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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 8期
刊出日期:2020-08-25

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 (8): 1- [摘要] ( 1 ) [HTML 1KB] [PDF 1641KB] ( 100 )
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2020 Vol. 38 (8): 2- [摘要] ( 0 ) [HTML 1KB] [PDF 711KB] ( 31 )
757 张德胜*,沈熙,董亚光,王超超,刘安,施卫东
不同叶顶间隙下斜流泵内部流动特性的数值模拟
为研究轮缘叶顶间隙对斜流泵性能和流动不稳定特性的影响,基于SST k-ω湍流模型对某斜流泵选取了0, 0.25, 1.00, 2.00 mm 4种尺寸的叶顶间隙进行数值计算,分析间隙区域内压差分布、泄漏量、叶顶泄漏涡旋强度以及进口轴面速度分布.结果表明:不同运行工况下,斜流泵泄漏量从叶轮进口到叶轮出口先增大后减小,其与间隙区内压差变化趋势相吻合.叶顶泄漏量随着间隙尺寸的增大而增大,导致泵的能量损失增大.经对比发现,间隙尺寸是影响叶顶泄漏量的主要因素.小流量工况下,随着叶顶间隙尺寸的增大,叶顶泄漏流与主流卷吸作用形成的泄漏涡强度逐渐增强.部分泄漏流进入相邻叶片通道,导致其流动失稳.随着叶顶间隙的增大,斜流泵能量损失明显增多,且内流不稳定性明显加剧.增大流量后,不同间隙下叶顶泄漏涡旋转强度均逐渐降低.
2020 Vol. 38 (8): 757-763 [摘要] ( 5 ) [HTML 1KB] [PDF 3481KB] ( 37 )
764 梁武科*,侯聪,董玮,魏清希,吴子娟
卧式轴流泵空化特性的数值分析
轴流泵内部的空化现象是影响叶轮能量转换,导致轴流泵扬程、效率等性能下降的重要原因.为了研究轴流泵内部的空化现象,以轴流泵TZX-700为研究对象,该型号轴流泵相较于一般的轴流泵无后置导叶.为了验证数值计算结果的准确性,对该卧式轴流泵分别进行了试验研究和数值模拟,试验曲线和数值计算曲线基本吻合.在设计工况和小流量工况下进行全流道数值模拟,对其空化特性曲线、叶片吸力面和压力面的静压分布以及空化体积分数分布进行分析.结果表明:当进口压力为101.325 kPa时,在叶片的吸力面就已经发生空化;在叶片压力面,当有效空化余量NPSHa下降到临界空化余量NPSHcr=7.79 m时,靠近进口边的叶顶处开始产生少量的空泡;随着NPSHa的下降,叶片表面的空化区域进一步增加,对叶轮内的流场产生明显的影响,导致扬程急剧下降;在同一轴流泵进口压力下,小流量工况下叶片表面的空化区域相较于设计流量工况进一步扩大,由靠近轮缘的进口边向出口边和叶根处发展,空化现象更为严重.
2020 Vol. 38 (8): 764-769 [摘要] ( 5 ) [HTML 1KB] [PDF 4057KB] ( 43 )
770 陈礼*,符义红,陈红军,管汝光,徐小东
五缸往复泵曲轴的柔体动力学分析
针对曲轴作为往复泵的关键运动部件和受力部件,由多段偏心轴组成,存在结构突变等易使应力集中的结构,加之受弯扭组合应力,存在准确计算困难的问题.以某型五缸往复泵的曲轴计算为例,利用ADAMS软件对曲轴系统进行柔体动力学计算,得到曲轴在4个周期内的运动规律和受力情况.结果显示,在曲轴5个曲拐的倒角处应力较大,同时找出准确的极值应力点和对应的位置,曲拐2左侧倒角应力为最大值93.23 MPa,出现在216°,576°,936°和1 296°这4个角度位置点,呈周期性出现.同时,利用静力学对柔体动力学计算结果进行验证,静力学计算最大应力值为92.46 MPa,偏差0.8%,并且计算结果与曲轴实际工作情况基本一致,为曲轴设计和进一步优化提供了参考,对工程设计具有一定的指导意义.
