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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2013年 31卷 6期
刊出日期：2013-06-25
泵理论与技术
水利水电工程
流体工程
农业水土工程
   
泵理论与技术
461 钱忠东, 王凡, 王志远, 周皖
可调导叶式轴流泵马鞍区水力特性试验研究
为了分析不同导叶安放角对轴流泵在马鞍区工况运行时的影响,探究导叶角度的优化规律,在水泵模型试验台上,对一种新型可调导叶式轴流泵的外特性进行测试,得到不同导叶安放角下H-Q、η-Q、P-Q曲线,分析了导叶安放角对轴流泵马鞍区水力特性的影响．试验结果表明:相同流量工况下轴流泵的扬程和效率随着导叶安放角由0°向-5°调节而增大,调节导叶安放角,能够有效抑制叶片背面脱流旋涡的扩散,显著改善轴流泵出口的流态,提高动能回收的比例;在马鞍区工况下,扬程最大提升015 m,为设计扬程的469％,效率最大提升193％;马鞍区起始点流量向小流量偏移了0004 94 m3/s,马鞍区范围减小了664％,拓宽了轴流泵稳定运行的区域;导叶安放角在-5°～0°的调整过程中,轴流泵的轴功率没有明显变化;在本次试验条件下,导叶安放角为-5°时马鞍区水力特性改善效果最明显,但仍有进一步提升的空间．
2013 Vol. 31 (6): 461-465 [摘要] ( 2354 ) [HTML 1KB] [PDF 1315KB] ( 1791 )
466 欧鸣雄, 施卫东, 田飞, 张德胜, 卢熙宁
弯管进口对混流泵径向载荷影响的数值分析
为研究弯管进口对混流叶轮动态性能的影响,在Fluent 63平台上,采用压力-速度修正的SIMPLEC方法求解时均化的Navier-Stokes方程,同时计算采用修正的RNG k-ε湍流模型,对于安装在弯管后3倍管径处及直管段的混流泵性能和径向力特性进行分析．通过定常流场分析,对叶轮进口前轴向速度分布进行对比．结果表明:采用弯管进口的叶轮进口流道在转弯平面内的轴向流速分布差异明显,而弯管与直管进口情况下的混流泵水力性能基本一致,并与试验结果的趋势相吻合．设计工况下的非定常分析表明,直管进口的混流泵叶轮径向力定常分量几乎为零,而采用弯管进口的混流泵叶轮径向力定常载荷显著增大,尤其是叶频段的非定常分量增大明显,而由动静干扰引起的非定常分量基本不变．
2013 Vol. 31 (6): 466-470 [摘要] ( 1832 ) [HTML 1KB] [PDF 1981KB] ( 1565 )
471 李述林, 肖若富, 王文平, 潘潇, 陶然
某型加油泵性能优化
针对由冲压涡轮和离心式加油泵共同组成的某型航空加油动力系统,在保持RAT不变的前提下,利用水力设计技术优化加油泵的性能,提高系统动力输出．采用CFD方法对原加油泵叶片进行优化设计,得到优化后的叶轮模型,并进行全流道三维数值模拟,经过反复迭代得到最终优化设计方案;根据优化设计结果生产试件,并进行试验验证．加油泵叶片优化前后的试验和模拟结果对比表明,经过理论设计—仿真计算—理论设计循环优化后的产品,其性能明显优于原型产品;通过内部流动分析发现,优化后的叶轮流道内横向旋涡尺度明显变小,旋涡强度减弱;优化后加油泵较原型泵模型效率增加8％,增压能力提高10％．研究结果增加了系统运行的可靠性,解决了系统匹配的问题,为航空燃油泵的优化设计提供了参考．
2013 Vol. 31 (6): 471-474 [摘要] ( 2061 ) [HTML 1KB] [PDF 2901KB] ( 1564 )
475 刘建瑞, 高振军, 郭晨旭, 何小可, 文海罡
50IB-32型离心泵汽蚀性能的数值模拟与试验
为研究离心泵汽蚀时其内部流动规律,基于Rayleigh-Plesset汽蚀模型和RNG k-ε湍流模型,对50IB-32型模型泵设计工况下汽蚀性能进行全流场数值计算．选择汽蚀发生点、临界汽蚀点以及汽蚀严重点3个工况比较分析叶轮内汽蚀的发展情况．数值计算获得了叶片工作面静压、叶片背面静压以及不同汽蚀余量下叶片背面气泡相体积分布图．计算结果表明：气泡最先出现在叶片背面进口低压区,随着进口压力的降低,气泡开始由进口处向流道内扩展,气泡相在叶片上的分布逐渐增大,在临界汽蚀点时,气泡分布已经扩散到流道内．随着汽蚀程度进一步加剧,气泡相分布向出口方向扩展,严重时气泡充满流道,干扰和破坏叶轮内液体的能量交换,引起汽蚀性能曲线下降．离心泵汽蚀试验结果与数值计算结果相吻合,验证了数值计算的可靠性.
