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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2014年 32卷 2期
刊出日期:2014-02-25

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
93 袁寿其, 张婷婷, 张金风, 刘建瑞, 裴冰
汽车冷却水泵优化设计及试验研究
针对比转数为59的汽车冷却水泵,选择对性能影响较大的叶轮的6个水力参数β2,b2,D2,Z,D0,φ,并添加了1个附加的辅助因素e.根据叶轮原有参数值,设计2组不同的参数值,得到因素的2个水平.由此,设计了L8(27)七因素两水平的正交表,即8个叶轮设计方案.通过Ansys-CFX12.1软件分别对8个方案水泵的全流场进行定常数值模拟,以设计工况点的扬程和效率以及最高效率点的流量、扬程和效率为性能指标,通过极差分析以及内部流场对比分析,优化叶轮参数.将优化后的叶轮和原始叶轮分别进行数值模拟和外特性试验,分别比较得到的结果后得出,优化叶轮提高了水泵在额定点的效率,并且增大了高效区范围,同时也使扬程曲线更平缓.结果表明了正交法的可行性,说明了正交表结合CFD技术进行水泵设计,不仅可有效改善水泵产品的水力性能,并且能很大程度地缩短研究时间,从而提高工作的效率.
2014 Vol. 32 (2): 93-97 [摘要] ( 1871 ) [HTML 1KB] [PDF 2868KB] ( 1149 )
98 曾庆龙,, 龙新平,, 肖龙洲,, 吕桥,
环形射流泵结构优化设计
运用DOE和CFD技术,以寻求环形射流泵效率最大时的最佳结构尺寸组合.试验射流泵模型原型取自真实试验,面积比1.75.首先对计算方法的可靠性进行了验证,在试验设计方法指导下,以最高效率为原则安排了多次试验,确定了4个主要因子,即流量比q、吸入室收缩角α、相对喉管长度lt及扩散管扩散角β,分别计算了射流泵在多种结构尺寸组合下的内部流动.借助统计分析软件对试验数据进行处理,确定各结构参数对射流泵性能影响的重要程度,找出最优的结构组合.结果表明该方法取得了很好的效果,试验设计预测最大效率36.3%与CFD模拟结果35.8%非常接近.影响泵性能的主要结构参数中,相对喉管长度比扩散管扩散角、吸入室收缩角更为显著,双因子间的交互作用比因子单独作用更为明显,为环形射流泵进一步优化设计,确定其合理的工作范围提供了依据.
2014 Vol. 32 (2): 98-102 [摘要] ( 1703 ) [HTML 1KB] [PDF 977KB] ( 1352 )
103 钱忠东, 张凯, 王志远, 薛军
双吸式离心泵叶片头部形状对泥沙磨损的影响
为了提高离心泵的抗磨蚀能力,采用欧拉-拉格朗日多相流模型模拟了水泵内水沙两相流运动,并利用离散相冲击磨损模型,对4种不同叶片头部形状下的叶片泥沙磨损情况进行了分析.结果表明:叶片上发生严重磨损的区域主要分布在叶片的头部和尾部,其中吸力面的平均磨损强度高于压力面;叶片磨损强度受相对流速分布和冲击角的影响,改变叶片的头部形式可改变叶片的泥沙磨损强度;缩短叶片头部外缘一侧的长度,可以使叶片头部的相对流速分布更均匀,改善叶片头部和尾部的集中磨损,但会降低水泵扬程;缩短叶片头部外缘一侧的长度,同时增大内缘一侧的相对液流角,可以有效改善叶片表面的泥沙磨损,并使水泵扬程略有提高.
2014 Vol. 32 (2): 103-107 [摘要] ( 1720 ) [HTML 1KB] [PDF 26105KB] ( 842 )
108 孔繁余, 何玉洋, 郑德, 张慧, 夏斌
外啮合齿轮泵流量特性影响因素分析
为研究外啮合齿轮泵重要参数对流量脉动系数的影响,通过理论推导获得流量脉动系数计算公式,分析齿数、压力角对流量脉动系数的影响;采用边界型函数和动网格技术,并结合k-ε湍流模型对不同参数条件下的齿轮泵进行非定常模拟,分析负载压力、径向间隙对流量脉动系数的影响.结果表明,增大齿数和压力角均会减小齿轮泵流量脉动系数,有利于提高齿轮泵的流量特性.另外,增大齿数与增大压力角对提高齿轮泵的流量特性效果较为接近;齿轮泵的流量脉动系数也会随着负载压力及齿轮径向间隙的增大而减小,在设计中适当增大负载压力及齿轮径向间隙,可以改善出口流量特征的质量;过大的负载压力和齿轮轴向间隙会导致齿轮泵容积效率下降,在设计过程中应当引起足够重视.
