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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 5期
刊出日期：2011-09-30
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
369 郑 源, 茅媛婷, 周大庆, 张 单
低扬程大流量泵装置马鞍区的流动特性
运用数值模拟与模型试验相结合的方法,采用计算流体动力学软件Fluent,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC方法求解,对轴流泵模型装置20％～130％额定流量工况点的外特性进行了数值模拟,并将计算结果与模型试验结果进行对比.通过对设计工况和小流量马鞍区工况下CFD流态图样的对比分析,对马鞍区的流动特性进行了研究.结果表明:在 50％～65％设计流量区域存在轴流泵的运行不稳定马鞍区;小流量工况下泵室内转轮进出口均存在大范围的回流和旋涡,激烈的能量交换是轴流泵出现不稳定区、装置无法稳定运行的主要原因;数值模拟与模型试验结果吻合较好,整体误差不超过5％,由此证明了数值模拟的有效性和准确性.
2011 Vol. 29 (5): 369-373 [摘要] ( 2675 ) [HTML 1KB] [PDF 500KB] ( 2370 )
374 刘建瑞, 何小可, 刘亮亮, 李 昌, 向宏杰
火电机组脱硫泵的设计及其磨损
根据两相流的理论设计方法对火电机组所用脱硫泵的叶轮直径、叶轮出口宽度、叶片进出口安放角和压水室等几何参数进行优化设计,适当增大叶片出口宽度和涡室排出口直径、并减小叶片出口安放角以减小磨损,提高泵的效率和水力性能.基于Pro／E软件建立泵的三维全流场模型,结合计算流体动力学软件Fluent 6.3,采用欧拉多相流模型对泵内两相流场进行了数值模拟.对两相流场的磨损机理进行了阐述,根据泵的设计工况对流道内固相体积分数分布进行数值计算及分析,同时对过流部件的基本磨损情况和主要磨损部位进行了预测.结果表明:叶轮的主要磨损部位在叶轮进出口处、叶片工作面、叶片前流线和前盖板处;设计的压水室耐磨衬板间隙自动补偿装置的可更换的结构形式能够保证泵的高效运行并延长泵的使用寿命;泵的性能试验结果表明该泵设计合理,额定点效率提高了3.8％.
2011 Vol. 29 (5): 374-378 [摘要] ( 2143 ) [HTML 1KB] [PDF 595KB] ( 1889 )
379 林 超, 侯玉杰, 龚 海, 曾庆龙, 聂 玲
高阶椭圆锥齿轮泵的流量特性
针对齿轮泵的变量功能及非圆锥齿轮的应用,提出了一种新型相交轴变量齿轮泵——高阶椭圆锥齿轮泵.该齿轮泵是以高阶椭圆锥齿轮为工作转子的非圆锥齿轮泵.根据齿轮的空间啮合原理,给出了其工作转子高阶椭圆锥齿轮副的齿形生成方法.基于该种齿轮特殊的运动学特性,分析了高阶椭圆锥齿轮泵的传动特性,并对其工作结构进行了设计.依据球面微分理论,推导出了高阶椭圆锥齿轮泵的平均理论流量公式、瞬时流量公式以及流量脉动公式,同时分析了高阶椭圆锥齿轮的偏心率、阶数等参数对其流量特性的影响.在同等参数模型及工况条件下,将对高阶椭圆锥齿轮泵的平均理论流量、瞬时流量及其变量范围与圆柱齿轮泵和非圆柱齿轮泵的流量特性进行了对比分析,获得了该锥齿轮泵在同等条件下排量最大、变量范围最大的特点.
2011 Vol. 29 (5): 379-385 [摘要] ( 2873 ) [HTML 1KB] [PDF 685KB] ( 2067 )
386 张 睿, 陈红勋, 王小永
吸水口上自由表面旋涡的LES-LBM模拟
 为了实现高雷诺数下自由表面旋涡生成与演化过程的数值模拟,将标准Smagorinsky亚格子应力模型引入到三维单相自由面格子Boltzmann方法中,建立结合大涡模拟的格子Boltzmann方法(LES-LBM).当进口雷诺数分别为5×104和105时,考虑重力和科氏力的作用,采用LES-LBM对长方形水槽底部吸水口上方的自由表面旋涡的生成与演化过程进行数值计算,再现了自由表面旋涡发展过程中的典型流态,并根据其特点将自由表面旋涡的发展过程分为4个典型阶段.对比分析有、无科氏力作用下的高雷诺数流动算例,验证科氏力的作用.对自由表面旋涡发展过程中的B型(染色旋涡和挟物旋涡)和D型(连续吸气旋涡)自由表面旋涡的径向速度、切向速度以及轴向速度沿吸水口半径方向的分布规律进行重点分析.数值计算结果表明:采用结合大涡模拟的单相自由面格子Boltzmann方法,可以有效模拟高雷诺数下的自由表面旋涡生成与演化过程;验证了科氏力在诱导并促进自由表面旋涡发展过程中的作用;计算获得的自由表面旋涡内部流场的各速度分量沿径向的分布规律与试验结果定性一致,且几乎不随进口雷诺数的不同而改变.
