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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 6期
刊出日期:2020-06-25

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 (6): 1- [摘要] ( 3 ) [HTML 1KB] [PDF 2364KB] ( 82 )
2
 目录
 
2020 Vol. 38 (6): 2- [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [PDF 775KB] ( 104 )
541 刘少军,文豪,邹伟生,胡小舟*,董喆
深海扬矿泵磨损特性的两相流数值模拟预测
针对深海扬矿泵的磨损问题,采用Euler-Lagrange两相流模型对泵内流场进行模拟,并与试验结果进行对比,以验证仿真模型的准确性.采用专业旋转机械造型软件BladeGen对叶轮和导叶造型.基于CFX流体分析软件,应用Finnie磨损模型研究深海扬矿泵在不同的流量、转速以及输送不同颗粒体积分数下过流部件的磨损速率,并获得泵内流场颗粒轨迹分布图.结果表明:随着流量的增大,扬矿泵叶轮过流部件的磨损速率增大,但导叶过流部件的磨损速率变化并不明显.这是导叶式渣浆泵与蜗壳式渣浆泵的不同之处.当转速或颗粒体积分数提高时,叶轮和导叶过流部件的磨损速率迅速增大;与导叶相比,叶轮过流部件的磨损速率明显更大,其中叶轮压力面磨损最为严重.根据等寿命设计原则,叶轮过流部件应选用更耐磨损的材料.
2020 Vol. 38 (6): 541-546 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 7393KB] ( 84 )
547 李伟*,张文全,施卫东,杨勇飞,曹卫东
缩放型喷嘴空化射流空泡云演化规律的试验研究
基于高速摄影技术对缩放型喷嘴进行空化射流试验,以揭示不同进口压力下空化射流流场特性,分析进口压力对空泡云演化规律的影响.结果表明:淹没式空化射流形成的泡云呈周期性变化,即在1个周期内包含空化初生、发展、脱落、溃灭4个不同阶段,并在空泡云脱落时达到最大的空泡面积、密度和宽度.由于随着射流入口压力的增大,喷嘴形成的射流速度加快,在射流边界层内速度梯度增大、射流核心区与伴随流的剪切作用增强,高速射流所产生的空泡云长度、面积和密度均呈增大趋势.同时,随着进口压力的增大,边界层内湍动能增大,加剧了部分流体的不规则运动,导致空泡云边界更加模糊且呈交错分布,空泡云的脱落频率不断增大.研究结果对提高空化射流在金属材料强化和石油钻井、破岩等领域的应用具有重要的理论意义和指导价值.
2020 Vol. 38 (6): 547-552 [摘要] ( 12 ) [HTML 1KB] [PDF 3240KB] ( 225 )
553 唐庆宏,于安,郑源*,赵梦晌,许哲,唐魏
热力学效应对水翼云空化非定常特性的影响
为了探究热力学效应对绕翼型云状空化非定常特性的影响,应用数值模拟的方法,分别从翼型周围温度场、空泡半径、当地空化数的角度分析了不同水温下热力学效应对空化发展的影响.依据模型试验使用的物理模型建模,采用考虑热力学效应的空化模型和基于密度修正的湍流模型(DCM)对攻角α0=8°的水翼进行非定常云状空泡的数值求解,计算得到的空泡形态与试验结果吻合度较高.空化发生时,蒸发吸热使空泡内部温度降低,水体饱和蒸汽压力下降,空化的发展被抑制,最终附着空泡区域变小、变薄.同时,随着水温的升高,空泡半径减小,空泡扩散加剧,空化区域更加模糊.由于流场温度变化会导致流体物理性质的改变,因此采用考虑温度变化的当地空化数σ(T)可以更直观地反映流场温度变化对空化发展阶段的影响.
2020 Vol. 38 (6): 553-559 [摘要] ( 8 ) [HTML 1KB] [PDF 9863KB] ( 103 )
560 唐乾皓,赖喜德*,陈小明,李萍,杜江,程海
推力瓦几何参数对核主泵推力轴承油系统特性的影响
针对某核主泵的双向推力轴承在试验过程中出现上部推力瓦温度过高的问题,在不改变油系统、推力轴承结构尺寸及推力瓦数量的条件下,在推力瓦侧面开设不同尺寸的凹槽以控制瓦间流动.经过多方案优选设计出一种改进型推力瓦,以期通过优化推力瓦几何参数解决上部推力瓦温度过高的问题.基于流场数值模拟方法对油系统瓦间流场进行了深入分析,通过对比改进前后2种瓦的瓦间流动分布定性分析推力瓦几何参数对双向推力轴承油系统流动及冷却性能的影响,表明优化后的改进型推力瓦在相同运行条件下大大减轻了油流对冲及阻塞的现象,消除了不合理的回流,增大了进入流道的冷油流量,从而提高了油系统的冷却效果,使得上部推力瓦温度明显降低并达到了设计要求.同时证明了推力瓦几何参数是影响推力轴承油系统特性的重要因素.研究结果能为探究推力瓦几何参数对油系统特性的影响,以及类似轴承系统的推力瓦几何参数优化提供参考.