2014 Vol. 32 (2): 108-112 [摘要] ( 1849 ) [HTML 1KB] [PDF 1479KB] ( 1713 )
113 杨军虎, 龚朝晖, 夏书强, 罗凯凯, 李海龙
导叶对液力透平性能影响的数值分析
为研究导叶对液力透平运行性能的影响,采用CFD软件对无导叶和导叶数为7,9,11的4种液力透平进行数值模拟,分析了有、无导叶及不同导叶数对透平运行稳定性的影响,得到透平运行的外特性曲线. 结果表明,添加导叶可以提高液力透平的效率且效率随导叶片数增多而提高,较无导叶时透平最高效率点的流量增加、压头降低. 内流场分析表明,添加导叶后叶轮流道内的速度分布得到明显改善,其内部区域的旋涡数量减少、旋涡尺寸明显变小;压力分布均匀、梯度较为明显,且随导叶数的增加叶轮的进口静压逐渐增大. 叶轮进口速度矩分析表明,速度矩在有导叶时变化幅度变小,在叶轮进口环面上变化较平稳且分布对称,导叶数为11时其变化幅度值最小. 研究结果表明,透平添加导叶改善了叶轮的入流条件,提高了液力透平运行的稳定性能.
2014 Vol. 32 (2): 113-118 [摘要] ( 1573 ) [HTML 1KB] [PDF 2183KB] ( 1096 )
119 卢金玲, 郭鹏程, 冯建军, 邓佳, 罗兴锜
混流泵内部流动的试验研究
混流泵叶轮内流动性能直接影响整台泵的外部性能.为了探讨混流泵叶轮内部的流动机理,设计了透明蜗壳,加工了1套半开式混流叶轮,建立了混流泵试验系统并利用PIV对其在不同流量工况下叶轮内部的流动性能进行了试验测试.通过对叶轮流道内的时均相对速度分析后发现,在设计流量工况下压力面附近相对速度从进口到出口先减小后增大,吸力面附近的相对速度先增大后逐渐减小.在叶轮出口处沿叶片高度方向的相对速度靠近压力面附近变化不大,靠近吸力面附近从叶根到叶顶逐渐降低,相对流速最小值出现在吸力面叶顶附近.在小流量工况下,流道中部叶高截面至叶顶的区域内会出现回流现象.同时还研究了不对称形状的蜗壳对叶轮内部流动的影响,对叶轮相对蜗壳不同位置流道内的流动进行了测试,发现相对蜗壳不同位置流道内的相对流速的分布趋势基本相同.
2014 Vol. 32 (2): 119-124 [摘要] ( 1963 ) [HTML 1KB] [PDF 2926KB] ( 1025 )
125 刘广东
基于支持向量机的地面驱动螺杆泵井工况诊断技术
地面驱动螺杆泵井举升工艺的故障频发,限制了其进一步发展.为了提高地面驱动螺杆泵井的经济效益和管理水平,提出了基于支持向量机的地面驱动螺杆泵井工况诊断技术.选取产量、动液面等8个表征油井工作状态的变量作为输入参数,常见10种螺杆泵井工况作为输出参数,以东胜公司金家油田已存故障地面驱动螺杆泵井为基础,建立诊断样本集,采用投票法建立C210=45个子分类器,基于网格寻优、遗传算法和粒子群寻优算法对C,g进行优化计算,借助Matlab调用Libsvm工具箱对支持向量机模型进行训练,利用东胜公司金家油田15口地面驱动螺杆泵井进行诊断验证,并与人工神经网络方法进行了对比.结果表明:采用支持向量机诊断方法诊断正确的有14口油井,诊断正确率为93.33%,与人工神经网络方法(88.90%)相比具有更高的精度,在小样本诊断问题中具有更强的优势,是一种切实可行的智能诊断方法.
