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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 4期
刊出日期：2020-04-25
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 (4): 1- [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [PDF 16715KB] ( 259 )
2
目录
2020 Vol. 38 (4): 2- [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 968KB] ( 329 )
325 陆伟刚*,王东伟,施伟,刘军,徐磊
电动机前置和电动机后置潜水贯流泵装置水力性能比较
为了推动潜水贯流泵装置在低扬程泵站中的应用,提出了电动机前置的新型潜水贯流泵装置型式.基于某大型潜水贯流泵站的设计参数,分别设计了电动机前置和电动机后置2种型式的潜水贯流泵装置方案,采用数值模拟方法对这2种型式潜水贯流泵装置的三维流场分别进行数值计算和分析,预测泵装置的扬程和效率,并比较其水力性能和结构特点.结果表明:这2种型式潜水贯流泵装置的进水流道内水流收缩都平缓均匀、流线层次分明,电动机前置方案出水流道内水流扩散平缓且无旋涡或其他不良流态,电动机后置方案出水流道内主流偏向流道扩散段右下侧并在左上侧产生旋涡;电动机前置方案的流道水头损失小、泵装置效率高,水力性能优于电动机后置方案;电动机前置方案的潜水电动机密封更可靠、电动机支撑结构更合理、水泵导叶体的水力设计更成熟.潜水贯流泵装置应优先采用电动机前置方案.
2020 Vol. 38 (4): 325-331 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 5017KB] ( 386 )
332 彭光杰,*,周国新,胡自强,周红
小流量工况下背叶片对重型渣浆泵磨损的影响
针对重型渣浆泵在偏离设计工况运转时出现的局部磨损情况进行了研究,应用Particle模型对重型渣浆泵高浓度浆体输送进行数值模拟,并通过试验验证,分析了节流设计的重型渣浆泵在小流量工况运转时,叶轮前后背叶片的设计对泵内部局部磨损的影响.研究结果表明:节流设计的渣浆泵在小流量工况下运行时,内部流场比设计工况下更加不稳定,扬程下降3%~10%;护套内部颗粒体积分数的分布受前后背叶片影响很小,但对颗粒滑移速度会产生明显影响;当设计有前后背叶片的重型渣浆泵在小流量工况下运行时,护套与转子交界靠近隔舌处固体颗粒的滑移速度激增,产生严重的局部磨损,严重影响使用寿命;通过去除前后背叶片,可以有效降低交界处的颗粒滑移速度,减轻磨损程度;但前背叶片的去除也会造成前腔回流量大幅增加,使前腔内部旋涡强度增大,加剧前护板内侧的磨损.
2020 Vol. 38 (4): 332-338 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 3111KB] ( 466 )
339 董志强
蜗壳式混流泵轴向力的数值计算与试验验证
以某型号蜗壳式混流泵为例,构建基于压力分布理论的无泄漏模型,提出并构建基于泵腔体内真实流动的泄漏模型,分别对2种模型在0.03Qopt~1.20Qopt工况下的流动进行仿真模拟,计算得出其轴向力随流量变化的曲线,并将数值计算结果、理论计算结果与试验结果进行对比,详细分析了不同轴向力计算方法的准确性及泄漏流动对轴向力的影响.结果表明:叶轮盖板后腔压力是混流泵产生轴向力的主要因素,泄漏流动可以有效降低其内部压力;基于无泄漏模型的数值计算法和理论计算法均建立在盖板腔内无泄漏的假设之上,忽略了泄漏流动对轴向力的影响,导致计算结果存在较大偏差,2种计算方法的最大误差分别为25%和44%.基于泄漏模型的轴向力数值计算数据与试验数据比较接近,最大误差在10%以内,计算精度大幅提升,说明基于泄漏模型的轴向力数值计算方法具有更高的准确性和可行性.
