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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2020年 38卷 2期
刊出日期：2020-02-25
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
1
封面
2020 Vol. 38 (2): 1- [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 4079KB] ( 288 )
2
目录
2020 Vol. 38 (2): 2- [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 292KB] ( 289 )
109 邹晨海,李红*,THOMPSON Harvey,KHATIR Zindine,向清江
射流泵在含沙水流中抗磨损性能优化
为减小射流泵装置在含沙水流中运行时射流泵遭到的磨损破坏,对射流泵的抗磨损性能进行优化.首先提出了一种经济有效的材料表面磨损情况预测方法,再利用该方法得到抗磨损性能最佳的参数组合.结合粒子垂直撞击平板试验与数值模拟结果,得到在特定材料(316L不锈钢)下的磨损等高线图,并通过不同喷嘴出口速度的垂直撞击平板试验对磨损等高线图的通用性进行了试验验证,结果证实该方法可用于预测.通过Plackett-Burman试验设计得到显著影响材料磨损情况的射流泵参数,利用D-optimal试验设计得到性能最佳的射流泵参数组合.结果表明,当射流泵的参数组合为喷嘴角度39.85°、面积比5.84、喷嘴直径18 mm时,射流泵的抗磨损性能和水力性能都达到最佳,即最大磨损深度8.6 μm、效率16.8%.根据最佳参数组合加工射流泵样机,验证了预测结果的可靠性,并通过扫描电镜对喷嘴处的磨损疤痕进行观察,结论与数值模拟分析结果一致.
2020 Vol. 38 (2): 109-114 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 4562KB] ( 358 )
115 刘在伦,徐航*,芦维强,陈淘利
后密封环直径对离心泵轴向力特性的影响
为了研究叶轮后密封环直径大小的变化对离心泵平衡腔液体压力和轴向力的影响,对泵进行了全流道三维建模和仿真模拟;经对比发现,离心泵性能的数值模拟与试验测试结果基本吻合.在此基础上,对泵后密封环直径90~140 mm范围内泵扬程、效率和轴功率进行预测,研究泵设计工况下,后密封环直径对平衡腔内液体压力沿轴向和径向的分布规律,及其对轴向力的影响,并绘制出扬程系数与轴向力系数的量纲为一关系曲线.结果表明:同一流量工况下,增大后密封环直径时,泵扬程降低,效率降低,轴功率提高,且后密封环直径越大,其对泵性能的影响越显著;同一后密封环直径下,平衡腔内液体压力沿轴向基本保持不变,压力由泵轴至密封环出口处沿径向增大;轴向力系数曲线是非线性曲线,当K减小时,轴向力系数逐渐增大,当K为0.25时,轴向力几乎为零,此时泵的轴向力平衡能力最优.
2020 Vol. 38 (2): 115-120 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 2590KB] ( 332 )
121 陈兰川,徐磊*,张小康,颜士开,王东伟
低扬程泵装置压力脉动特性
初步分析了低扬程泵及泵装置压力脉动的基本规律. 基于浙江姚江上游西排工程排涝泵站立式泵装置不同叶片角度和不同流量时的压力脉动特性模型试验结果,研究泵装置的叶轮室进口、叶轮室出口、导叶体出口和出水流道出口处的压力脉动规律. 从叶轮与导叶之间的水流条件、水泵运行工况等方面,对低扬程泵装置压力脉动进行了初步理论分析,提出了导叶体与叶轮间隙的大小、导叶体的叶片数对低扬程泵装置压力脉动特性的影响等需进一步研究的问题. 从水力因素和水泵制造等方面提出了避免低扬程泵装置压力脉动有害影响的对策:适当加大叶轮与导叶之间的间隙,避免水泵在偏离最优工况较多的条件下运行,提高水泵抗空化性能等;从避免产生共振的角度,提出适当加大叶轮叶片厚度、导叶叶片厚度和加强水泵的结构设计等措施.