2014 Vol. 32 (2): 125-129 [摘要] ( 2120 ) [HTML 1KB] [PDF 1030KB] ( 1020 )
水利水电工程
130 权辉, 李仁年, 苏清苗, 韩伟, 程效锐, 申正精
单介质螺旋离心泵能量转换机理
为了研究螺旋离心泵叶轮各段做功能力和能量转换机理,从理论上分析了流体机械内部的流体流动情况,应用欧拉方程,将流体在叶轮中的能量分为动压头和静压头来处理,为采用数值模拟来研究螺旋离心泵内部流动和叶轮各段的做功能力提供了理论基础.在欧拉方程的基础上,采用Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型对螺旋离心泵内部流场进行数值模拟计算.通过模拟具体探讨了设计工况下,选取单介质为清水,在叶轮的作用下流场的速度、压力等变化规律,并将螺旋离心泵叶轮的轮缘线和轮毂线分段取监测点,从所取监测点之间各段的动压头和静压头变化来研究螺旋离心泵内的能量沿叶轮包角的转换能力.结果表明:螺旋离心泵流体的能量主要是由螺旋段提供的,叶轮前部螺旋段起到了多级加能的作用,叶轮使流体完成了从轴向至径向的过渡,液流的轴向速度由大变小,径向速度则相反.
2014 Vol. 32 (2): 130-135 [摘要] ( 1565 ) [HTML 1KB] [PDF 5679KB] ( 1167 )
136 张婷, 田淳, 李永业, 尤志强, 樊盼
齿墩状内消能工的消能及压力特性
输水管道或泄洪洞常见的内消能方式为孔板和洞塞,结合明渠水流中的消能工形式提出了齿墩状内消能工,并通过物理模型试验对不同面积收缩比的齿墩状内消能工进行了研究,分析了它们的过流能力、消能率、压强沿程变化及脉动压强特性.结果表明:齿墩状内消能工的过流能力主要是由消能工的体型及尺寸决定的,其面积收缩比越大,消能率越低,过流能力就越强;齿墩状内消能工的时均压强在收缩段骤降,在其后部逐渐上升,而后恢复至稳定,其恢复长度基本相同;齿墩状内消能工的脉动压强最大点均出现在收缩段后1倍圆管直径范围内,随后迅速减小,逐渐趋于平稳;面积收缩比为0.471 2的齿墩状消能工的脉动强度最小,因而其抗空化性能优于其他情况,且脉动压强最大点的压强概率密度分布接近正态分布.
2014 Vol. 32 (2): 136-139 [摘要] ( 1433 ) [HTML 1KB] [PDF 1341KB] ( 1422 )
流体工程
140 王洪杰, 贺枭林, 李德友, 赵俊龙, 李正,
NI PXIe嵌入式电液伺服同步系统设计
为了合理选择控制方法和测控系统以提高电液伺服同步系统同步精度,基于同步系统多回路特性,针对控制方法改进提出了在各回路中添加控制器进行信号预处理;采用基于NI PXIe嵌入式平台的测控系统,结合PXIe-8133嵌入式实时控制器与PXIe-4300同步采集卡,在高速采集的同时提高液压系统的同步特性;PC端采用LabVIEW编写试验台的测控程序,实现系统的精确控制与数据的实时采集及后处理,并对两缸同步电液伺服系统进行初步试验研究,实现了液压系统数据的同步采集和实时控制.结果发现,两缸同步的系统误差由0.40 mm减小至0.15 mm,取得了良好的控制效果,达到了设计要求.设计体现了嵌入式测控平台兼具高速性与可靠性的优势,在同步系统控制中具有优越性,可以有效提高圆筒阀与调速器控制系统的同步精度.
2014 Vol. 32 (2): 140-145 [摘要] ( 1307 ) [HTML 1KB] [PDF 2386KB] ( 1264 )
146 高伟,, 李春, 叶舟, 聂佳斌
垂直轴风力机动态特性及气动性能
垂直轴风力机流场属典型的非定常大分离流动,因其气动性能复杂,采用工程气动模型会有较大误差.为了研究垂直轴风力机动态失速与翼型附着涡的形成与发展,针对4种不同厚度的NACA对称翼型系列,基于Fluent软件的滑移网格技术,并选用S-A湍流模型和基于压力的Simple算法对H型垂直轴风轮流场进行瞬态CFD计算,得到了风轮旋转中动态失速相位角范围,较好地解释了小叶尖速比下翼型多处于动态失速区的流动机理.同时,提出了升阻系数计算方法,计算得到了该4种翼型系列的叶片扭转力矩、风力机功率和风能利用系数随叶尖速比变化规律.研究结果表明,风力机运行中翼型的动态与静态特性存在较大差别,翼型厚度对风力机扭转力矩、功率和风能利用率具有较大影响.故在进行垂直轴风力机设计时应综合考虑垂直轴风力机的翼型厚度等几何参数与旋转等动态参数对其气动特性的影响.