2020 Vol. 38 (4): 339-345 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 2600KB] ( 416 )
346 吴国桥,张井超,蒋小平,*,王莉,王鑫伟
分流叶片对高速井泵压力脉动的影响
针对高速井泵采用分流叶片设计带来的稳定性问题,运用Creo3.0软件建立了叶轮、导叶等关键零件的三维模型;在CFX数值模拟数据与外特性试验数据吻合较好的基础上,将分流叶片的进口直径d1与叶轮外径D2的比值定义为一个表达分流叶片综合特性参数的量纲一化系数σ.σ分别取值0.60,0.62,0.65,设计分流叶片长短不同的3个叶轮方案,且对各方案的动静干涉区域进行了详细的压力脉动数值模拟计算及分析.结果表明:压力脉动幅值大小与监测点和交界面的径向距离有关,径向距离越大,压力脉动幅值越小;各监测点压力脉动随分流叶片长度的减小逐渐减弱,当分流叶片长度减小到某一临界值以后,压力脉动基本保持不变;当σ=0.62时,压力脉动幅值较小,脉动周期清晰;除中流线上的监测点以外,各监测点压力脉动主频受叶轮叶频的影响较大,分流叶片对中流线上监测点的压力脉动影响较大.
2020 Vol. 38 (4): 346-352 [摘要] ( 48 ) [HTML 1KB] [PDF 3689KB] ( 478 )
353 陆于衡,冉红娟*,史天蛟,刘永,钱信如
翼型间隙空化数值模拟的湍流模型比较分析
为了比较不同湍流模型对间隙泄漏空化计算的影响及间隙泄漏空化的流动特性,利用CFD方法对一侧有间隙的翼型绕流流动进行分析.选取具有不同攻角和间隙的翼型作为研究对象,并利用3种常用的湍流模型,结合修正后的空化模型,对翼型间隙泄漏涡引起的空化进行计算.计算结果表明:修正密度的RNG k-ε模型对间隙泄漏空化的形态预测及泄漏涡附近主流方向速度分布的预测更为准确;受壁面条件和翼型尾迹的影响,泄漏涡所在位置的主流方向速度在间隙为10 mm时具有较大值.小间隙条件下,翼型间隙内侧的剪切空化更为强烈,翼型上方的泄漏空化距翼型上表面更远.间隙增大至10 mm时,较高的涡中心速度使泄漏涡空化发展距离更远、溃灭更慢.翼型叶顶的圆角对间隙流动有一定的引导作用,使间隙内侧及其附近的速度分布更为均匀,并对空化的发生位置产生影响.
2020 Vol. 38 (4): 353-359 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 2766KB] ( 514 )
360 张华,陈斌*,汪源,徐云峰,王震
质量不平衡对单叶片叶轮径向受力的影响
为了寻找改善单叶片离心叶轮径向受力的方法,通过对一单端面配重的单叶片叶轮进行研究,在外特性试验验证定常数值计算精度的前提下,进行非定常数值计算,获得了单叶片叶轮的径向力矢量分布规律,发现设计工况附近,叶轮所受径向力的方向与叶片相对位置基本固定.基于整周期内径向力的矢量平均,获得平均径向受力的大小和方向.利用虚拟样机仿真技术,获得了质量平衡的叶轮,以及质量不平衡的叶轮;该叶轮的不平衡质量在旋转作用下产生的离心力,正好与平均水力径向力大小接近、方向相反.通过单向流固耦合仿真,发现偏心质量叶轮在实际运行中径向受力大幅度减小,证明了通过精确控制不平衡质量大小及相位角,减小和改善单叶片叶轮径向受力的方法是可行的.
2020 Vol. 38 (4): 360-364 [摘要] ( 50 ) [HTML 1KB] [PDF 1974KB] ( 563 )
水利水电工程
365 JI Renwei,SHENG Qihu,*,SUN Ke,LI Yan,ZHANG Yuquan,ZHANG Liang,
Influence of different parameters on numerical simulation of vertical-axis marine current turbine based on OpenFOAM
Using the PimpleDyMFoam solver in open-source computing software OpenFOAM, based on the SST k-ω turbulence model and PIMPLE algorithm, a numerical simulation method of vertical-axis marine current turbines(VMCTs)is proposed, and the calculated results are compared with the experimental results. The results show that the numerical simulation method is feasible. Compared with other commercial softwares, this method has the advantages of higher solution efficiency and greater flexibility. According to the needs of users, the solver can be built on the basis of original code, and the corresponding discrete method can be optimized. This method can achieve optimization algorithms, save time and cost, etc. Secondly, the effects of different parameters(mesh density, time step, the selection of sidewall boundary conditions and inlet turbulence intensity)on numerical simulation of the VMCT are studied in detail. The findings summarize an effective CFD simulation strategy based on OpenFOAM and provide a valuable reference for future CFD simulations of VMCTs.