2011 Vol. 29 (5): 386-391 [摘要] ( 3431 ) [HTML 1KB] [PDF 709KB] ( 2437 )
392 马新华，李 浩，施卫东，邵 鑫
闭式试验台水泵装置模型试验过渡过程
为研究闭式试验台试验过程中水泵装置模型各参数的变化规律和特征，采用物理模拟试验的方法，在水泵立式试验台上对某泵站模型泵进行性能试验.通过在稳定转速的条件下逐步减小流量，同时采集装置进出口前后即试验台上下游处的平均压力以及水泵运行时其他工况各参数，分析了试验过程中水泵装置模型的进出口前后的压力及其轴功率变化过程，探讨了试验系统在向稳定工况过渡过程中，水泵及系统内部各工况的变化情况.试验结果表明：在整个过渡过程中，水泵进口前的压力波动不大，相对稳定；出口后的压力在初阶段呈上升趋势波动，波动幅度较大，经过一段时间后，也趋于相对稳定；轴功率的变化与出口后的压力波动类似，初始阶段波动较大，但变化明显，随着时间的延续，逐渐趋于稳定；过渡过程持续时间大于90 s.
2011 Vol. 29 (5): 392-396 [摘要] ( 2662 ) [HTML 1KB] [PDF 491KB] ( 1930 )
397 常书平， 王永生
基于三维湍流数值模拟的余热排出泵叶轮优化设计
采用多块网格技术，利用六面体结构化网格和四面体非结构化网格相结合的混合网格离散计算域，采用稳态多参考系方法求解RANS方程，对余热排出泵内部的三维湍流流动进行数值模拟.为了增强数值模型的可靠性，对4种湍流模型的适用性进行了评估，其中剪切应力输运(SST)湍流模型计算值与试验值最接近.通过分析余热排出泵叶轮子午面和叶片通道间的流动，发现由于局部结构设计不合理使叶片进口边靠近前盖板侧有回流且叶片通道内有较大的旋涡和流动分离现象，流动损失较大.在保证导叶与蜗壳结构不变的前提下，通过调整叶轮盖板的曲率形状和修改叶片进口安放角和叶片型线对叶轮进行了优化设计，使叶轮内流场分布得到了有效改善.结果表明：优化后泵的流量和扬程都满足设计要求，且设计工况点的效率提高了约7%.
2011 Vol. 29 (5): 397-400 [摘要] ( 2472 ) [HTML 1KB] [PDF 467KB] ( 1566 )
401 高 波， 杨敏官， 吴承福， 谌志伟
BPX型排水泵内流分析及降噪方案
为了研究泵内流动诱导噪声源分布规律，从内部流动角度，运用计算流体动力学方法对一台典型的BPX型排水泵的内流场进行了数值计算，得到了在不同工况下泵内的速度、压力及涡量场分布特征.计算结果表明：泵过滤室内液流呈低速缓流状，异物过滤装置后盖板附近有环状非对称切向旋涡产生；过流通道面积突变使得叶轮吸入口入流条件较差；出液管内部流动出现明显的流动分离，由贯通流和低速回流区域组成；叶轮流道内部，特别是在叶轮轮毂周边及流道内靠近叶片背面附近，涡量分布密集，在叶尖附近也存在较强的涡量分布，出液管内有涡条带形成.同时，对模型泵进行了空气噪声测试，根据测试结果将泵运行过程划分为启动初期、正常运转期和空排期3个阶段，分析了各阶段的噪声特性，并提出了3种具有代表性的降噪方案，认为开设回流孔方案可行性较大.
