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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 3期
刊出日期：2020-03-25
泵理论与技术
水利水电工程
流体工程
农业水土工程
排灌装备制造技术
   
泵理论与技术
1
封面
2020 Vol. 38 (3): 1- [摘要] ( 19 ) [HTML 1KB] [PDF 2479KB] ( 313 )
2
目录
2020 Vol. 38 (3): 2- [摘要] ( 14 ) [HTML 1KB] [PDF 1242KB] ( 406 )
217 徐海良,*,彭能,杨放琼,
浆体流量对矿浆泵空化特性的影响
为分析浆体流量对深海采矿矿浆泵空化特性的影响,建立了两级矿浆泵三维流场模型.基于欧拉多相流模型、Schnerr-Sauer空化模型、RNG k-ε湍流模型,利用计算流体力学理论和Fluent软件对矿浆泵进行数值计算.设置矿石颗粒直径d为20 mm,浆体中颗粒体积分数CV为8%,矿浆泵转速n为1 450 r/min,在该工况下研究矿浆泵输送不同浆体流量时泵的空化特性,比较不同空化特性下矿浆泵内压力分布、气相分布及工作性能的不同,并进行试验对比验证,为矿浆泵空化特性提供理论依据.研究结果表明:深海采矿矿浆泵首级叶轮前端呈现明显的低压区,且该低压区域的面积随着流量的增大而减小;气相体积分数分布区域与低压区呈现类似的规律;空化发生区域出现了速度旋涡现象,增大了流场的不稳定性;随着流量的增加,空化余量增大,空化现象不明显,对矿浆泵扬程的影响也越小.
2020 Vol. 38 (3): 217-223 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 2512KB] ( 511 )
224 黎义斌*,何慧,范兆京,李建忠
叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化流动的影响
为了研究不同叶顶间隙值对斜流泵叶轮内部空泡稳定性的影响,获得叶顶间隙的最佳范围,基于标准SST k-ω湍流模型和均相流模型对斜流泵内部空化流动进行了数值模拟.结果表明:叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化性能有显著影响,小流量工况下随着叶顶间隙的增大,叶顶泄漏涡的湍流尺度和强度逐渐增加,临界空化数随着叶顶间隙的增大而逐渐减小;当临界空化数为0.357时,较大的叶顶间隙可以抑制叶片表面的初生空化;当叶片发生严重空化时(σ=0.123),较小的叶顶间隙抑制叶片表面产生大尺度空泡;当叶顶间隙较小时,空泡团稳定附着在吸力面;随着叶顶间隙的增大,空泡脱落区向主流移动并聚集在叶片吸力面中部,空化体积分数逐渐增大.
2020 Vol. 38 (3): 224-229 [摘要] ( 39 ) [HTML 1KB] [PDF 2597KB] ( 352 )
230 汪家琼,*,王凯,孙静如,赵瑞杰,童凯,柏宇星
磁力联轴器涡流损失的数值计算与试验
为研究转速、隔离套材料以及转角差对磁力联轴器涡流损失的影响规律,对圆筒型磁力联轴器进行稳态磁场数值计算.计算结果表明:涡流损失随转速的提高成倍增长,转速为3 000 r/min时的涡流损失值约为500 r/min时的24倍;材料电导率不同,所制成的隔离套涡流损失也不同,钛板TP340电导率为304SS的1.65倍,其涡流损失为后者的1.61倍;在1个磁极周期内,转角差增大1°,涡流损失值约增大1%.对该磁转子进行试验测试,结果表明:在转速分别为3 000,500 r/min条件下,304SS隔离套的涡流损失之比是23.0,而TP340隔离套的涡流损失之比为24.6;涡流损失随耦合长度减小而减小,且在高速下减小更多,耦合长度每减小10 mm,转速500 r/min时涡流损失值约下降3.6%,转速3 000 r/min时涡流损失值约下降10%.对比数值计算与试验结果,其能量损失变化趋势较一致.
2020 Vol. 38 (3): 230-235 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 2919KB] ( 459 )
236 钱晨*,杨从新,胡小杰,张扬,侯凯文
平衡鼓间隙对多级泵后腔压力及轴向力的影响
为研究多级离心泵平衡鼓径向间隙尺寸变化对末级叶轮后泵腔压力及轴向力的影响,基于SST k-ω湍流模型,应用Fluent软件分别对节段式多级离心泵进行数值计算,分别模拟平衡鼓径向间隙为0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 mm的6种设计工况下,平衡鼓径向间隙尺寸对多级泵效率及平衡鼓轴向平衡能力的影响.计算结果表明,随着平衡鼓间隙增大,末级叶轮后泵腔内流体压力沿径向逐渐增大,后盖板外壁面压力分布不均匀;末级叶轮后泵腔中心截面压力呈平衡鼓间隙越大,后泵腔压力取值整体减小趋势,其压力幅值呈先减小后增大的趋势;末级叶轮所受轴向力在间隙为0.3 mm时最小;多级泵的效率随着平衡鼓间隙泄漏量的增大而降低,当泄漏量q>0.887 kg/s,效率降低明显.