2020 Vol. 38 (4): 365-371 [摘要] ( 40 ) [HTML 1KB] [PDF 2153KB] ( 386 )
372 施伟,*,成立
叶片角度对输水泵站泵装置水力性能影响分析
为研究输水泵站泵装置水力性能受叶片角度变化的影响,采用CFD方法模拟全流道泵装置水力性能,分析设计流量工况下叶片角度变化对进水流道、出水流道流动及叶轮内部流动特性和水力性能的影响.结果表明:在设计流量工况下,叶片角度偏离设计工况角度,叶轮进口近轮毂区存在回流、脱流;叶片角度偏离设计工况角度越大,进水流道、出水流道内水流流态越差,水力损失越大.当叶片角度调节为-8°工况时,与叶片角度-0°工况比较,进水流道和出水流道水力损失相对值最大,分别为1.28和2.89.即叶片同等偏离角度下,出水流道水力损失增大幅度较进水流道更加明显.对比数值模拟结果与模型试验结果得出,在设计流量工况,叶片角度为0°时,扬程相对误差为1.2%,效率相对误差为2.1%,两者吻合较好.
2020 Vol. 38 (4): 372-377 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 2415KB] ( 478 )
流体工程
378 薛林,袁寿其,向清江*,徐婕
消防水炮主体弯管的绕转结构出口流态分析
采用标准k-ε湍流模型对180 mm管内径的3种绕转结构(传统回转、半回转、大回转)内部流动进行了数值模拟,对比和分析了水力损失和出口流态,其中出口流态参数包括平均湍动能、速度分布曲线和迪恩涡.结果表明:随着弯管曲率R/d的增大,3种形式的水炮主体的水力损失均减小,相同的R/d=1.4情况下传统回转结构具有最小的水力损失,半回转结构水力损失最大;绕转结构的出口速度分布曲线显示,管轴线附近速度低而速度峰值出现在靠近管壁附近,表明出口处流体带有旋转的特点;在R/d=1.4情况下,大回转结构形式的出口具有最小的平均湍动能值,出口流线具有一个顺时针方向的基本涡,与传统回转结构出口涡形态一致,涡量积分后得到的旋涡强度小于传统回转结构.大回转的绕转结构形式有利于后续水炮炮管和喷嘴内部流动.
2020 Vol. 38 (4): 378-383 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 3180KB] ( 526 )
384 卢坤铭,周领*,曹波,刘德有,王欢
起伏管道内水流冲击滞留气团的三维动态特性模拟
采用三维CFD方法对起伏管道内水气耦合作用的过程进行建模和模拟,研究气团压缩-膨胀-变形的三维动态特性.在考虑气团压缩性、水体弹性基础上,采用Standard k-ε、RNG k-ε 和Realizable k-ε这3种湍流模型进行模拟研究,并将三维计算结果、现有一维模型计算结果与试验结果进行了对比分析.结果表明:与一维模型相比,所采用的三维CFD模型能够较准确地模拟起伏管道内水流冲击滞留气团瞬变过程中气水形态变化和压力波动;Standard k-ε湍流模型能够较好地模拟压力峰值和波动周期,RNG k-ε 、Realizable k-ε湍流模型次之;整个过程中,水-气两相互相掺混,水-气交界面自由变化,并不垂直于管道中心线,与管道中心线呈一定的夹角存在;三维CFD计算结果可以很好地模拟较短长度气团的动态特性变化.