2020 Vol. 38 (2): 121-126 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 2715KB] ( 344 )
127 赵斌娟,刘琦*,付燕霞,赵尤飞,廖文言,谢昀彤
基于人工神经网络的离心泵叶轮边界涡量流预测
根据边界涡量动力学理论,从边界涡量流在离心泵叶轮内表面的分布情况,可获知叶轮的受力状况,进而改进叶轮设计.以BP神经网络和径向基神经网络为建模手段,以叶轮内表面的边界涡量流为预测目标,通过高精度的CFD计算获得70个离心泵叶轮内表面的BVF分布,建立可用于训练人工神经网络的初始样本集;再利用63个初始样本建立离心泵叶轮几何参数和边界涡量流的非线性映射关系,并用剩余的7个校对样本进行测试.根据神经网络预测结果和数值模拟计算结果的误差分析,确定最适用于离心泵叶轮边界涡量流预测的神经网络类型.研究表明:径向基(RBF)神经网络的预测精度高于BP神经网络,其训练时间更短、运行稳定性更高;径向基函数的宽度对RBF神经网络的预测性能有较大影响,当径向基函数宽度取0.3时,RBF神经网络的预测性能最佳,预测误差仅0.020 3;RBF神经网络预测所得叶轮内表面的边界涡量流分布,可以作为评价叶轮水力设计优劣的重要指标,进而指导叶轮机械的优化设计.
2020 Vol. 38 (2): 127-132 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 2072KB] ( 355 )
133 李琪飞,龙世灿*,周峰,赵超本,魏显著
导叶不同开度下水泵水轮机内流特性分析
为研究预开导叶不同开度下的内流特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型为研究对象,基于SST k-ω湍流模型,进行预开导叶不同开度下全流道三维非定常数值模拟和分析,并与试验结果进行对比验证.探讨活动导叶与转轮之间,以及转轮内的旋涡分布情况,定量分析了转轮受力情况和尾水管压力脉动.结果表明:在同步导叶开度一定的情况下,随着预开导叶个数的增加,其过流部件的流量将会增大,且存在于活动导叶和转轮区域的高速水环也会被破坏,形成紊乱的旋涡.从转轮区域看,在叶片的液道内形成不同的涡结构,其分布的不均匀性将直接影响转轮的受力情况.随着预开导叶个数的增加,这种情况将更为明显,转轮径向力的幅值逐渐增大.进一步分析尾水管压力脉动发现,尾水管压力脉动幅值也随着预开导叶个数的增加而增大,从而导致机组振动加剧、运行不稳定.
2020 Vol. 38 (2): 133-138 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 10493KB] ( 308 )
139 尹江南,袁寿其*,骆寅,孙慧,龚波
离心泵叶轮不同磨损程度下的振动信号分析
为了研究离心泵不同程度磨损后叶片进口边的振动特性,在虚拟仪器平台搭建试验泵系统,选用IS-50-160-00单级单吸离心泵分析不同磨损程度下振动信号的时域和频域特征.以6个叶片离心泵为研究对象,分别破坏对称2,4,6个进口叶片进行试验,采集泵在不同磨损程度下径向、纵向、轴向和基座方向的振动信号,并进行时域和频谱分析.在时域上采用峭度分析方法,发现磨损后每个叶轮的峭度变化是一致的,通过检测基座方向和轴向的振动信号峭度,可诊断离心泵的磨损程度.利用峰值因子分析得出磨损后叶轮产生更高的尖峰,尤其是轴向峰值因子较大.在频域分析中采用最大熵谱估计方法,得出磨损后离心泵在高频信号中出现振动能量的变化,将高频段(2 500~5 000 Hz)的振动变化作为诊断磨损程度的特征频段,同时发现振动信号功率谱在基座方向和轴向的能量变化较大.
2020 Vol. 38 (2): 139-144 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 1967KB] ( 311 )
水利水电工程
145 史中兴,张师玮*,张彦蕊,于树利,许卓宁
大型灌区渠道闸门一体化测控系统
基于自动化控制、网络通信和测量等技术,设计并研发了能够实现信息采集—处理—决策—信息反馈—监控—共享一体化的灌区闸门测控设备,并在甘肃省景电灌区进行了应用和验证.结果表明:渠道闸门一体化测控系统实现了灌区流量数据自动监测、收集和计算分析,提高了计量精度;能够对数据进行存储、查询与展示,实现了数据的共享,形成了灌区水资源管理数据库;实现了渠道流量远程自动控制与调节,提高了管理水平和管理效率;实现了智能手机远程操作,提高了办公效率.灌区闸门测控一体化测控系统的实施减少了灌区现场维护的次数,降低了设备运行成本,极大地提高了灌区水资源管理效率.研究成果可为中国大型灌区水资源科学管理提供有力的技术支撑,对闸门量水测流技术进步进行了有益的探索.