2013 Vol. 31 (6): 475-478 [摘要] ( 1924 ) [HTML 1KB] [PDF 1778KB] ( 1756 )
479 张永学, 陈龙, 周鑫, 江翠伟, 苏敏
高效率离心泵水力设计及BVF诊断
引入边界涡量流(BVF)理论对叶片进行诊断,探究叶片表面BVF分布与水力性能的关系,为将来改进设计提供诊断依据．选用IS150-125-250型离心泵(参考离心泵)基本参数,基于速度系数法和二元理论自编程序，设计出新的离心泵叶轮．与参考叶轮相比,新设计的叶轮进口端空间弯扭特征明显．采用RANS控制方程组和标准k-ε湍流模型对设计离心泵和参考离心泵全流道内流场进行数值模拟,对比分析两者含设计工况点在内的13个工况点的水力性能．同时根据设计离心泵和参考离心泵叶轮内流场计算结果,基于BVF诊断方法,对两叶轮叶片压力面和吸力面BVF分布进行对比分析.结果表明：相比参考离心泵,设计离心泵在小流量工况下扬程和效率较高,最高效率可提高53％．参考离心泵叶片表面BVF峰值较大,而设计离心泵叶片表面BVF分布更均匀,变化也更平坦,说明设计离心泵叶轮能更有效地抑制流动分离等不良流动的发生,改善了离心泵的水力性能．
2013 Vol. 31 (6): 479-483 [摘要] ( 2265 ) [HTML 1KB] [PDF 3851KB] ( 2085 )
484 朱荣生, 习毅, 袁寿其, 付强, 龙云
气液两相条件下核主泵导叶出口边安放位置
为了研究气液两相条件下,不同导叶出口边安放位置对核主泵内部压力脉动、含气率脉动的影响,并最终找出最佳的导叶出口边安放位置,采用三维数值模拟软件CFX模拟泵内部的瞬态流场,在泵壳内壁面和出口不同位置设置监测点,以了解各模型内部不同时刻、不同位置的压力、含气率分布．对比不同模型相同点的压力脉动、含气率脉动的时域、频域图可以发现:导叶出口边在泵壳中心平面(C-C平面)时,泵壳壁面上各点所受压力较小且较平稳,即压力脉动引起的振动、噪声较小,从安全性方面考虑,此时导叶出口边安放位置最佳;泵壳壁面上的压力脉动主要受叶轮的转动影响；除了类似隔舌处外,叶轮的转动对泵壳壁面和出口含气率脉动的影响不大,沿着液体绕流方向泵壳内壁面上的含气率逐渐增大,到出口达到最大．
2013 Vol. 31 (6): 484-489 [摘要] ( 1812 ) [HTML 1KB] [PDF 2175KB] ( 1685 )
490 夏林, 刘德有, 王丰, 焦诗元, 罗成春
考虑气象条件变化的火电厂循泵优化运行
以循环冷却水系统整体作为研究对象,基于循泵优化运行模型,并充分考虑气象条件变化对循泵优化运行的影响,绘制出可直接根据气象条件指导循泵优化运行的一种新型等效益曲线及相应的净收益功率曲线．以某电厂660 MW机组为例,将新型等效益曲线与现有等效益曲线进行对比应用分析．结果表明:在循环冷却水系统中,根据现有等效益曲线查取的循泵运行方式并不总是“最优”的,甚至在相同的机组负荷、气象条件下,仅因当前工况循泵运行方式的不同,所查取的最优循泵运行方式也可能不同,但是新型等效益曲线始终能够合理地指导循泵优化运行．同时,利用新型等效益曲线及净收益功率曲线对660 MW机组的循泵优化运行进行了技术和经济研究分析．通过对比不同机组负荷下的净收益功率曲线发现:在夏季高温情况下,循环冷却水系统在机组低负荷下的运行费用有可能高于在机组高负荷下的运行费用．