2020 Vol. 38 (6): 560-565 [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [PDF 4167KB] ( 92 )
566 郝宗睿*,李超,任万龙,王越,华志励,刘刚
基于改进粒子群算法的喷水推进泵叶片优化设计
为了改进喷水推进泵的敞水性能,利用改进粒子群优化算法优化其转子叶片.结合改进粒子群优化算法与数值仿真技术,以升阻比和压力分布为优化目标,对翼型NACA-6510进行优化.结果表明:经优化,翼型升阻比提高14.7%,压力分布中最低压力提高20%,有效地抑制了空化的发生.将优化翼型应用于喷水推进泵的水力模型设计,不改变翼型的位置,对其性能进行分析,发现其推力提高2.55%,效率提升6.38%;结合对扭矩系数和轴功率的分析,优化后喷水推进泵性能明显改善.经优化,喷水推进泵流场中叶片压力脉动明显改善,叶片最低压力值提高,延迟了空化的发生;分析叶片载荷分布,以及推力和扭矩的频域分布,发现叶片的优化未改变其基频,幅值变化与喷水推进泵的外特性参数相对应.上述优化设计有效改善了喷水推进泵的性能.
2020 Vol. 38 (6): 566-570 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 2985KB] ( 147 )
571 焦海峰,汤方平,施伟,石丽建*,张允敬
柱形轮毂型式循环水泵的水力及结构特性
为了研究柱形轮毂型式循环水泵的水力及结构性能,采用CFD软件对循环水泵装置进行数值模拟和结构计算,将其与传统球形轮毂轴流泵的水力性能进行对比分析,并通过模型试验验证数据的可靠性.结果表明:轮毂型式的改变主要对叶轮的水力性能产生影响,对导叶和进出水流道的影响很小.在设计工况下,柱形循环水泵装置的扬程3.35 m,效率86.29%,最高效率86.69%;而球形轮毂轴流泵装置的扬程3.19 m,效率85.63%,最高效率85.74%.2种型式的泵装置扬程相差约0.16 m,效率相差约0.66%,性能差距较明显.柱形循环水泵的扬程在全工况下均大于球型轴流泵;循环水泵的效率曲线在设计流量和大流量下均显著高于轴流泵,在小流量下二者的效率曲线差别很小.循环水泵叶轮的最大应力出现在叶轮进口轮毂与叶轮连接区域,最大位移出现在叶片进口靠近轮缘的位置;随着流量的增大,叶片的最大应力和最大位移均逐渐减小.研究结果可以为轴流泵的叶轮设计和发展提供参考依据.
2020 Vol. 38 (6): 571-576 [摘要] ( 12 ) [HTML 1KB] [PDF 19136KB] ( 64 )
水利水电工程
577 徐存东,朱兴林*,张锐,田俊娇,王燕,王荣荣
基于云模型的梯级泵站系统服役状态综合评估
为了准确客观地对高扬程梯级泵站系统服役状态进行定量化评估,以宁夏盐环定高扬程梯级泵站系统为研究对象,通过云理论模型定量化模糊性因素,同时基于云模型数字特征对指标状态进行定量化描述,并构建泵站系统服役状态评估指标体系,构建了评语层标准云模型、要素层隶属度云模型,同时采用排队理论求解指标权重,进而实现泵站系统服役状态的综合评估.结果表明:泵站系统更新改造前与更新改造后2种工况下服役状态综合评价云分别是Cb(0.626 4,0.061 4,0.016 8),Ca(0.842 1,0.100 5,0.012 6),改造前其服役状态处于“较好(V4)”等级,改造后服役状态处于“好(V5)”等级,验证评估结果符合实际情况.采用该方法可为梯级泵站系统服役状态评估或类似系统的预测提供有益参考.