2011 Vol. 29 (5): 401-405 [摘要] ( 3132 ) [HTML 1KB] [PDF 675KB] ( 2025 )
406 杨 华， 孙丹丹， 汤方平， 张雪峰
轴流泵非稳定工况下叶轮进口流场试验研究
 [JP2]在小流量工况下，由于轴流泵不稳定工况区(马鞍区)的存在，使其稳定运行的范围大大缩小.详细测量了轴流泵能量性能参数，获得了“双马鞍”形的扬程-流量曲线，采用PIV技术对0.73Qd， 0.55Qd，0.43Qd及0.33Qd流量工况下的叶轮进口轴面流场进行了二维流速测量.结果表明：小流量工况下，在叶轮进口靠近壁面处存在明显回流，回流区域随流量的减小而增大，同时叶轮进口轴面内湍流强度也随着流量减小而增大；相同工况下，轴向流速的湍流强度低于径向流速的湍流强度，靠近叶轮外壳处的湍流强度大于靠近轮毂处的湍流强度；通过流道壁面上的丝线示踪，显示了随着流量的减小，叶轮进口外壁处的流体由轴向流动向周向流动的演化过程.研究结果表明小流量工况下，轴流泵叶轮进口流场不稳定导致水泵效率偏低，为进一步提高水泵性能提供了参考.
2011 Vol. 29 (5): 406-410 [摘要] ( 2193 ) [HTML 1KB] [PDF 624KB] ( 2232 )
泵站工程与给排水
411 唐学林, 王武昌, 王福军, 黎耀军
泵站前池水沙流的数值模拟
针对泵站前池内的水沙流动,基于格子Boltzmann方法和大涡模拟思想,建立了二维浅水LBM-BGK模型和泥沙数学模型的联合计算模式,进行了水沙流的数值模拟研究.介观LBMBGK模型采用了LES的亚格子尺度应力SGS模式模拟二维浅水方程,宏观二维平面泥沙数学模型包括悬沙输运方程、河床变形方程、水流的挟沙力公式等.水流与悬沙之间的求解方法采用非耦合解模式,即先求解出水流运动控制方程,再求解泥沙输运方程,推求前池底部的冲淤变化.最后,成功地模拟了泵站前池水沙流的流速分布、水深变化和旋涡的位置和尺寸,以及泥沙的冲淤变化,流速计算结果与试验结果比较吻合.计算结果表明:此联合计算模式在一定程度上客观地、较好地重演了前池内水流的基本流态以及泥沙的冲淤变化.
2011 Vol. 29 (5): 411-417 [摘要] ( 2328 ) [HTML 1KB] [PDF 656KB] ( 1926 )
418 朱红耕， 戴龙洋， 张仁田， 朱国贤， 吕赛军， 费海蓉
新型竖井贯流泵装置研发与数值分析
在分析不同贯流泵装置的结构特征和常用断流方式技术特点的基础上，针对城市防洪泵站扬程低、年运行时间较短、安全可靠性要求高的特点，设计了一种竖井进水、虹吸出水和真空破坏阀断流的新型竖井贯流泵装置.以盐城市某泵站工程为例，运用计算流体动力学方法，利用RNG  k-ε湍流模型闭合雷诺时均N-S动量方程组，以适应具有较大曲率的虹吸式出水流道内部流动，采用多重参考坐标系方法(MRF)处理叶片动静耦合，采用SIMPLEC算法实现压力与速度的耦合求解，对该新型竖井贯流泵装置的模型进行了数值分析和性能预测.计算结果表明：经初步优化设计的新型贯流泵装置模型，内部流态平顺，在设计扬程为1.15 m、流量为0.326 m3/s的工况下，装置效率达56.0%；在最高扬程为1.95 m、流量为0.296 m3/s的工况下，装置效率达到68.8%.
2011 Vol. 29 (5): 418-422 [摘要] ( 2297 ) [HTML 1KB] [PDF 437KB] ( 2115 )
流体工程
423 李兆军, 杨旭娟, 蔡敢为, 任立昭
水轮发电机组主轴系统的水流激励特性
以混流式水轮发电机组主轴系统为研究对象,应用有限单元法建立包含电磁参数、结构参数和水力参数的混流式水轮发电机组主轴系统全局耦合动力学模型.在此动力学模型基础上,针对水轮发电机组主轴系统转轮处存在横振和扭振的情形,推导通过转轮叶片这一中间传递元件作用在混流式水轮发电机组主轴系统上的水流激励,揭示混流式水轮发电机组主轴系统的振动特性与水流激励之间的内在关系.结果表明:水流激励通过转轮叶片这一中间传递元件作用在主轴系统上,是造成水轮机主轴系统激烈振动的主要原因之一;水流激励不仅与转轮内复杂压力脉动及主轴系统的结构参数有关,而且还与主轴系统的振动特性有关;水流激励和主轴系统的振动相互作用、相互影响,从而使混流式水轮发电机组主轴系统产生流固耦合振动现象.最后通过实例讨论水流激励对混流式水轮发电机组主轴系统动态特性的影响.