2013 Vol. 31 (6): 490-495 [摘要] ( 2051 ) [HTML 1KB] [PDF 1395KB] ( 1631 )
水利水电工程
496 龚懿, 程吉林, 张仁田, 皇甫全欢
泵站变角变速组合优化运行算法
建立了泵站多机组叶片全调节与变频变速组合优化运行数学模型,提出了基于动态规划逐次逼近法的大系统分解-动态规划聚合求解方法．以泵站日提水耗电费用最小为目标、机组提水量为协调变量,将该模型分解为若干个单机组叶片全调节与变频变速组合日优化运行子模型．该子模型以机组叶片安放角及机组转速为决策变量、机组提水量的离散值为状态变量,采用动态规划逐次逼近法求解．构造的聚合模型以各机组提水量为决策变量、泵站提水量的离散值为状态变量,采用动态规划方法求解．以某泵站运行为例,在满负荷、80％负荷、60％负荷下,各日均扬程下泵站多机组叶片全调节与变频变速组合日优化运行较定角恒速运行平均单位提水费用分别节约5.80％,25.19％,32.20％．
2013 Vol. 31 (6): 496-500 [摘要] ( 1618 ) [HTML 1KB] [PDF 1315KB] ( 1364 )
501 傅丽萍, 阎宗国, 吴烈龙, 支发林, 王正伟
水轮发电机组上机架共振分析及补气减振
对Himmelti电站水轮发电机组进行了稳定性试验研究,发现机组上机架在特定负荷时振动严重超标．根据实测的试验数据分析了发电机上机架振动信号与蜗壳进口、顶盖和尾水管压力脉动信号的关系,并对上机架和定子机座整体进行了动力特性分析,提取了该整体结构的固有频率,发现由于水轮机压力脉动在该负荷时的频率与上机架结构的固有频率接近,从而引起了上机架结构的共振．为寻求减振方案,还对机组进行了补气试验,即从水轮机顶盖向转轮内补入高压空气．实测补气后机组的压力脉动信号和振动信号,对蜗壳进口、顶盖和尾水管压力脉动信号进行频谱分析,发现引起机组上机架结构共振的频率成分消失,机组的整体振动幅值也大大减小．根据电站的实际情况提出了可操作的补气减振方案,即采用在原有自然补气阀下侧接入压力补气管的处理方案,方案实施后电站运行记录显示,机组在该负荷区域运行时,无共振现象发生．
2013 Vol. 31 (6): 501-505 [摘要] ( 1923 ) [HTML 1KB] [PDF 2553KB] ( 2343 )
506 王煦, 陈军, 吴舒海
快速卷扬式启闭机液压阻尼调速器的应用
为解决离心调速器运行存在反复振荡、摩擦片易发热烧损等问题,将液压启闭机速度控制原理运用于快速卷扬式启闭机,采用液压阻尼调速器改进卷扬式启闭机的调速装置,论述液压阻尼调速器速度控制原理,建立调速器流体力学模型,推导流量及阻尼力矩计算公式.对QPK-2×160 kN卷扬式启闭机安装2种调速器进行试验分析,结果表明:流量控制主要与阻尼孔的直径有关,阻尼力矩与阻尼孔面积的平方成反比例关系;阻尼力矩随阻尼器输入角速度的增大而增大;采用液压阻尼调速器具有良好的阻尼特性,能吸收负载振动、冲击,缩小扭矩和转速振荡的时间和范围,仅需经过2~3次振荡吸收便可实现扭矩平衡,防止设备共振,改善系统平顺性和稳定性,增加启闭机可靠性,使闸门能够匀速下降,延长其使用寿命,扩大快速卷扬式启闭机使用范围.