2020 Vol. 38 (8): 770-774 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [PDF 11601KB] ( 12 )
775 荆腾*,顾玲玉,王芳群,贺照明,
轴流血泵最佳左心辅助下的速度变化及内流场分析
为解决轴流血泵恒压或恒转速辅助时产生的抽吸或反流现象,以自主研发的主动脉瓣轴流血泵为研究对象,建立“轴流血泵-血液循环系统”串联耦合多尺度参数模型,得到血泵变转速辅助时在各级心衰条件下达到最佳辅助状态时的转速变化曲线.相比恒转速辅助,变转速辅助的血流动力学结果与正常心脏的拟合度更高,也符合人体生理.采用CFD技术对Ⅳ级心衰下2种辅助状态在一个心动周期中的内流场进行比较分析,发现变转速辅助下,轴流血泵在等容收缩期、等容舒张期、充盈期会产生明显的涡流,过流时间较长,但剪切应力较小,不会造成溶血;在射血期,变转速辅助的流动更加稳定,没有涡流现象产生,但其剪切应力在0.10 s内高于临界值500 Pa,会产生溶血现象.
2020 Vol. 38 (8): 775-780 [摘要] ( 3 ) [HTML 1KB] [PDF 14570KB] ( 16 )
781 童凯,孔繁余,周以松,钱文飞,汪家琼
紧凑型磁力泵模态计算与分析
为保证磁力泵机组安全运行,验证其结构设计的合理性,运用Pro/E软件对泵主要结构部件进行实体造型,结合压力脉动中轴频、叶频及其谐频的影响,基于ANSYS Workbench对紧凑型磁力泵进行模态计算与分析.计算结果表明:有、无预应力下,磁力泵各部件前6阶模态的固有频率与振幅变化趋势一致,各部件各阶固有频率随阶数的增加不断升高.相同阶数下,有预应力时较无预应力时部件固有频率的变化幅度不大.作为紧凑型磁力泵内的旋转部件,叶轮转子体模态的变形主要集中在叶轮流道出口处的前后盖板附近;静止部件蜗壳泵体的变形在进口管处较明显,在泵体与电动机的法兰连接处基本无变形;静止部件隔离套的圆筒壁面中部易发生变形.紧凑型磁力泵各阶模态的固有频率均远离流动诱导激励频率,不易发生共振,计算结果证实紧凑型磁力泵结构设计合理,并为未来类似结构磁力泵的结构设计与优化提供了一定的参考.
2020 Vol. 38 (8): 781-786 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [PDF 14570KB] ( 18 )
水利水电工程
787 杨光波,曾云*,张记坤,王芳芳,张振凯,钱晶
水轮发电机组轴系刚度近似计算方法
为了提出一种基于摆度测试数据的近似计算方法,基于水力发电机组转子和转轮形心轨迹运动方程,利用转子和转轮摆度比值关系对运动方程中的刚度耦合项进行解耦;然后,根据轴系振动的稳态特征,忽略轴系扭转、不计作用于发电机转子和水轮机转轮阻尼系数的影响,得到稳态下的简化形心轨迹运动方程,进而导出轴系等效刚度的近似计算模型;同时,结合水力机组特殊运行工况,对转轮、转子处附加外力做近似处理,给出了利用特殊运行工况振动测试数据近似计算轴系刚度的计算方法.同时,利用机组运行模拟系统进行仿真计算,仿真结果表明,提出的近似计算方法所获取的刚度数据与仿真系统给定刚度数据虽然存在一定的误差,但是基本反映了轴系刚度与振动的关系,对于实际工程具有一定的参考价值.
2020 Vol. 38 (8): 787-793 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [PDF 6409KB] ( 44 )
794 王鹏飞,张京京,陈帝伊*
水力发电机组轴系哈密顿建模与动力学特性分析
为研究水力发电机组轴系横向振动特性,以水力发电机组轴系为研究对象,首先将转子转轮形心定义为广义坐标,利用系统能量函数推求广义动量,组成系统一阶微分运动方程.将轴系外部作用力包括不平衡磁拉力与水力不平衡力作为输入控制项,建立了水力发电机组主轴系统广义哈密顿控制模型.通过算例求解得到了机组转速与阻尼系数变化时系统非线性动力学响应的分岔图、轴系轴心轨迹图和时、频域图.结果表明:在转速一定的情况下系统稳定性受到阻尼系数变化影响.当阻尼系数较小时系统运动不稳定,存在明显的倍周期现象,振动响应剧烈;当阻尼系数逐渐增大时,轴心振幅减小并稳定为周期运动.上述结果为水力发电机组轴系稳定运行提供了理论依据,同时也为进一步研究机组在不同外部输入激励下的振动控制提供了新的思路.