2020 Vol. 38 (3): 236-240 [摘要] ( 90 ) [HTML 1KB] [PDF 4056KB] ( 566 )
241 代翠,陈怡平,董亮*,王照雪
离心泵叶片仿生非光滑结构的布置位置
为研究离心泵叶片上仿生非光滑减阻效果与仿生非光滑结构布置位置的关系及离心泵水力效率对仿生结构布置位置的敏感程度,将仿生非光滑结构分别均匀布置于离心泵叶片的6种不同位置上.利用ANSYS软件进行数值模拟,研究了目标流量下6种方案离心泵的性能参数及叶轮内部流动情况,将根据数值计算结果得到的仿生非光滑结构的最佳布置方案与常见布置方案在全流量下进行对比分析,并在应用相同仿生非光滑结构布置方式的前提下,分析了粗糙度的影响.结果表明:该离心泵模型在目标流量下,应用仿生叶片后,其水力效率变化有限,而叶片壁面上平均剪应力相较于光滑壁面情况下降最大约12.7%;布置于任意位置的仿生非光滑单元均能在一定范围内产生减阻效果,相邻仿生单元对于同一壁面位置的减阻效果不具有线性叠加关系;在全流量下,将仿生非光滑结构布置于叶片背面的中部,相比于将其布置于叶片背面的出口部分,增效率与减阻率均更为优秀,且2种方案的增效率与减阻率随流量变化的趋势较为相近;粗糙表面尽管能和仿生结构表面一样在近壁面形成低速层,但无法实现减阻效果.该研究表明,仿生结构对离心泵水力效率的影响与模型本身有关,在使用一定个数的仿生凹坑单元的前提下,应尽量将凹坑布置在剪应力大处.
2020 Vol. 38 (3): 241-247 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 2304KB] ( 367 )
水利水电工程
248 练继建,王婷杰,王海军*,王鸿振
基于原型振动测试的水轮机顶盖螺栓疲劳分析
以国内一大型高水头水电站为例,对水轮机顶盖振动展开变负荷稳定工况、开停机工况以及甩负荷极端工况下的原型测试和分析;建立顶盖及螺栓的有限元模型,结合实测振动数据与有限元动力分析,反演了顶盖水压脉动荷载;运用线性疲劳累积损伤理论和雨流计数法,结合机组一年内的实际运行方式,分别进行了年正常运行工况和甩负荷极端工况下顶盖螺栓的疲劳分析.计算结果表明:100 MW稳定负荷工况时顶盖水压脉动荷载双幅值约为19.3 m水头,为机组额定出力工况(600 MW)的5.6倍;同一工况下顶盖螺栓的破坏循环次数随存活率增大而出现较大程度降低,100 MW稳定负荷工况下存活率由95%增大至99%时,顶盖螺栓的破坏循环次数则由6.488×107次降低到2.415×107次,降幅为62.8%;考虑99%的存活率标准,甩负荷工况下的顶盖螺栓破坏循环次数为7.494×105次,仅为各稳定工况下螺栓疲劳寿命的3%~5%.
2020 Vol. 38 (3): 248-253 [摘要] ( 50 ) [HTML 1KB] [PDF 1615KB] ( 550 )
254 李楠,张健*,石林,陈旭云,张小莹
空气罐与超压泄压阀联合水锤防护特性
提出了一种空气罐与超压泄压阀联合设置的停泵水锤防护方案,并基于瞬变流计算的特征线法建立了空气罐、液控蝶阀、超压泄压阀等边界条件的数学模型,模拟了停泵工况下系统的压力变化过程.结合工程实例,对比分析了空气罐单独防护、空气罐与两阶段关闭泵后液控蝶阀联合防护以及空气罐与超压泄压阀联合防护对停泵水锤的影响.在空气罐体型一定时,对超压泄压阀的启闭规律进行了敏感性分析.计算结果表明,空气罐与两阶段关闭泵后液控蝶阀联合防护方案对输水系统正负水锤防护均不利;而空气罐与超压泄压阀联合防护方案对输水系统正负水锤均有较好的防护效果,与空气罐单独防护方案相比,泵后高压管段最高压应力由1.343 MPa降至1.087 MPa,在满足承压标准1.2 MPa的基础上安全裕度提高了9.4%,空气罐体型也由200 m3缩减至160 m3.超压泄压阀应在5 s内开启至全开度,且开启后持续时间应接近1个相长.