2020 Vol. 38 (2): 145-151 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 8486KB] ( 302 )
152 郭莹莹,杨具瑞*,任中成,汤建青
高水头阶梯溢流坝掺气坎体型优化试验研究
针对阶梯溢流坝前端设置掺气坎,以提高坝面减蚀能力与坝体消能率的研究理论尚不成熟的现状,通过9组不同掺气坎的水工模型试验,采用极差与方差分析方法得出了掺气坎角度与高度对阶梯溢流坝联合消能方式水力特性的显著性影响.试验结果表明:与掺气坎高度相比坎角度对台阶面最大负压影响较大.掺气坎角度为11.3°,坎高度为1.0, 1.3 m时,台阶面最大负压最小,分别为-9.25 kPa, -8.56 kPa;掺气坎角度对影响反弧段时均压强的显著性不如掺气坎高度,而两者对消力池最小时均压强的显著性影响相差不大.当掺气坎角度为11.3°,高度为0.7, 1.0 m时,上游水流对下游的冲刷强度较小,水体掺气充分,反弧段最大时均压强分别为424.44, 431.73 kPa;根据坝体消能效果,掺气坎高度是影响阶梯溢流坝消能率的主要因素.根据各因素综合分析,推荐掺气坎角度为11.3°,高度为1.0 m时为最优坎型,其消能率为53.63%.
2020 Vol. 38 (2): 152-156 [摘要] ( 50 ) [HTML 1KB] [PDF 1350KB] ( 303 )
157 袁志美,周兰庭*,徐长华
基于BIM的泵站施工安全风险辨识与应用
从泵站工程事故成因出发,针对传统风险辨识方法及过程的不足,提出基于BIM的风险辨识方法.根据致险因素在BIM中辨识方法的不同将其分为静态与动态2种信息类型,设计提取并判断模型属性参数信息的流程,同时以三维可视化模型为基础,借助Visual Studio2017开发平台,利用C#对Revit进行二次开发,实现三维模型特定属性参数提取.通过规范条文分析法构建安全知识库,将提取的BIM属性参数与安全知识库中标准安全知识进行比对分析,从而实现对安全知识库中静态致险因素的自动辨识及可视化输出,同时可以利用SQL语言查询相关致险因素及预防措施,利用Navisworks实现动态致险因素的辨识.以某泵站洞口及脚手架辨识为例,分析了这种方法的可行性,研究对优化施工安全规划,弥补安全管理人员安全风险知识的不足具有重要的参考意义.
2020 Vol. 38 (2): 157-162 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 4549KB] ( 341 )
流体工程
163 王莉,王行元,蒋小平,*,王鑫伟,吴国桥,叶晓琰,胡敬宁
水润滑可倾瓦轴承动静特性
为了研究水润滑可倾瓦轴承的综合性能,以五瓦可倾瓦轴承作为研究对象,系统性地研究并分析了该水润滑轴承在不同结构参数下的动静特性.基于有限差分数值解法求解雷诺方程,分析了不同结构参数对水润滑可倾瓦轴承的最小水膜厚度、轴颈偏心率、Sommerfeld数及动力特性系数等性能参数的影响.研究结果表明:增大轴承的长径比或预负荷系数都可以提高水润滑可倾瓦轴承的承载特性;当转子不需要逆转时,采用瓦块支点偏置设计,当支点偏置率在0.6左右时水润滑可倾瓦轴承的性能较佳;适当加大承载瓦的瓦块张角有利于提高轴承的稳定性和承载能力.
2020 Vol. 38 (2): 163-169 [摘要] ( 42 ) [HTML 1KB] [PDF 2163KB] ( 358 )
170 陈云帆*,蔡许,张华,杨陈,汪源,徐云峰
翼型优化在人工造流中的计算分析
针对国内潜水搅拌机主要依靠经验来选型以满足工程需求的问题,将潜水搅拌机设计与轴流泵相结合,利用轴流泵的水力设计方法——流线法对潜水搅拌机进行设计.采用多面体网格和边界棱柱层网格的混合网格划分方式,经CFD数值计算验证,得到的初始模型水力效果较好.在此基础上,统计初始模型速度环量分布规律,通过改变潜水搅拌机的出口安放角来改变速度环量沿径向的分布,对叶片翼型进行优化设计,得到了5种优化后的潜水搅拌机水力模型.在恒功率下进行对比分析,根据性能评判标准,最终发现环量分布规律1是潜水搅拌机搅拌效果最佳的翼型特征.研究可为潜水搅拌机叶片优化设计提供坚实的理论基础.