2020 Vol. 38 (8): 794-800 [摘要] ( 3 ) [HTML 1KB] [PDF 19087KB] ( 15 )
801 李超,季健康,马光飞,*,李桃,章蕾,
连续变流量下蜗形滞流器的三维模拟
结合实际雨量的变化规律,以简化的芝加哥雨型作为蜗形滞流器的进口边界条件,对连续变流量工况下的蜗形滞流器进行了三维模拟,为进一步研究蜗形滞流器并推广应用提供理论基础与技术指导.研究结果表明,在流量逐渐增大再逐渐减小的条件下:蜗形滞流器外特性曲线的节流过渡段波动较大;在检查井及蜗形滞流器内均有旋涡产生;随着水位上升,蜗形滞流器内的空气被挤压并滞留在出水管道中形成空气带;蜗形滞流器的截面流速由壁面向中心呈现先增大再减小的变化趋势,其内部压力由壁面向中心逐渐减小,并在中心低流速区域产生负压区.蜗形滞流器的节流过程是一个过渡过程,在该过程中产生的低压空气带是发挥节流效果的关键因素,并且不同流量情况下的进口边界条件仅仅影响节流开始产生时的水位高度,对最终节流效率并没有明显影响.
2020 Vol. 38 (8): 801-806 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [PDF 3762KB] ( 18 )
流体工程
807 李永业,高远,贾晓萌,鲁一凡,孙西欢*,张雪兰,李锦涛
导叶片式旋流器下游断面螺旋流流速特性
将导叶片旋流器作为产生螺旋流的装置,采用理论分析和模型试验相结合的方法,对该旋流器下游断面的螺旋流流速特性进行了研究.研究结果表明:旋流器下游断面流速整体上关于管道圆心呈120°旋转对称分布.从管壁到管道断面中心旋流器下游断面的轴向流速逐渐增大,而周向流速和径向流速则均呈现先增大后减小的变化趋势.最大轴向速度位于管道断面中心处,最大周向流速位于距管壁约1cm处,最大的径向速度位于距管壁约2cm处.旋流器导叶片扭转角越大,在下游断面产生的螺旋流的周向流速、强度就越大,螺旋流的影响距离就越远.在距离旋流器导叶片后缘2m之前,螺旋流衰减较快,且随着旋流器的导叶片扭转角的增大,螺旋流衰减加快.研究成果可为进一步完善螺旋流旋流输送理论提供理论依据.
2020 Vol. 38 (8): 807-813 [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [PDF 17929KB] ( 119 )
814 王鹏超*,余建平
基于管嘴出流规律的水击边界条件数值模拟
为研究阀门关闭瞬间产生的水击压力,以管嘴出流规律来确定阀门断面的水头和流量的关系,并结合特征线方程,以水击实验台为模型,用MATLAB编程进行水击模拟计算.结果表明:阀端压力随阀门关闭先迅速上升,0.36 s达到最大值,之后压力又迅速下降;随着时间的增加,阀端压力不断重复上升到峰值然后又下降,但其最大压力都小于第1个峰值.将其与水击实验台的试验结果对比分析,验证了管嘴出流模型以及计算程序的准确性.故在简单的有压管道中,当管道末端为阀门时,可以按照管嘴出流规律来建立边界条件.在此基础上依次取阀门关闭时间为1.0,2.0,3.0,4.0,4.8 s,模拟了阀门关闭时间对最大水击压力的影响.结果显示,阀门关闭时间对水击压力有很大影响:关阀时间越长,产生的最大水击压力越小,但随着阀门关闭时间的延长,水击压力的减小幅度会越来越小.
2020 Vol. 38 (8): 814-818 [摘要] ( 3 ) [HTML 1KB] [PDF 1736KB] ( 30 )
农业水土工程
819 LEILA Esmaeelnejad,HAMED Rezaei*
Salinity assessment of groundwaterfor irrigation to prevent soil salinization
Electrical conductivity(EC)is considered as the most important indicator for assessment of groundwater quality. Determination of suitable interpolation method for derivation of groundwater quality variables map such as EC is dependent on region conditions and existence enough data. For determining groundwater EC, 341 groundwater samples were randomly collected from the central regions of Guilan province, paddy soils, in northern Iran. Interpolation methods including inverse distance weighting(IDW), Global Polynomial Interpolation(GPI), Local Polynomial Interpolation(LPI), Radial Basis Function(RBF), ordinary Kriging(OK)and empirical Bayesian Kriging(EBK)were used to generate spatial distribution of groundwater EC. The results indicated that EBK is a superior method with the least RMSE, MAE and highest R2. The maps generated can be used to identify the regions in the studied area where groundwater could be allowed to be extracted and utilized by farmers to reduce the bad effects of the scarcity of surface water.