2011 Vol. 29 (5): 423-426 [摘要] ( 2744 ) [HTML 1KB] [PDF 423KB] ( 1763 )
427 纪敬虎， 符永宏， 魏 龙，华希俊， 毕勤胜
激光表面织构机械密封润滑特性的试验研究
采用调Q半导体泵浦YAG激光器，利用“单脉冲同点间隔多次”激光加工工艺在密封环端面加工具有环形阵列分布的微凹坑织构. 在机械密封计算机辅助试验装置上，进行了激光表面织构机械密封与普通机械密封的试样的对比摩擦性能试验，研究了激光表面织构技术在不同的密封介质压力和转速等工况下对机械密封的润滑特性的影响. 结果表明：在试验范围内，激光表面织构技术对于改善机械密封润滑特性的作用主要受密封介质压力的影响，转速的影响则相对较小. 与无织构机械密封相比，在较低密封介质压力的条件下（0.2 MPa），激光表面织构机械密封能显著改善润滑特性，摩擦转矩最大可减小60%，转速对摩擦扭矩的影响不大. 在较高密封介质压力的条件下（0.8 MPa），转速对摩擦扭矩的影响起到较大的作用，只有当转速达到一临界值时激光表面织构机械密封才能够起到改善润滑的作用，且作用较小.
2011 Vol. 29 (5): 427-431 [摘要] ( 2736 ) [HTML 1KB] [PDF 513KB] ( 2040 )
432 蒋 斌, 王子云, 付祥钊, 王 勇
气液叉流下受热液膜的热质传递特性
采用VOF两相流模型研究了气液叉流条件下受热液膜热质传递特性,在模型中添加了表面张力源项和气液相间传质源项.为了验证所建立模型的可靠性,采用非接触式红外热成像测温方法,进行了相应的气液叉流试验.对叉流条件下受热液膜热质传递过程进行了试验和模拟计算,结果显示无量纲壁面温度计算结果与试验结果吻合很好.应用所建立的模型,模拟计算并分析了表面张力、固液接触角、液膜流量等因素对液膜流动侧形和热质传递性能的影响,结果表明：在其他参数保持不变的情况下,表面张力从0.014 N／m增大到0.072 N／m的过程中,液膜覆盖面积由82.7％减小到73.2％;固液接触角从30°增大到60°的过程中,液膜覆盖面积由80.6％减小到69.4％;液膜流量越小,液膜厚度越小,越有利于液膜的蒸发;相反,较高的液膜流量会使液膜厚度增大,阻碍了液膜蒸发,从而使外掠过液膜的单位体积空气含湿量减小.
2011 Vol. 29 (5): 432-436 [摘要] ( 1753 ) [HTML 1KB] [PDF 540KB] ( 1768 )
437 陈 斌， 张克危， 施卫东， 吴 钢， 黄学军
深水自吸式潜水曝气机的设计与试验
为了改进自吸式潜水曝气机的深水曝气性能，提高其浸深充氧能力和动力效率，研究了曝气机性能并设计了新的样机.基于潜水曝气机的结构特点及射流原理，在面积比为2.25，4.00， 5.06和6.25时，分别改变喷嘴形状、喉嘴距、喉管长度、工作压力和流量，进行了大量的试验，得出了不同面积比下的流量比与压力比曲线.在此基础上，拟合了最佳性能曲线，归纳了设计方法.根据要求的流量比和最佳性能曲线，可以查出对应的压力比和面积比，确定出合理的潜水泵工况和曝气机的几何尺寸，据此设计了新的样机，并对其进行了试验.结果表明：该样机将自吸潜水曝气机的最大潜水深度提高到10 m，在此水压头下，水气混合均匀，射流有力，7.5 kW的功率，进气量达到122 m3/h，产生的气泡细密、均匀，在水下滞留的时间长.
2011 Vol. 29 (5): 437-440 [摘要] ( 2514 ) [HTML 1KB] [PDF 433KB] ( 1749 )
441 邱白晶, 徐溪超
射流混药装置二维和三维流场对比分析
为了探索射流混药装置的设计方法和试验方法,从数值模拟和试验研究两方面对射流混药内部流场进行了对比分析.建立了射流混药装置的三维模型,且将射流混药装置侧向农药入口等效为环向入口建立了其二维轴对称模型,分别确定了二维轴对称流场和三维流场的数值模拟方案,采用CFD软件Fluent对其流场进行了数值计算,并比较了二维轴对称模型与三维模型完成计算的CPU时间,结果表明二维轴对称模型比三维模型的计算效率高64％.搭建了混药试验台,测量了射流混药装置流动性能参数.试验研究的测量结果与数值模拟方案的计算结果对比确证表明:二维轴对称模型数值计算结果与实测值的最大偏差和平均偏差分别为7.41％和4.14％;三维模型数值计算结果与实测值的最大偏差和平均偏差分别为5.13％和3.41％,这表明确定的射流混药装置二维轴对称模型和三维模型的数值模拟方案均可用于工程计算.