2020 Vol. 38 (3): 254-260 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 1674KB] ( 516 )
261 刘硕敏,吴荣芳,刘灿灿,王冬梅,解清杰*
海绵校园建设中重力流生态滤池的管理问题与对策
结合某海绵校园重力流生态滤池工程实例,针对重力流生态滤池处理工程中防堵塞管理和植物管理等问题进行概括性地分析探讨;研究发现,采用滤网过滤、厌氧沉淀、混凝沉淀等预处理工艺可有效截流雨水径流中的颗粒污染物;通过机械清除、介质固化、介质覆盖等局部更换介质的方法可较好地解决堵塞问题,实施停床休作与轮作、定期清洗清淤也有利于发挥重力流滤池的正常效能;同时,植物作为重力流生态滤池中净化功能和生态景观最重要的一部分,针对其具体的选用原则、种植方式及合理密度等方面进行研究,提出了进水单元种植驱蚊类植物、中段单元种植抗藻类植物、出水单元种植抗藻和杀菌类植物的配置方案,并给出了一些典型植物的种植密度和日常管理方式等;最终可达到降低生态滤池进水中的悬浮物和有机负荷、有效预防生态滤池堵塞、维持生态滤池系统稳定的效果.
2020 Vol. 38 (3): 261-265 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 1640KB] ( 563 )
流体工程
266 付强,余健恩*,闫强,郝国帅,沙龙,朱荣生,王秀礼
基于Flowmaster的不同阀门开度对供水管网优化
为了进一步提高供水管网的优化性能,利用 Flowmaster仿真软件,给出了管道、闸阀、阀门开度控制器等原件的建模过程,研究了阀门在不同程度下开启度对优化供水管网系统的影响,并建立多组对比模型参数进行仿真且着重分析了在阀门不同开启度下系统中管道阻力系数的变化.首先以流体管路系统为研究对象,对系统整体进行建模,其次对闸阀、管道的阻力损失规律进行优化分析,最后针对不同供水工况分别探究了阀门开启度对管道阻力损失的影响,得出最佳阀门开启度.结果表明,当供水管网系统分别处于大、小流量运行工况时,此时应根据用户实际用水需求量、阀门阻力系数、管道损失系数等方面因素综合调节各阀门开度,从而可以适当降低管网中的水力阻力损失,优化供水管网系统.
2020 Vol. 38 (3): 266-270 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 1916KB] ( 686 )
272 张智,郑源*,蒋洁青,李城易
污水搅拌器摆放角度对流场性能影响
针对搅拌器摆放角度不合理、污水处理池内液体能耗过大造成的底部流速较低等问题,基于Fluent对搅拌器在不同摆放角度下的流场进行数值模拟,以优化设计、减少污泥沉淀.通过UG建立三维实体模型并进行四面体网格划分,利用标准k-ε湍流模型以及 SIMPLEC 算法对处理池进行模拟.在改变搅拌器摆放角度的情况下,对比处理池内的流速分布情况和平均速度大小,得出不同摆放角度对搅拌器推流搅拌效果的影响;同时还对流场中旋涡结构与搅拌能耗的关系进行了研究.结果表明:摆放角度为50°时,底部截面平均流速最大提高17.6%,体平均流速可提高6%,最大降低底部死区率12%,推流搅拌效果最佳.同时,搅拌效果也受旋涡结构影响,旋涡数量越少,单个旋涡尺度越大,旋涡能耗越低,流态越平稳,推流搅拌效果越好.可以通过改变搅拌器摆放角度,改善内部流态,减少污泥沉淀现象,降低旋涡能耗,达到改善推流搅拌效果的目的.
2020 Vol. 38 (3): 272-276 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 3193KB] ( 429 )
277 LI Meixiang,ZHU Keqian,XIE Yu,CAI Tingting,YUAN Ningyi,DING Jianning,*
Transient heat transfer characteristics of air-array-jet impingement with different nozzle arrangements on high-tempera-ture flat plate in small jet-to-plate distance
Numerical studies on transient heat transfer characteristics of air-array-jet impingement are presented, for a small jet-to-plate distance and a large temperature difference between nozzles and plate in the paper. The dimensionless jet-to-plate distance(H/D)is 0.2, and non-dimensional nozzle-to-nozzle spacing(S/D)is 3,4,5 and 6, respectively. It is found that the quenching time is shortened at a constant total mass flow at air jet inlet m·(m·=218.21 kg/h), and the heat transfer uniformity is deteriorated as S/D increases. However, the added reversed-flow nozzles can shorten the quenching time of the glass plate considerably with a modest change in the heat transfer uniformity. The results at variable m· are the same as those at a fixed m·. Furthermore, the arrangement of nozzles is also discussed in this paper. Based on these results, an appropriate proposal for ultra-thin glass tempering process is presented.