2020 Vol. 38 (4): 384-389 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 3133KB] ( 400 )
390 方玉财,*,高志鹰,闫萌萌,陈永艳,
叶片挥舞振动后风轮流场特性
为了研究水平轴风力机叶片挥舞振动后风轮尾迹流场特性的变化规律,以某NACA翼型风轮为研究对象,通过自定义UDF代码及采用动网格技术成功控制了叶片振型,使得风轮在三维旋转的同时做垂直于旋转面的挥舞运动.数值模拟中利用Fluent计算平台对风轮尾迹速度场、涡量场及压力脉动特性进行研究.研究结果显示:施加振动后风轮在1个旋转周期内均会在叶中附近产生相对速度增益区、叶尖处会产生速度亏损区域,从而使叶片受力更加不均匀,出现较大压差,加速叶片的损坏与断裂;施加挥舞振动后叶尖处涡量强度增加,叶尖涡的脱落有所延迟;施加振动前后压力脉动均呈现周期性波动,且在径向0.5 m处压力脉动波动最为明显.通过引入新的非定常因素,揭示挥舞振动对风轮尾迹流场特性影响规律,使数值模拟结果更加逼近风力机实际运行状态,对风力机叶片设计具有指导意义.
2020 Vol. 38 (4): 390-395 [摘要] ( 40 ) [HTML 1KB] [PDF 3534KB] ( 479 )
农业水土工程
396 袁成福,冯绍元,*,霍再林,王庆明
基于SWAP模型的春玉米咸水非充分灌溉模拟
为了探究石羊河流域适宜春玉米生长的咸水非充分灌溉模式,应用SWAP模型模拟不同灌溉模式下的土壤水盐平衡、春玉米相对产量和相对水分利用效率,并预测了较长时期土壤水盐动态变化规律.研究结果表明:灌溉水矿化度为0.71 g/L和3.00 g/L的春玉米最优灌溉模式为生育期内灌4次水,灌溉定额均为408 mm,2种灌溉模式均能达到节约灌溉用水、提高作物产量和水分利用效率以及减少土体盐分累积量的目的.较长时期土壤水盐动态变化规律模拟结果表明:在冬灌条件下,春玉米最优灌溉模式下的土壤水分和盐分能够在模拟期内保持相对平稳的状态;在不同年份,相同土层土壤含水率随着土层深度的增加而增大,0.71 g/L的淡水灌溉土壤盐分主要累积在40~80 cm土层,3.00 g/L的微咸水灌溉土壤盐分主要累积在10~40 cm土层;5 a的模拟结果表明0.71 g/L和3.00 g/L的水持续灌溉5 a,不会引起土壤次生盐渍化.
2020 Vol. 38 (4): 396-402 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 2147KB] ( 372 )
403 张鹏,胡心雨,陈官运,曾健,尹凯,钱建军,张倩*
泰安棕壤土不同土地利用类型饱和导水率比较
为了分析土地利用类型对土壤饱和导水率的影响,利用单环入渗概化解法对泰安棕壤土草地、麦地、果树行间裸地3种土地利用类型饱和导水率进行研究.结果表明:草地、麦地、果树行间裸地的饱和导水率、入渗速率以及累计入渗量呈现依次降低的变化趋势.随着时间的增加,累计入渗量不断增加,试验时间120 min内,草地累计入渗量最大,数值为78.564 cm;麦地入渗量次之,数值为67.609 cm;果树行间裸地入渗量最小,数值为30.082 cm.利用实测累计入渗量与观测时间的拟合关系,得到3种土地利用类型累计入渗量的表达式,对累计入渗量进行估算,草地、麦地、果树行间裸地累计入渗量计算值与实测值相对误差分别在6,8,7 min后波动在5%以内,在15,52,56 min后波动在1%以内,同时推求了草地、麦地和果树行间裸地3种不同土地利用类型下的土壤饱和导水率Ks分别为0.073 1,0.032 9,0.015 8,以期为不同土地利用类型对原状土饱和导水率的影响研究提供参考.