2020 Vol. 38 (2): 170-175 [摘要] ( 78 ) [HTML 1KB] [PDF 6148KB] ( 381 )
176 陈汇龙,张培林*,孙冬冬,陈妙妙,吴远征
表面粗糙度对液膜润滑动压型机械密封性能的影响
以激光加工多孔端面机械密封为研究对象,建立符合Gauss概率分布的表面粗糙度模型,利用Fluent软件模拟研究了密封端面不同部位表面粗糙度对密封性能的影响规律,并通过正交试验进一步分析了不同部位粗糙度对密封性能的影响程度.结果表明:液膜开启力和摩擦扭矩随端面粗糙度、转速的增大而增大;泄漏量随端面粗糙度的增大而减小、随转速的增大而增大;3个部位表面粗糙度对开启力增大、摩擦扭矩增大和泄漏量减小的影响程度为动环凹腔区粗糙度影响最大,静环端面粗糙度影响次之,动环非凹腔区粗糙度影响最小.
2020 Vol. 38 (2): 176-182 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 3678KB] ( 314 )
183 坎标,*,高运,徐盛松,丁建宁
主动调压型微孔壁管道流场特性数值仿真
为降低因管道阻力而导致的流体能量损失,实现流体增速效果,提出了一种主动调压型微孔壁面管道模型.在该模型中,微孔中的空气为液相流体提供边界约束,从而降低其输运阻力.增速效果可以通过控制微孔中的空气压力而调整.利用流体力学仿真方法,对管道内的流场特性及增速效果开展数值计算.结果表明:与相同条件直管道相比,平均增速比可达到2%~6%,最高超过了12%;增速效果在液相入口压力较低时更为明显,并随着气相压力的增加呈现先增强后减弱的趋势;气相压力对流速的有效调节范围随液相入口压力的增大而减小.微孔口气液界面处呈现小曲率对称型弯月面时可以实现增速效果,但弯月面呈现非对称弧形曲面时实现最佳增速效果的情况也存在.
2020 Vol. 38 (2): 183-187 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 3101KB] ( 296 )
农业水土工程
188 黄海涛,刘焕芳*,金瑾,刘双喜,刘耀
天然与人工滤层对渗管出水影响
为了探究天然河床砂厚度对渗管取水工程出水量的影响,以及天然河床砂和人工反滤层的交互作用,通过物理模型试验,设置3种天然河床砂厚度、3种来流流量和不同水深,观测不同工况下渗管出水量的情况.根据试验结果进行回归分析.回归方程计算的出水量与试验值误差基本都在±5%以内,平均误差的绝对值仅为0.19%,较以往参考值算法更加精确;出水量的改变与天然河床砂渗透系数和人工反滤层渗透系数的大小有关,当天然河床砂的渗透系数小于人工反滤层最小渗透系数时,渗管出水量随着天然河床砂厚度的增加而减小;反之,则随着天然河床砂厚度的增加而增加.反滤层渗透系数对渗管出水量的影响要大于水头高度对出水量的影响.回归方程的方法提高了渗管出水量计算的精度,可用于实际工程的指导,在渗管取水工程的设计中需考虑天然河床砂与人工反滤层之间的交互作用,根据天然河床砂的渗透系数与厚度合理选择人工反滤层.
2020 Vol. 38 (2): 188-193 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 1395KB] ( 355 )
194 周黎,叶水根*,徐飞鹏,李云开,岑剑涛
冷凉地区膜下滴灌大白菜耗水规律及节水潜力
为探索冷凉地区露地大白菜在膜下滴灌条件下的耗水规律与节水潜力,在张家口市灌溉试验站内使用大型称重式蒸渗仪,采用灌水下限指标控制灌水的方法,研究了在膜下滴灌条件下大白菜生育期内蒸发蒸腾与棵间蒸发规律,并通过与常规滴灌和膜孔畦灌的耗水量、产量和水分利用效率等对比,揭示了膜下滴灌在该地区节水增产潜力.结果表明:膜下滴灌大白菜全生育期蒸发蒸腾量214.76 mm,其中:幼苗期、莲座期和结球期蒸腾耗水量分别为14.76,73.56和126.44 mm,日均蒸腾强度为3.64 mm/d;全生育期棵间土壤蒸发量41.10 mm,占总耗水量的19.14%.膜下滴灌相比常规滴灌、膜孔畦灌减少大白菜耗水量14.25,94.17 mm,棵间蒸发与膜孔畦灌相近,相比常规滴灌减少16.18 mm(28.25%),但产量、灌溉水利用效率和水分利用效率可以分别达到80 439.75 kg/hm2,350.24 kg/(hm2·mm),374.56 kg/(hm2·mm),相比常规滴灌提升11 152.65 kg/hm2,18.89 kg/(hm2·mm),72.54 kg/(hm2·mm),相比膜孔畦灌提升14.7 kg/hm2,134.11 kg/(hm2·mm),114.23 kg/(hm2·mm).