2020 Vol. 38 (3): 277-284 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 3263KB] ( 332 )
农业水土工程
285 粟晓玲,*,谢娟,周正弘,
基于SD变化环境下农业水资源供需平衡模拟
为了探讨变化环境对农业水资源供需平衡的影响,运用系统动力学软件Vensim-Dss建立了农业水资源供需平衡的系统动力学模型,综合考虑社会经济发展和气候变化情景,仿真模拟了变化环境下农业供、需水量及缺水量的变化情况.石羊河流域模拟结果表明:未来农业供水量和需水量受气候变化的影响程度不同,但 2033年以后,农业供水量在不同气候变化情景下的变化趋势相同;不同行政区农业水资源系统对气候变化的响应存在明显差异,金昌市A2气候情境缺水率大于B2情景,在2029年、2038年缺水率分别达到32.0%,28.6%, B2情境下,2021年开始出现轻度缺水,中度缺水年仅出现在2023年和2039年,缺水率分别为30.7%,30.5%;武威市A2气候情境下缺水率小于B2情景,仅2038年为中度缺水,缺水率为24.9%,B2气候情景中度缺水年较多,2023年缺水率最大,达到33.2%.研究结果可以对变化环境下区域用水规划和农业发展规划提供指导.
2020 Vol. 38 (3): 285-291 [摘要] ( 57 ) [HTML 1KB] [PDF 4086KB] ( 362 )
292 王幼奇,包维斌,白一茹,*,陆学娥,夏子书,杨帆,钟艳霞,
生物炭对黑垆土土壤水分运移特征参数影响
为了了解生物炭施加对宁南山区黑垆土土壤水分运移特征参数影响,以宁南山区典型土壤黑垆土为研究对象,按0%,1%,2%和3%的比例将土壤改良剂生物炭施加到垂直和水平土柱中,探讨不同施加比例下入渗速率、饱和体积含水量、饱和导水率、饱和扩散率等土壤水分运移特征参数的变化.研究结果表明:生物炭施加比例1%,2%和3%的土壤体积含水量较0%增加了2.98%,6.45%和7.94%,生物炭施加减缓了土壤入渗速率,提高了土壤持水性能;Philip模型比Kostiakov模型更加能反映出不同比例生物炭施加下土壤水分入渗过程;生物炭施加比例1%,2%和3%的饱和体积含水量分别较0%增加了5.05%,8.33%和9.85%,饱和导水率分别减少了45.71%,62.86%和74.28%,生物炭施加提高了土壤持水能力;Van Gencuhten中1%,2%,3%的参数a较0%分别减少了31.90%,29.25%,19.23%;n分别减少了0.28%,0.16%,0.66%;生物炭施加比例1%,2%和3%的饱和扩散率分别较0%减少了58.46%,77.96%和89.28%.生物炭施加改良了土壤结构,增加了土壤体积含水量,提高了土壤持水性能.
2020 Vol. 38 (3): 292-297 [摘要] ( 44 ) [HTML 1KB] [PDF 1737KB] ( 440 )
298 朱瑾瑾,孙军娜,张振华*,杨懋
粉壤土水盐运移对咸淡水交替灌溉的响应
为了分析不同间歇时间和矿化度对黄河三角洲粉壤土水分入渗特征及盐分分布的影响,进行了咸淡水交替灌溉的室内土柱试验,设置4种间歇时间(0, 30, 60, 90 min)和3种咸水矿化度(3,6,9 g/L),分析了累积入渗量、入渗历时、土壤水盐分布等参数变化.结果表明:相同入渗水量下,咸淡水交替灌溉的入渗历时随间歇时间的增加而显著增大.当咸水矿化度为3,6,9 g/L时,咸淡水交替灌溉处理的平均土壤含水率差异不具有统计学意义,但咸水矿化度为3 g/L处理的平均土壤含盐量低于咸水矿化度为6和9 g/L处理,且间歇90 min的平均土壤含盐量远低于其他处理.因此,当咸水矿化度为3 g/L,间歇时间较长的灌溉方式有利于降低土壤盐分.