2014 Vol. 32 (2): 146-150 [摘要] ( 1420 ) [HTML 1KB] [PDF 3437KB] ( 1606 )
151 于振燕, 张玮
磁流体密封在水轮机主轴中的应用
为了解决目前常用的水轮机主轴密封装置易磨损、泄漏量大的问题,在水轮机主轴上采用磁流体密封技术.该密封技术具有无刚性接触,无磨损,可自行修复,寿命长等优点,选择适合密封水介质的油基四氧化三铁磁流体作为密封材料,磁性能高且价格低廉的钕铁硼永磁材料提供外磁场,并使用电磁场分析软件进行仿真计算.仿真结果表明:轴向密封靠近转轴处,径向密封靠近导磁体处,密封能力最差,最易失效;齿形、密封间隙等结构参数对密封性能影响较大,且在一定的数值范围内密封能力较强. 结合水轮机主轴密封的特点,设计出适合水轮机主轴的轴向与径向密封组合的矩形齿磁流体密封装置,轴向密封总级数为48级,径向密封总级数为20~24级,总的密封压差Δp>0.5 MPa.
2014 Vol. 32 (2): 151-155 [摘要] ( 1466 ) [HTML 1KB] [PDF 1734KB] ( 1347 )
农业水土工程
156 张端梅,, 梁秀娟, 李钦伟
地下水灌溉水质评价的对数型幂函数指数方法
为了科学合理、简便有效地评价灌溉水质,提出了一个灌溉水质评价的指数公式,并采用粒子群算法优化公式中的参数,得出优化后适用于多指标的灌溉水质评价公式.以新疆阿拉尔垦区、尉犁县和宁夏平罗县的水质资料为例进行验证.结果表明,该公式与综合危害系数法、模糊综合评价、突变理论的评价结果基本一致.新疆阿拉尔垦区和宁夏平罗的地下水适合农业灌溉,而尉犁县平原灌区浅层地下水不宜长期直接灌溉.灌溉水质评价公式具有简单便捷的优点,可以快速地得出灌溉水质评价结果,为灌溉水质评价提供了新的有效途径.
2014 Vol. 32 (2): 156-161 [摘要] ( 1462 ) [HTML 1KB] [PDF 1137KB] ( 1391 )
162 涂琴, 李红, 王新坤, 胡斌, 汤攀
轻小型喷灌机组能耗分析与多元回归模型
为了研究配置参数对轻小型喷灌机组能耗的影响,在基于遗传算法的喷灌机组能耗计算模型基础上,以机组4.4CP-45为例,采用四因素三水平考虑交互作用的正交设计,就管道管径、喷头间距、喷头数、喷头工作压力及其交互作用对机组单位能耗的影响进行了对比分析,在此基础上建立了机组能耗的多元回归模型.研究结果表明,喷头工作压力对能耗的影响最显著,其次为管道管径,喷头数的影响也很明显,喷头间距对能耗的影响体现在与其他参数的交互作用中.4组主要的交互作用因素中,喷头间距与喷头数的作用最敏感,其后依次为管径与喷头数、喷头间距与管径、喷头间距与喷头工作压力,因而在机组配置参数的选择中,参数间交互作用不可忽略.经综合比较,机组配置参数最优组合方式为喷头间距为15 m、管径为80 mm、喷头数9个、管道末端喷头工作压力为0.25 MPa,此时机组单位能耗为4.53 kW·h/(mm·hm2),比优化前降低了22.6%,比只考虑单因素作用得到的最优组合方式降低了1.0%,且配置参数的选择更能为用户所接受.机组能耗多元回归模型复相关系数达0.88,确定性系数为0.774,比较可靠,能为喷灌工程设计及性能评价提供一定的借鉴作用.