2020 Vol. 38 (6): 577-582 [摘要] ( 8 ) [HTML 1KB] [PDF 1766KB] ( 100 )
583 杰德尔别克·马迪尼叶提,牛志伟,*,李培聪,张宇,蒯鹏程,李家田
基于BIM技术与B/S架构的大坝安全可视化监测系统
为了实现大坝整体结构、安全监测测点布置及监测成果的可视化展示功能,并且能够及时、准确地掌握大坝运行状态和异常情况,以甘再碾压混凝土重力坝为例,对传统大坝安全监测系统存在的问题进行了深入的分析与解答,并围绕问题提出了可视化的大坝安全监测系统思想,利用Revit、Dynamo、Civil3D等主流BIM软件建立了大坝主体结构及监测点的模型族库,集成了大坝及监测系统的三维可视化BIM模型.借用于BIMFACE平台轻量化技术、PHP脚本语言和MySQL数据库等现代化信息技术,开发出基于B/S架构的甘再大坝安全可视化系统,实现了BIM模型的Web轻量化展示,可通过客户端浏览器在三维模型中直观查看大坝结构、监测仪器信息以及监测点时程曲线变化等内容.通过本系统的应用,大大提高了大坝运行期间安全监测的可视化管理水平,同时对传统的大坝安全监测系统提出了现代化的建立方式与思想.
2020 Vol. 38 (6): 583-588 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 2878KB] ( 197 )
流体工程
589 纪仁玮,盛其虎*,王树齐,张玉全,张亮
不同参数对双浮体波能装置水动力特性的影响
以双浮体波能装置为研究对象,提出了一套基于ANSYS-AQWA模拟双浮体波能装置振荡运动的计算方法,采用Fortran的二次开发,考虑了线性PTO阻尼的影响,并将运动的数值结果与NREL的试验结果进行对比验证.详细探究了不同参数(波浪参数、发电装置参数和PTO参数)对双浮体波能装置水动力特性的影响.研究结果表明:波浪参数方面,存在1个最优波浪周期,使波能装置的发电功率最大,且增加波高有利于波能的俘获;发电装置参数方面,浮子的吃水、直径及浮筒阻尼板的直径均存在最优值,使能量俘获因子达到最大;PTO参数方面,存在最优阻尼系数,并给出了工程实际中的相对参考值.研究成果可为振荡浮子式双浮体波能装置的研究和设计提供有价值的参考.
2020 Vol. 38 (6): 589-595 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 5515KB] ( 171 )
596 王晓英*,武识博,王贞涛,王军锋,王东保
液液系统中荷电射流不稳定性
针对生物柴油液液静电雾化乳化过程,建立了色散方程并应用Matlab进行数值计算,分析了水射流速度、荷电电压、水与生物柴油各自的黏度、表面张力对生物柴油中水射流不稳定性的影响.研究结果表明,在水-生物柴油系统中,提高水射流的速度或荷电电压,均能使界面波最大增长率增大,对应的最优波数也随之增加.水的黏度阻碍水射流的破碎雾化,而生物柴油黏度对水射流的破碎雾化却起着促进作用.水-生物柴油的界面张力越小,对液液静电雾化乳化过程越有利.在水-生物柴油液液静电雾化乳化实际应用过程中,除提高水射流速度和荷电电压外,提高水的温度同时尽可能地降低生物柴油的温度,可以形成粒径细小均匀离散相液滴,获得优质的生物柴油乳化燃油.
2020 Vol. 38 (6): 596-601 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 1442KB] ( 106 )
602 周昊,吉庆丰*,刘雯,马鸿雁,王磊
油气田套管用钢两相流流动腐蚀
采用旋转圆柱电极流动腐蚀装置并辅以电化学工作站,研究了不同砂粒质量分数、不同流动腐蚀时间对N80油气井套管钢在含砂、含Cl-液固两相流中流动腐蚀的失重速率和腐蚀电化学行为的影响规律.利用Smartzoom 5超景深三维数码显微镜对流动腐蚀后试样表面进行分析表征.结果表明:N80钢在含砂、含Cl-液固两相流中的流动腐蚀形貌为典型的颗粒切削痕迹,并伴有腐蚀凹坑,流动腐蚀机理为机械冲刷和电化学腐蚀协同作用;在砂粒质量分数1%~3%的范围内,随砂粒质量分数增大,流动腐蚀速率增大,砂粒质量分数增大到4%以上后,较大的砂粒质量分数形成“屏蔽作用”,反而降低了流动腐蚀速率;在2种因素变化情况下,N80钢流动腐蚀阴极极化曲线极化率远大于阳极极化曲线极化率,腐蚀反应受阴极氧的去极化反应控制;随时间的增加,N80钢流动腐蚀失重量呈线性增加,腐蚀速率逐渐降低,在9 h时达到最低,之后腐蚀速率反而升高.