2020 Vol. 38 (3): 298-303 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 1704KB] ( 393 )
304 汤英,徐利岗*,王怀博,鲍子云
不同水分条件下宁夏枸杞氢氧稳定同位素变化特征试验研究
以宁夏枸杞为研究对象,采取试验区降水、不同灌溉量下枸杞根区土壤水、根系及茎秆样品并测定其氢氧稳定性同位素比率δ18O和δD,分析不同降水量及灌溉量下枸杞稳定同位素的变化特征,利用IsoSource模型计算了枸杞对各潜在水源的可能利用比例.结果表明:试验区降水中δD和δ18O之间有很好的线性关系,并得出了当地大气降水线的回归方程;不同灌溉量,枸杞主根系层(20~60 cm)的土壤含水率和与其对应的δD呈负相关趋势变化,随着土层深度加深,δD减小;降水量不同时,各土层δD变化规律相似,5 mm以下20 cm处的δD最大(-64.39‰),枸杞主要利用表层(0~20 cm)及部分中层(20~40 cm)的土壤水,分别占35.2%及25.1%;降水量为13.9 mm时,20~60 cm处δD相对较丰,为-65.20‰以上,枸杞可利用0~60 cm土层土壤含水量:0~20,20~40,40~60 cm土层的土壤水利用量分别占比22.4%,25.3%及23.2%.结论可为干旱区枸杞科学灌溉提供有益借鉴.
2020 Vol. 38 (3): 304-309 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 1659KB] ( 586 )
310 臧明,雷宏军*,Surya Bhattarai,Ron Balsys,徐建新
不同增氧滴灌方式对蔬菜生长生理指标的影响
为了研究不同增氧方式对盆栽小白菜生长生理指标的影响,以小白菜为供试作物,采用盆栽地下滴灌的方式,以普通地下滴灌作为对照(CK),设置循环曝气(MAI)、双氧水(H2O2)、纯氧扩散器曝气(OC)及射流振荡器曝气(FO)4个增氧灌溉处理.结果表明,增氧地下滴灌显著提高了土壤呼吸速率,处理MAI,OC和FO较对照处理分别增大了65.87%,66.79%和111.62%.增氧地下滴灌促进了小白菜的根系生长、光合作用、蒸腾速率和气孔导度,进而提高了小白菜的物质量积累和产量.与对照相比,处理MAI的地下部鲜质量增大了42.03%,地下部干质量增大了79.85%;处理MAI,H2O2,OC和FO的光合速率分别增大了868.62%,794.14%,778.67%和650.19%;处理MAI,H2O2和OC的气孔导度较CK增大了157.14%,128.57%和85.71%,蒸腾速率增大了55.61%,32.38%和19.58%;处理MAI和H2O2的产量分别增大了56.36%和38.72%.综上,增氧地下滴灌可增强小白菜根区的土壤呼吸作用,改善光合作用、蒸腾速率和气孔导度,提高了产量及水分利用效率.其中,循环曝气处理的改善效果最为显著.
2020 Vol. 38 (3): 310-317 [摘要] ( 55 ) [HTML 1KB] [PDF 1419KB] ( 491 )
排灌装备制造技术
318 薛秀云,张彬,张泽龙,林冬婷,宋淑然,*,李震,洪添胜,
基于ZigBee的液肥变量深施系统设计与试验
为了提高液肥深施效率,设计了一种基于ZigBee的液肥变量深施系统.该系统采用远程电脑终端与STM32F103RET6控制器同步结合实现液肥输出监测与控制:监控液肥水位值的同时利用流量传感器采集当前流量值,并通过ZigBee无线通讯协议传输数据;根据流量预设值,利用增量式PID算法动态调整变频器频率,最终使试验系统能够精确控制液肥流量输出.在试验系统的基础上,通过液肥深施试验以探讨施肥深度、变频器频率、注肥压力、系统用泵的回水开度等参数对流量精确控制的影响,并利用试验数据建立精准控制流量的数学模型.果园试验结果表明,液肥变量深施系统整机施肥精度最高可达99.52%,单次施肥的液肥损耗量最大值为0.22 L/min;在改变施肥深度的情况下,系统液肥输出流量的最大差值为0.15 L/min,变频器频率的最大差值为0.79 Hz.在改变回水开度的情况下,确定了试验中系统的最佳工作参数,即回水开度在40%时,系统工作最为稳定,流量输出误差小,液肥损耗量少.
2020 Vol. 38 (3): 318-324 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 2370KB] ( 385 )
排灌机械工程学报
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