2020 Vol. 38 (8): 819-828 [摘要] ( 4 ) [HTML 1KB] [PDF 69688KB] ( 15 )
829 白婷,丁建丽,*,王敬哲,
基于机器学习算法的土壤有机质质量比估算
为快速高效地估测干旱、半干旱地区土壤有机质(soil organic matter, SOM)质量比,提出了一种结合竞争适应重加权法(CARS)和随机森林(RF)的估测模型.以内陆干旱区艾比湖流域为研究区,测定土壤高光谱反射率和SOM质量比,经预处理后,利用CARS对原始光谱(R)、一阶导数(R′)、吸光度(log(1/R))及吸光度一阶导数[log(1/R)]′4种光谱变量的可见-近红外光谱进行筛选,并结合RF算法,建立全谱段RF模型与CARS-RF模型.结果表明,基于CARS方法对光谱进行变量筛选后,得出4种光谱变量的优选变量集个数分别为35,26,34和121;在4种光谱变量中,R′和[log(1/R)]′的SOM估测模型精度较高,以[log(1/R)]′为基础数据获得的模型精度最高;CARS-RF模型精度优于全谱段RF模型,模型验证集决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)、相对分析误差(RPD)分别为0.881,6.438 g/kg和2.177.该研究在预处理的基础上通过变量优选,应用较少的变量个数获得较高的估测精度,为干旱、半干旱区SOM高光谱估测提供了适宜高效的方法.
2020 Vol. 38 (8): 829-834 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [PDF 4418KB] ( 24 )
835 贾浩,李文昊,*,王振华,张金珠,王久龙,丁宏伟,许虎
可降解膜覆盖对一维土柱水分蒸发的影响
为解决残膜污染问题、探讨降解膜覆盖对土壤水分蒸发过程的影响规律,开展室内土柱蒸发试验,研究了在2种辐射方式(连续、间断)下5种覆盖层(CK:无膜;PE:普通地膜厚0.008 mm;BD1:A型降解地膜厚0.010 mm,诱导期45 d;BD2:B型降解地膜厚0.010 mm,诱导期60 d;BD3:C型降解地膜厚0.012 mm,诱导期60 d)对土壤水分蒸发特性的影响.结果表明:地膜覆盖对土壤蒸发影响显著,连续辐射蒸发下,处理CK的累积蒸发量为34.2 mm,与 CK 相比处理PE,BD1,BD2,BD3的抑蒸率分别为31.22%,15.61%,15.94%和15.35%;间断辐射蒸发下,处理CK的累积蒸发量为32.5 mm,与 CK 相比处理PE,BD1,BD2,BD3的抑蒸率分别为25.84%,15.69%,16.74%和12.15%,抑制作用从大到小依次为PE,BD2,BD1,BD3,CK.在相同的辐射方式下,降解膜处理累积蒸发量的Rose模型拟合效果优于其他处理.从2种辐射方式下降解膜的蒸发特性和其拟合效果得出,B型完全生物降解地膜相对于A,C型完全生物降解地膜,能更有效地抑制水分的蒸发散失,其模型拟合效果更好.
2020 Vol. 38 (8): 835-840 [摘要] ( 5 ) [HTML 1KB] [PDF 1957KB] ( 46 )
841 王宗熙,姚占全*,何梁,吴晗晗,刘紫玫
溶蚀作用下纳米SiO2混凝土的孔隙演变
为探究溶蚀条件下纳米SiO2混凝土微观特性和宏观性能的规律,采用2M NH4Cl溶液加速溶蚀试验,通过核磁共振技术、场发射扫描电镜和能谱分析研究孔隙特征、微观形貌及微结构的演变规律,同时采用灰熵法分析研究不同溶蚀龄期与不同NS掺量下混凝土的孔隙结构参数和孔隙半径分布对溶蚀损伤的影响规律,并在此基础上建立混凝土孔隙特征与抵抗溶蚀度的关系模型.在该试验中,水胶比为0.29,纳米SiO2掺量分别为0,1%,3%和6%.结果表明:纳米SiO2的掺入显著提高混凝土的抗压强度,在经过溶蚀循环后,<100 nm孔径占比对混凝土抗溶蚀度影响程度最大,灰熵关联度均大于0.999;相对于基准组,纳米SiO2混凝土溶蚀后有向外辐射的纤维状C-S-H生成,填充因溶蚀作用产生的裂隙,使其抗溶蚀性提高,延缓混凝土的劣化损伤;建立了混凝土抗溶蚀度与孔径占比为<100 nm,100~1000 nm和孔隙度的灰色模型,4组混凝土GM(1,4)模型预测值与试验值的平均绝对误差分别为8.18%,7.03%,7.83%和7.90%.该研究可为纳米SiO2混凝土在实际工程应用提供理论依据.