2020 Vol. 38 (4): 403-408 [摘要] ( 50 ) [HTML 1KB] [PDF 1435KB] ( 696 )
409 曾忠义,邵光成*,丁鸣鸣,姚俊琪
灌区现代化程度认知及其影响因素分析
为了确定灌区现代化建设的内容和重点,选取江苏省35个大中型灌区的数据样本,采用结构方程模型系统研究了灌区现代化程度认知及其影响因素.数据分析显示,观测变量的标准因子载荷系数均约为0.75,KMO值为0.973,Bartlett 球状检验的卡方统计值为1 682,说明样本数据的有效性和相关性较高.研究结果表明:灌排体系、用水计量与信息化、管理体制、服务保障、生态环境、人居环境、防灾减灾、水资源安全保障、经济效益和用水效率都在不同程度上影响着灌区现代化的认知程度.其中灌排体系的影响最大,服务保障的影响最小.灌区现代化应当是全面的、整体的现代化,必须统筹全局,综合灌区基础设施体系、管理与服务体系、生态健康体系、安全保障体系和效率与效益体系,全面发展.
2020 Vol. 38 (4): 409-414 [摘要] ( 42 ) [HTML 1KB] [PDF 1302KB] ( 382 )
415 姜瑞瑞,费良军*,傅渝亮,康守旋,刘腾
多因素浑水膜孔灌入渗特性分析
主要选取土壤容重、土壤初始含水率、膜孔直径和浑水含沙率4个影响因素,研究多个因素综合作用下的浑水膜孔灌单点源入渗特性及分析各因素的敏感性.试验采用正交设计,利用SPSS软件多元回归分析法,对四因素影响下的单位膜孔面积累积入渗量进行了回归分析,拟合决定系数R=0.98,表明各影响因素均对浑水膜孔灌单点源入渗有影响.利用相对值法分析了各因素入渗参数对单位膜孔累积入渗量的影响程度,且显著程度由大到小依次为膜孔直径、土壤容重、土壤初始含水率、浑水含沙率;利用敏感性指标判断得出在同一入渗时间,各影响因素越大对浑水膜孔灌单点源入渗的入渗速率的影响越弱.
2020 Vol. 38 (4): 415-420 [摘要] ( 45 ) [HTML 1KB] [PDF 1910KB] ( 456 )
排灌装备制造技术
421 汪石川,祝小元*,李豆豆,张桂臣
非理想网络环境下永磁同步电机转速鲁棒控制
针对网络化控制中通信时滞条件下永磁同步电机转速控制问题,首先在网络环境下建立永磁同步电机时滞动力学模型;然后基于模型展开系统调速鲁棒控制器设计,并通过构造Lyapunov-Krasovskii函数得到系统转速控制稳定性条件,进一步利用LMI工具箱计算出相应的鲁棒控制器增益;最后为验证控制器性能,基于SimEvents搭建控制器局域网络(CAN)通信模块,引入干扰信号,以真实反映网络通信诱发的不确定性延迟,并通过MATLAB/Simulink建立基于控制器局域网络的永磁同步电机调速控制系统模型,监测电机转速、相电流及转矩,展开仿真对比分析.结果表明:在非理想网络环境下,采用所设计的调速鲁棒控制器的系统稳定性较传统PI控制器矢量控制方法有显著提高,可以满足永磁同步电机转速控制稳定性要求.
2020 Vol. 38 (4): 421-426 [摘要] ( 33 ) [HTML 1KB] [PDF 6779KB] ( 566 )
427 石凯,刘贞姬*,李曼
新型翻板网式过滤器水头损失试验研究
试验以一种新型翻板网式过滤器为研究对象,重点探究其水头损失的变化规律以及水头损失的数学表达式.通过室内原型试验,重点开展翻板网式过滤器水头损失与进水流量以及进水含沙量关系的试验探究.结果显示,进水流量是翻板网式过滤器水头损失的重要影响因素,随着进水流量的增加,水头损失增加;同时,根据局部水头损失公式及连续性方程建立了水头损失与进水流量之间的数学表达模型,并将试验结果进行拟合验证.计算结果与试验结果误差基本小于10%,且公式拟合度可达90%以上.同时试验设定各流量和含沙工况符合实际微灌工程的工作工况,故公式可指导新型翻板网式过滤器水头损失的理论计算,同时作为确定排污压差和排污时间的理论依据,确保翻板网式过滤器最优工况运行.
2020 Vol. 38 (4): 427-432 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 2256KB] ( 389 )
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协办单位
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 国家水泵及系统工程技术研究中心
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主　　编
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编辑出版
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