2013 Vol. 31 (6): 506-510 [摘要] ( 1972 ) [HTML 1KB] [PDF 1420KB] ( 2165 )
流体工程
511 张西良, 张媛, 高文祥, 邓志辉, 罗胜, 徐云峰
空气净化机净化动力学分析及气流场数值模拟
采用动力学方法分析空气净化机理,对过滤网在吸收过程中的阻力进行了理论推导，为空气净化机滤纸、进出口风道的优化设计提供依据．从空气净化机内部气流场出发,建立内部气流场的几何模型,以多孔介质模型来模拟过滤网;通过Fluent软件数值模拟空气净化机内部气流,分析了进口风速在1～5 m／s变化过程中,不同高度(005,010,015 m)截面上的压力场和速度场变化．结果表明:风速在1～2 m／s时,气流稳定;HEPA滤纸在高度为010 m截面上对气流的阻力最大．为了获得更好的内部气流场,应尽量增大进风口和出风口的面积,使之覆盖的面积与主流风道大体一致,这样可减少涡流现象,并可降低出风口处的气流叠加效应．通过Fluent软件模拟效果良好,可为实际使用中的现场流场问题提供理论指导．
2013 Vol. 31 (6): 511-516 [摘要] ( 1873 ) [HTML 1KB] [PDF 5258KB] ( 2068 )
517 王乐勤, 周文杰, 邢桂坤, 姚德群, 翟璐璐, 吴大转
小锥度环形密封转子动特性
为求解小锥度下液体环形密封动特性系数和转子所受激振力的大小,建立了小锥度环形密封全三维模型,利用CFD Fluent软件及其气穴模型计算得到了转子表面压力分布和气穴存在的位置．研究了进出口压差、ω／Ω和不同转速下小锥度环形密封转子表面压力变化规律,并得到了不同转速下气相分布情况．最后依据转子动力学模型和激振力方程,分析了压差分别为138,241,345 MPa和转速分别为1.02×104,1.74×104,2.46×104 r／min情况下密封动特性系数和涡动比．将计算值同Childs的理论值和Lindsey的试验值进行了对比．结果表明:增加进出口压差、增大ω／Ω和提高转速均能增大小锥度环形间隙压力,有效减小气穴范围,提高环形间隙密封性．模拟结果同试验值和理论值基本吻合,并且整体上更接近于试验值,这为具有小角度液体环形密封的工程研究提供了理论依据．
2013 Vol. 31 (6): 517-522 [摘要] ( 1748 ) [HTML 1KB] [PDF 3484KB] ( 1765 )
523 崔宝玲, 尚照辉, 石柯, 陈德胜, 林哲
基于CFD的蝶板结构改进设计及数值分析
为研究蝶阀阀板结构对阀门气蚀系数和流阻系数及阀门内部流动特性的影响,基于有限体积法和标准k-ε湍流模型,在不同开度(蝶板转角)下对梳齿形和楔形2种结构蝶板的蝶阀进行定常流动的三维数值模拟计算,获得阀门内部流场的速度场和压力场．比较分析阀门在不同工况下流道内部的速度分布、压力分布、速度流线图,得到速度对涡流形成及扩展的影响.结果表明:楔形蝶板的阀门流动更加平稳,在较大开度时流阻系数减小,流体对阀体和流道的冲击降低,蝶阀的流通能力提高;楔形蝶板阀的气蚀系数较梳齿形蝶板阀有所增大,抗气蚀的性能增强．研究结果为分析阀门内部受冲击状况提供了依据,为阀门优化设计提供了一定的借鉴．
2013 Vol. 31 (6): 523-527 [摘要] ( 2322 ) [HTML 1KB] [PDF 8649KB] ( 1620 )
农业水土工程
528 范兴科, 孔令阳
文丘里施肥器能量转化关系
为了深入了解文丘里施肥器喉部负压的产生条件和变化过程,通过对进出口和喉部分别有测压设计的文丘里施肥器进行有压过流试验,研究了水流在不同特征断面处的能量转化关系．对于试验用文丘里施肥器,试验结果表明:当压力水流通过时,进口处的压能将转化成喉部处的动能,随着进口压能和流量的不断增大,喉部动能增大,喉部的压能完全消失,局部开始产生负压,负压达到最小值后,继续增大进口压力水头将不再引起喉部负压值的变化,但流速的增幅明显增大,喉部动能随流量的增加呈抛物线形趋势增大,产生的水头损失急剧增大;对于同一流量,喉部实际流速与理论流速的差异反映了喉部对应断面处的真空空间的大小;相对于自由出流,非自由出流条件下,喉部开始产生负压时对应的进口起点压力提高,流量相对较大,产生相同负压时的进口压力和流量明显高于自由出流条件．