2020 Vol. 38 (8): 841-847 [摘要] ( 3 ) [HTML 1KB] [PDF 2495KB] ( 45 )
排灌装备制造技术
848 郭霖,白丹*,王新端,王程,周文,程鹏
双向对冲流灌水器模拟精度综合评价指标
为了评价数值模拟方法对双向对冲流灌水器的计算精度和适用性,设计3种灌水器样机,以试验测得的流量值与PIV测得的流速值为依据,提出评价模拟精度的宏观流量评价指标和微观流速评价指标.从宏观和微观2个角度评价15种数值模拟组合方案与试验结果的吻合程度,并建立综合评价指标模型,采用变异系数法计算2个评价指标的权重系数.结果表明,采用宏观评价指标得到增强壁面函数和RNG k-ε模型的流量偏差率最小,其宏观评价指标值为1.592%;采用微观评价指标得到增强壁面函数和SST k-ω模型的流速偏差率最小,其微观评价指标值为2.095%,2个指标的权重系数分别为0.6和0.4;对其进行综合评价,其中增强壁面函数和SST k-ω模型的综合评价指标值最小,为2.031%;对综合评价模型进一步验证,其验证样机的模拟值与实测值的综合评价指标值为1.307%,证明了灌水器模拟精度综合评价指标的准确性.综合评价指标的建立旨在提供一种分析数值模拟精度的思路.
2020 Vol. 38 (8): 848-854 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 1625KB] ( 32 )
855 侯诗文,张朋杨,李亮 *,王世锋,朱俊峰
基于CFD可调式微滴头流场特性分析
为了提高中国北方干旱缺水地区灌溉效率,设计一种机械可调式微型滴头.为了探究不同工况下微型滴头内部流场分布特性,采用CFD方法并选择标准k-ε模型对滴头内部流场进行仿真计算,分析了装配长度分别为1.5,3.0,4.5 mm,入口边界条件分别为10,30,50 kPa滴头内部流场分布特性和滴头出入口流体物理参数变化特征.研究结果表明:随着配合长度的增加,微型滴头内部消能室的空间体积逐渐减小,“死流区”空间比例逐渐减小,滴头内部杂质积累率降低;随着入口压力值的增大,流道内部流速值也不断增大,出口流体活跃性也逐渐增强.
2020 Vol. 38 (8): 855-860 [摘要] ( 1 ) [HTML 1KB] [PDF 3217KB] ( 35 )
861 颜学升*,廖燕,路怀亭,郭少辉
新型冠状病毒肺炎医疗污水应急处理技术
针对新型冠状病毒肺炎(COVID-19)医疗污水的水质特点,结合武汉雷神山医院污水处理系统应用实例,以灭杀新型冠状病毒(2019-nCoV)为重点,采用“预消毒+MBBR生物膜法+混凝沉淀+折流消毒”的二级处理工艺对新型冠状病毒肺炎医疗污水进行处理,污水处理设施严格按照《医疗机构水污染物排放标准》(GB 18466—2005)和《医院污水处理工程技术规范》(HJ 2029—2013)进行设计,出水水质达到排放标准,处理效果稳定、病毒灭活率高,出水水质良好.池体为全密闭式,同时采用PLC控制,运行期间安全可靠;所有处理单元均为一体化集成设备,建设速度快,即建即用,同时可灵活拆除,方便进行异地重建或规模化的扩容改造,适用于各种应急工程建设及建设工期短的项目.
2020 Vol. 38 (8): 861-864 [摘要] ( 4 ) [HTML 1KB] [PDF 1262KB] ( 57 )
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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
责任编辑
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谈国鹏  朱漪云 顾    艳
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