2020 Vol. 38 (6): 602-606 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 26670KB] ( 53 )
607 刘洪艳,王颢,荆腾,陈思,王昆,贺照明,*
升主动脉内球囊反搏术仿真
为了探究在升主动脉耦合球囊反搏泵并在其后加瓣膜的方法对心衰的辅助效果,根据电液比拟,在周身血液循环系统模型的基础上搭建升主动脉耦合球囊反搏泵模型和在球囊反搏泵后加瓣膜模型,根据等效电路图,建立数学方程.用Matlab完成数值模拟,探究2种方法对心衰的辅助效果,发现心衰状态下2种模型均能提高主动脉舒张期压力,减少左心室射血阻力、心室做功, 增加每搏输出量和射血分数.结果表明:2种模型对心衰均有辅助效果.对2种方法进行对比分析后发现,在球囊后放置人工瓣膜能防止外周血液在球囊放气时反流,并增强主动脉的抽吸作用,降低了主动脉窦压力,进一步减小了左心室射血阻力和心室做功,表明升主动脉耦合球囊后加瓣膜模型对心衰的辅助效果更好.
2020 Vol. 38 (6): 607-612 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 6354KB] ( 218 )
农业水土工程
613 张亨年,张川*,闫浩芳,胡永光,赵宝山,李欣雨,邢德科
渗灌管首末端压力与茶树根区土壤水分运移关系
为探明渗灌条件下渗灌管首末端压力与土壤水分运移之间的关系,设置了3个试验小区进行不同灌水流量和灌水持续时间的试验.通过连续定点观测茶树根区(纵向30 cm深,横向30 cm宽)土壤含水率的变化和渗灌管首末端灌水压力,研究了渗灌管不同首末端压力下土壤水分运移的变化规律.研究表明:灌水前土壤含水率不仅影响土壤入渗能力,而且决定着土壤水分运移方向;渗灌管首末端压力累积值与灌水持续时间呈线性关系,当茶树根区土壤含水率达到田间持水量时,累积曲线斜率发生突变,可以利用累积曲线斜率发生突变时的灌水持续时间作为控制充分灌水(100%田间持水量)的临界值,避免土壤水分无效渗漏.该研究为渗灌系统控制灌水持续时间及研发智能化渗灌灌溉系统提供了一种参考方法.
2020 Vol. 38 (6): 613-619 [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [PDF 8993KB] ( 122 )
620 李家乐,赵文举*,严正
基于CFD的挡风墙防风效果仿真
针对W型挡风墙的防风效果,基于CFD对处于5,13 m/s这2种不同风速下,高度分别为3,5 m的挡风墙近地表风场进行三维稳态模拟.结果表明:当气流通过挡风墙时,小于墙高的位置速度大幅削减,而高于墙体高度的位置开始加速,存在明显的分区作用;风速为5 m/s时,随着流经长度增加,3 m挡风墙背风侧风速从0呈三角形逐渐增加,在12 m处近地表风速残余系数为0.91~0.98,仍不超过1.00;5 m高挡风墙背风侧风速从0呈矩形趋势逐渐增加,在h<3.1 m,L<6.0 m范围内,近地表风速残余系数为3 m挡风墙的2.02%~93.40%,在h<3.1 m,L>6.0 m范围内近地表风速残余系数为3 m挡风墙的74.60%~89.40%,防风效果明显;风速为13 m/s时,分区效应更加明显,在h<3.1 m,L<6.0 m范围内,5 m挡风墙近地表风速残余系数为3 m挡风墙的5.2%~43.5%,在h<3.1m,L>6.0 m范围内近地表风速残余系数为3 m挡风墙的4.8%~73.3%.