2014 Vol. 32 (2): 162-166 [摘要] ( 1408 ) [HTML 1KB] [PDF 1500KB] ( 1033 )
167 吴军,, 崔远来, 赵树君, 童晓霞,
塘堰湿地对农田排水氮磷净化效果试验研究
为了研究不同塘堰湿地与稻田面积比β以及湿地水滞留时间对稻田排水中氮磷污染物净化效果的影响,在江西省灌溉试验中心站针对以白莲为湿地植物的塘堰开展了原位试验.试验以TN,NH+4-N,NO-3-N,TP去除率为判别指标,结果表明,白莲塘堰湿地对稻田排水中氮、磷具有较好的去除效果.排水进入湿地后的前3~4 d,各项指标随水滞留时间的延长上升较快,之后并没有随水滞留时间延长而明显提高,即湿地最佳水滞留时间为3 d.不同β湿地对氮、磷的去除效果在白莲成苗期和花果期明显好于成藕期.以成苗期和花果期去除率为辨别标准,不同β湿地对TN,NH+4-N,NO-3-N的去除率从大到小依次为SD1,SD2,SD3,其中SD1与SD2之间差异不大,但均显著大于SD3.不同β湿地对TP的去除效果差异不明显.综合考虑经济及对农田排水中氮磷的去除率,最佳β为SD2湿地的1∶6.SD2湿地成苗期和花果期第3天对TN,NH+4-N,NO-3-N,TP的平均去除率分别为72.5%,71.7%,55.6%,69.5%.
2014 Vol. 32 (2): 167-172 [摘要] ( 1281 ) [HTML 1KB] [PDF 1273KB] ( 1115 )
173 操信春,, 吴普特,,, 王玉宝,, 赵西宁,, 刘静
基于DEA的灌区生产效率分析——以江苏省为例
针对当前灌区农业生产效率评价多采用单项投入与产出指标的不足,引入数据包络分析(DEA)方法,设定表征生产效率的投入产出指标体系,利用CCR模型对江苏省35个灌区相对生产效率进行了比较研究.相对效率分析表明,江苏省综合效率整体不高,灌区间差异较大,全省平均值为0.634,其中3个灌区为DEA有效;不同区域农业生产技术的利用及推广程度相当,灌区相对生产效率的不均衡主要由生产规模不合理引起.可以通过减少投入来提升非DEA有效灌区的生产效率,所有非DEA有效灌区改进生产效率能节约的有效灌溉面积、水资源及农业人口分别占投入量的20.7%,13.3%,9.4%.相对DEA效率的比较可为灌区生产效率的改进途径、农业节水潜力的计算等提供新的思路.
2014 Vol. 32 (2): 173-178 [摘要] ( 1185 ) [HTML 1KB] [PDF 1133KB] ( 1076 )
179 王卫华, 李淑芹, 吴忠东
葡萄生长对交替滴灌的响应
针对极端干旱区水资源匮乏的现状,以大田葡萄为研究对象,采取根系分区交替滴灌方式研究葡萄生理指标和根区土壤水分分布的变化影响.结果表明:葡萄新枝生长量和叶面积指数随时间的变化过程均可用Logistic模型进行描述,且通过单因素方差分析得出,交替滴灌和常规滴灌的叶面积指数差异不具有统计学意义,说明交替滴灌对植物光合作用主要器官——叶片的生长无明显影响;在棵间蒸发、植物根系吸收以及重力势和水势梯度的共同作用下,交替滴灌条件下沟、垄土壤含水率交替上升,且土壤含水率变化范围主要集中在0~60 cm土层,交替滴灌的耗水量和棵间蒸发量均小于常规滴灌,从而可以提高作物的水分利用效率.该研究为极度干旱区作物节水灌溉提供了一定的科学依据.
2014 Vol. 32 (2): 179-184 [摘要] ( 1420 ) [HTML 1KB] [PDF 1250KB] ( 1043 )
排灌机械工程学报
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主管单位
 江苏省教育厅
主办单位
 江苏大学
协办单位
 中国农业机械学会排灌机械分会
 国家水泵及系统工程技术研究中心
 中国农业工程学会农业水土工程专业委员会
主  编
 袁寿其
编辑出版
 《排灌机械工程学报》编辑部
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