2013 Vol. 31 (6): 528-533 [摘要] ( 1643 ) [HTML 1KB] [PDF 1525KB] ( 1804 )
534 韩文霆, 周龙, 吴普特, 刘文帅, 李星恕, 崔利华
精确灌溉喷头变量调节器结构参数设计
为使喷头能根据灌溉面积形状变化的要求实现喷洒域和喷洒量同步可控,提出一种精确灌溉喷头变量喷洒调节器的设计．该变量调节器采用上阻水片和下阻水片式结构,上下阻水片由中央通孔和扇形通孔及扇形阻水片组成．喷头转动时上阻水片和下阻水片发生相对转动,导通时过水面积增大,射程增加,封闭时过水面积减小,射程降低．设计了使喷头能量损失达到最小的扇形通孔中心角及中央通孔等的结构参数．采用水流运动的局部阻力理论设计了变量调节器的上下阻水片中央通孔的直径．结果表明:研究的变量调节器过水通孔的结构和参数可以保证过水断面阻力损失最小,通过射程及水量分布试验,发现其射程周线由圆形变为近似方形,射程最大时基本能达到原喷头射程,水量分布较为均匀,能够满足喷头流量和射程的变化规律按需求控制,实现喷头的变量喷洒精确灌溉．
2013 Vol. 31 (6): 534-539 [摘要] ( 2489 ) [HTML 1KB] [PDF 36624KB] ( 7478 )
540 仝国栋, 刘洪禄, 吴文勇, 李法虎, 宝哲, 牛勇
不同水分处理对茄子生长与产量品质的影响
为指导日光温室节水灌溉和增产,以京茄一号为对象,控制灌水下限为田间持水率（FC）的90%（T1），80%（T2），70%（T3），60%（T4），在日光温室内研究了滴灌条件下不同水分处理对茄子冠层发育、根系生长、果实产量及品质的影响．结果表明:株高、茎粗、叶面积和地上部干重均随着土壤水分下限的降低呈先增大后减小的趋势,T2(80％FC)大于其他3个处理．茄子根系主要分布在0～40 cm土层,随着深度的增加迅速减少,不同处理总根长密度和总根表面积密度均随灌水下限降低呈下降趋势．T2处理产量最高,分别为T1的103倍、T3的113倍、T4的114倍,不同处理之间差异无统计学意义．土壤含水率过高或过低会降低果实中的粗纤维质量分数和硝态氮质量分数,较高的土壤水分下限有利于果实中氨基酸的形成,而还原性VC质量分数随着土壤水分下限的降低而降低．灌水下限为80％FC时对茄子的生长最为有利,该处理下冠层发育、根系生长、果实产量及品质均处于较高水平．
2013 Vol. 31 (6): 540-545 [摘要] ( 1760 ) [HTML 1KB] [PDF 2159KB] ( 1944 )
546 李耀刚, 王文娥, 胡笑涛
基于HYDRUS-3D的涌泉根灌土壤入渗数值模拟
针对涌泉根灌流量大且出流边界为柱状,与传统滴灌、渗灌等存在很大差异的问题,依据非饱和土壤水动力学理论,并结合涌泉根灌条件下土壤水分运动特征,建立了具有柱状出流边界的入渗模型,利用HYDRUS-3D对模型进行求解,所建模型通过土壤剖面含水率随时间变化的实测值与模拟值的对比进行验证．结果表明:模拟值与实测值的相对误差在10％以内,两者具有较好的一致性,数值模拟结果可为涌泉根灌系统的合理设计及运行提供理论依据．通过数值模拟方法研究了流量、套管开孔长度对土壤含水率的影响,发现流量越大,水分运移速率越大,随着时间推移流量所引起的差异减小;灌水量相同时,灌水结束后土壤湿润体范围随流量增大略有减小;开孔区长度增加对湿润体形状、大小没有显著影响,但对土壤湿润体内水分分布状况影响较大．
2013 Vol. 31 (6): 546-552 [摘要] ( 2219 ) [HTML 1KB] [PDF 2936KB] ( 1873 )
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