2020 Vol. 38 (6): 620-625 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 2602KB] ( 101 )
626 胡松可,李文昊*,杨广,刘宁宁
改进直线型沉沙池在农业微灌中的运行效果
针对传统直线型沉沙池存在的泥沙去除率低、适应性弱和占地面积大等缺点,基于泥沙沉淀特性、水流特性和泥沙在池内的分布特征,对引流段和溢流堰进行改进;结合涡流排沙原理,在溢流堰后部设置涡流管,实现双重沉沙.通过搭建物理模型,测试沉沙池不同点位水流流速、泥沙粒径及质量分数,研究双重沉沙池泥沙沿程变化规律及沉沙率.结果表明:一重沉沙主要为推移质泥沙,沉淀量达到95%以上;二重沉沙主要为悬移质泥沙,相对于无溢流槽和涡管分别提高了12.70%和18.80%;系统总的沉沙率可达到96.88%以上,极大提高了池内泥沙的沉沙率,充分说明改进后的沉沙池对提高泥沙沉降效果的作用显著.研究结果可为微灌工程的大规模推广应用提供一定的技术支撑.
2020 Vol. 38 (6): 626-631 [摘要] ( 8 ) [HTML 1KB] [PDF 1408KB] ( 113 )
632 邹露阳,陈震,段福义,马春芽,范永申*
喷灌水肥与种植密度互作对水氮利用效率和冬小麦产量的影响
为研究豫北地区喷灌水肥一体化条件下不同种植密度和施氮频次对土壤水分、硝态氮含量及冬小麦产量的影响,开展田间试验.试验设置了2个种植密度(D1:187 kg/hm2、D2:262 kg/hm2)和3个施氮频次(F1:返青后追肥1次、F2:返青后追肥2次、F3:返青后追肥3次).试验结果表明:种植密度和施氮频次均显著影响冬小麦籽粒产量, 且两者间存在明显的互作效应.种植密度增大,冬小麦生育期0~100 cm土层土壤贮水量显著提高.主要生育期的根系生长层土壤含水量显著增加,其中孕穗期在100 cm土层深度的含水量D2较D1分别提高29.42%,3.10%和32.04%,灌浆期在80 cm土层深度的含水量D2较D1分别提高29.69%,27.52%和25.71%.当种植密度为262 kg/hm2,施氮频次为1次时,冬小麦产量较高,深层土层的土壤硝态氮当季残留较少.综合分析表明,该种植密度和施氮频次为当地冬小麦生育期的最优措施.
2020 Vol. 38 (6): 632-636 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 1088KB] ( 126 )
637 张倩,张建丰*,李涛,辛彦林,史娟
粒子群算法的改进及在农业水资源配置的应用
为了合理分配大荔县农业水资源,提高大荔县的农户总收益,建立农业水资源优化配置模型,得到大荔县主要农作物的合理种植面积以及灌水量优化配置方案,解决将大荔县灌区有限农业水资源在不同作物中合理分配的问题,实现总收益最大化的目标.模型求解中使用粒子群算法,对算法同时进行线性递减惯性权值及限速粒子群的2种改进,解决了粒子逃离函数定义域导致程序中断的问题.结果表明:经过优化后大荔县丰水年(降雨频率P=25%)总收益为29.78亿元,平水年(P=50%)总收益为29.75亿元,枯水年(P=75%)总收益为29.50亿元,与优化前的总收益28.98亿元相比均有所增长,水资源更多分配给经济作物棉花,农作物种植面积和水量均实现最优分配.对改进前后的粒子群算法求解进行比较,改进后粒子群算法寻优能力强,结果可靠合理,为区域水资源优化配置提供了新的解决思路.
2020 Vol. 38 (6): 637-642 [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [PDF 1081KB] ( 126 )
排灌装备制造技术
643 冯瑞珏,王智东*,李志锋
肥液pH值和电导率测量仪的设计与试验
为实现肥液pH/EC的快速在线检测,设计了一种pH/EC测量仪,主要由MSP430F2132单片机、pH/EC传感器、电源稳压模块、人机交互界面、pH信号调理电路、EC信号调理电路等组成.通过配制9种不同pH的溶液,在10~40 ℃范围内,测试了温度对pH值的影响,并与经验方程的计算值作对比,结果表明在适合农作物生长的土壤环境(pH值为6.5~7.5)中,由温度引起的测量误差可忽略.以1.0~19.5 ms/cm范围内的195种不同电导率值溶液为待测肥液,试验确定了采用8档电阻分档测量模式,其测量激励信号为幅值±3.5 V、频率4 kHz的方波信号,并进行了电导率的温度补偿.对测量仪进行了标定与验证试验,结果表明:pH值测量的最大绝对误差为0.04,EC值测量的绝对误差在±0.1 ms/cm内,能在农业工程上满足要求.
2020 Vol. 38 (6): 643-648 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 2007KB] ( 134 )
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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