘要] ( 3123 ) [HTML 1KB] [PDF 569KB] ( 3299 )
节水灌溉工程
352 张琴， 汪雄海， 朱庆建
基于联合时序的混沌时用水量短期预测调度
针对给水优化调度的时用水量高精度短期预测难题,提出一种基于横向分时段和纵向残差修正的联合时序短期混沌预测方法.经模式识别获得关联度高的横向时序为研究样本,重构横向分时段相空间并分析典型时段流量数据的混沌特性,建立混沌预测模型,以在线最小二乘支持向量机作为混沌预测工具得出各时段用水流量;为了能动态跟踪用水突变,实时采集纵向数据序列做残差计算,进而用灰色模型进行残差预测修正以提高预测精度.依据杭州市萧山某大用户时用水量实例,对一段时间的正常用水和突变用水做连续24 h短期混沌预测,在不同方法下的时用水量预测精度作深入对比研究.仿真结果表明:该预测方法对这一类混沌时序短期预测具有良好的计算精度,能很好反映各典型用水日的特点和实时用水变化情况,预测效果明显优于其他预测方法,更易满足供水优化调度的需求.
2011 Vol. 29 (4): 352-358 [摘要] ( 1821 ) [HTML 1KB] [PDF 600KB] ( 1929 )
359 严海军， 初晓一
喉管直径对文丘里施肥器性能影响的数值模拟
基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,利用Fluent软件对文丘里施肥器的内部流动进行了数值模拟,并对数值计算方法的正确性进行了验证.模拟分析了喉管进口直径为4,5,6 mm,以及出口直径与进口直径之比λ为1.0,1.1,1.2,1.3和1.4时15种结构方案的吸肥性能.结果表明:喉管直径对喉管及扩散段内流动特性、吸肥性能和效率均有一定影响,但出口直径与进口直径之比λ对文丘里施肥器性能的影响要明显甚于喉管进口直径.根据效率最高原则,喉管直径比应为1.2～1.3.建立了λ=1.2或1.3时文丘里施肥器吸肥效率与流量比之间的回归模型,并应用回归模型预测了吸肥效率最大值.喉管进口直径4 mm的文丘里施肥器当直径比为1.3时吸肥效率可达到15.5%,与直径比为1.0相比,前者的扩散段内部流动平顺、无漩涡出现,且相同横截面的平均湍动能值要小.该研究结果为文丘里施肥器的优化设计提供了一定的理论参考.
2011 Vol. 29 (4): 359-363 [摘要] ( 2465 ) [HTML 1KB] [PDF 509KB] ( 2040 )
364 王新忠， 顾开新， 刘飞
基于无线传感器网络的丘陵果园灌溉控制系统
为解决目前丘陵地区果树灌溉技术中存在的过度灌溉、浪费水资源等问题,以实现丘陵果园节水灌溉,结合无线传感器网络技术,设计开发了一种基于无线传感器网络的丘陵果园灌溉控制系统.系统以ATmega128L单片机为控制核心,由上位机、汇聚节点、无线传感器节点、土壤水分传感器和电磁阀等组成,其中土壤水分传感器和电磁阀连接到无线传感器节点上,汇聚节点与传感器节点之间数据采用无线方式进行传输,汇聚节点通过RS-232串口线与上位机相连.系统能实时监测葡萄土壤含水率的变化,根据土壤含水率来判断葡萄是否缺水,并发出灌溉指令实施对葡萄精确灌溉,系统实现了葡萄园灌溉的自动化控制.通过试验,选定25 cm深度的土壤含水率为灌溉启动监测量,启动灌溉的监测阈值设定为26.8%;选定50 cm深度的土壤含水率为灌溉停止监测量,系统停止灌溉的监测阈值为45.5%.试验表明:系统可以达到精确灌溉要求,结合葡萄的生存阈值可以实现节水灌溉.
2011 Vol. 29 (4): 364-368 [摘要] ( 2387 ) [HTML 1KB] [PDF 445KB] ( 1781 )
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