2011 Vol. 29 (5): 441-445 [摘要] ( 2013 ) [HTML 1KB] [PDF 510KB] ( 1875 )
节水灌溉工程
446 吴普特, 朱德兰, 张 林
多孔变径出流管标准化管径设计方法
针对多孔出流同径管存在压强水头偏差大、造价高、流速分布不均匀的问题,通过对多孔出流管进行变径设计,可使每个孔口实际压强水头等于要求的压强水头,从而提高灌水均匀度.以管道成本最小为目标,以管道允许压强水头差为约束条件,利用微分法得到多孔出流管最优管径组合,初步确定管径范围;在此基础上,结合市场上可购买的商用管道,选择几种靠近初选管径的商用管道,进行管道标准化设计,不同管径的多口出流管压强水头坡度线切点处的斜率等于允许水力坡度,允许水力坡度由允许最大压强水头差和地面高差决定,从而确定出不同管径对应的水力坡度线的交点,进而分析出不同管径对应的管长.实例应用表明,利用该设计方法,每个孔口要求的压强水头与实际压强水头接近,由于管径随管道流量的减小而减小,不仅可以使管道内流速分布均匀而且可以降低造价,该方法计算简单方便,可以在Excel表格上完成,计算结果可直接用于多孔出流管的设计中.
2011 Vol. 29 (5): 446-450 [摘要] ( 2073 ) [HTML 1KB] [PDF 416KB] ( 2459 )
451 王新坤， 许 颖， 高世凯， 夏立平
基于多孔毛管的温室热风采暖
通过对基于多孔毛管的温室热风采暖试验系统增温过程的研究，验证了该系统的实际增温效果.以多孔毛管进口温度、进口压力、出风孔径等试验因素，对多孔毛管进行保温围护，测量围护空间内温升数据，对不同试验因素条件下的热风增温过程进行试验分析.采用多项式回归方法对试验数据进行分析和计算，得出了围护空间内温升与毛管进口温度以及进口压力之间的数学关系.试验结果表明：不同毛管进口温度以及进口压力条件下，该热风增温系统可以使围护空间内温度升高4～9 ℃，且温升大小与多孔毛管进口温度和进口压力之间均为正相关关系，相对于进口温度，多孔毛管进口压力为围护空间内温升大小的主要影响因素.利用由多项式回归方法分析和计算得出的数学关系设定毛管进口温度和进口压力的大小，多孔毛管温室热风采暖系统可以满足温室冬季生产的实际增温需求.
2011 Vol. 29 (5): 451-454 [摘要] ( 1957 ) [HTML 1KB] [PDF 410KB] ( 1802 )
455 洪添胜, 冯瑞珏, 李加念， 叶智杰， 卢加纳
单节干电池供电的滴灌控制器的设计与试验
为提高无电力设施果园的滴灌管理效率，设计了一款可用单节干电池供电的滴灌定时自动控制器.控制器主要由MSP430F2132单片机、电源升压电路、人机交互单元、双稳态脉冲电磁阀及其驱动电路组成.在0.9~1.8 V输入电压范围内测试了控制器的静态电流和电磁阀动作时的工作电流，结果表明：静态电流随着输入电压的减小而增大，其范围为20.0~46.6 μA；控制器驱动电磁阀开关动作时所消耗的电流随电压的升高而升高，其范围为200~413 mA，而且电磁阀在开启时所消耗的电流略大于关闭时.分别以单节型号为劲量L91的1.5 V AA电池、2节同型号的电池并联作为电源供电，使控制器每休眠5 s驱动电磁阀开关动作一次，测试了电池的使用寿命，结果表明：能驱动电磁阀的最低电压为0.9 V；单节电池持续供电30 h，共驱动电磁阀开关动作11 160次；两节电池并联可用46 h，共动作16 740次.根据试验结果估算出，一节额定容量为3 000 mA·h的1.5 V电池可使滴灌控制器工作3 a以上.
2011 Vol. 29 (5): 455-460 [摘要] ( 3033 ) [HTML 1KB] [PDF 581KB] ( 2909 )
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编辑出版
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