2020 Vol. 38 (2): 194-199 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 1227KB] ( 339 )
200 刘乐,费良军*,曾健,陈琳,傅渝亮,钟韵
容重对土壤水氮垂直运移特性影响
为研究不同土壤容重下红壤土与黄土中水分与硝态氮垂直一维入渗运移特性差异,提高红壤与黄土地区水肥利用效率,以江西壤黏土与西安粉壤土为研究对象,采用垂直一维入渗方式模拟土壤容重对2种土壤中水分及硝态氮垂直运动规律的影响.结果表明:江西壤黏土与西安粉壤土的湿润锋运移距离及入渗速率均与土壤容重呈负相关;灌水结束时与再分布1 d后,2种土壤的含水率均与土壤容重呈负相关,西安粉壤土的含水率略大于江西壤黏土;土壤容重越大,硝态氮越集中于深层土壤中且其峰值越高,再分布过程中峰值下降,其中容重为1.25,1.35,1.40 g/cm3的峰值下降较大.灌水结束时土壤容重对40~50 cm土层内的硝态氮质量比在0.05水平下均具有统计学意义;再分布1 d后,2种土壤在0~30 cm土层内的硝态氮质量比相差甚小,在30~60 cm土层内的硝态氮质量比均较高,但西安粉壤土的硝态氮质量比更高.故江西壤黏土中硝态氮更容易淋溶,而西安粉壤土的持水持肥性较好.
2020 Vol. 38 (2): 200-205 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 1291KB] ( 356 )
206 陈帅,毛晓敏*
滴灌土壤湿润体迁移计算的人工神经网络模型
基于非饱和土壤水分运动理论和单点源滴灌中土壤水分迁移特征,应用HYDRUS-2D/3D模型对33种土壤质地(分属11类土质类型,美国制土壤质地分类系统)、不同滴灌流量(1,2,3 L/h)下的湿润体运动过程进行了数值模拟,然后根据不同土壤质地和滴灌流量下湿润体动态变化的HYDRUS模拟结果,以滴灌量和土壤饱和导水率与滴灌流量的比值作为输入变量,构建了描述滴灌湿润体在不同土质和滴灌流量下迁移变化的人工神经网络模型.该模型输入变量少、易于操作,且将模型计算结果与实测情况对比表明,计算的入渗过程与实测的入渗过程基本一致,相关系数的平方(R2)均在0.82以上,因此该模型对不同土质中湿润体运移规律的预测效果较好.
2020 Vol. 38 (2): 206-211 [摘要] ( 44 ) [HTML 1KB] [PDF 1475KB] ( 318 )
212 郑珍,王子凯,蔡焕杰,*
基于SIMDual_Kc模型估算非充分灌水条件下冬小麦蒸散量
为研究关中冬小麦植株蒸腾和土壤蒸发规律,利用2 a冬小麦小区控水试验实测数据,率定和验证了双作物系数SIMDual_Kc模型在关中地区的适用性.用大型称重式蒸渗仪的实测蒸散量值(或水量平衡法计算值)与模型模拟值进行对比.结果表明:SIMDualKc模型可较准确地模拟关中不同水分条件下冬小麦蒸散量,且模拟精度较高.模型估算的平均绝对误差为0.643 3 mm/d.模型估算的冬小麦初期、中期和后期的基础作物系数分别为0.35,1.30,0.20.另外,模型还可以较准确地估算不同水分供应条件下的土壤水分胁迫系数、土壤蒸发量和植株蒸散量.冬小麦整个生育期,土壤蒸发主要发生在作物生育前期,中期较低,后期略微增大;植株蒸腾主要发生在作物快速生长期和生长中期,整个生育期中呈先增大后减小的趋势.
2020 Vol. 38 (2): 212-216 [摘要] ( 39 ) [HTML 1KB] [PDF 1358KB] ( 330 )
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编辑出版
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