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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 9期
刊出日期：2020-09-25
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 (9): 1- [摘要] ( 53 ) [HTML 1KB] [PDF 3715KB] ( 472 )
2
目录
2020 Vol. 38 (9): 2- [摘要] ( 41 ) [HTML 1KB] [PDF 1043KB] ( 478 )
865 施卫东,*,李林建,许荣军,王斌,谭林伟,周岭
叶片开缝对单叶片泵径向力的影响
为了改善单叶片泵的运行特性,降低径向受力不均匀性,采用数值计算与试验相结合的方法分析了单叶片离心泵径向力的动态特性.研究了3个不同流量工况(0.6Qd,1.0Qd和1.4Qd)下径向力的变化规律,结果表明,单叶片离心泵叶轮叶片工作面与背面所受压差是径向力产生的主要原因,并在小流量工况下径向力达到最值.通过对试验与数值模拟结果的分析对比,提出了平衡单叶片泵径向力的新方法—叶片开缝,并在叶片包角方向上选取3个不同位置(0°,90°和270°)布置宽度为1.0 mm的缝隙,分析了不同开缝位置对径向力及泵外特性的影响情况.结果表明:当在叶片尾缘开缝时,对泵的外特性影响较小,并可以较大降低单叶片离心泵叶片工作面和背面的压差,减小叶轮径向受力情况,提高单叶片泵的可靠性和使用寿命.
2020 Vol. 38 (9): 865-870 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 3415KB] ( 682 )
871 赵万勇,陈帅*,赵强,李衍滨
蜗壳断面面积变化规律对双吸离心泵水力性能的影响
针对某泵站S700-500-730型双吸离心泵运行时引发的断轴问题,采用CFD数值模拟方法,通过与蜗壳断面面积线性变化规律(以下简称L-规律)进行对比,分析了原型泵采用的蜗壳断面面积变化规律(以下简称Y-规律)对水力性能以及径向力的影响.结果表明:在定常工况下,2种规律的双吸离心泵在设计工况下水力性能相近,相较于L-规律方案,采用Y-规律设计的蜗壳作用在叶轮上的径向力增大高达24.77%;在非设计工况下,相较于L-规律方案,采用Y-规律设计的蜗壳水力性能更加优越,但是作用在叶轮上的径向力要高于采用L-规律方案时作用在叶轮上的径向力;在非定常工况下,Y-规律方案的脉动幅值以及高频脉动都要比采用L-规律方案设计时明显得多.蜗壳断面面积变化规律对作用在叶轮上的径向力影响显著.研究结果可为解决由于径向力过大导致断轴问题提供一定的理论依据.
2020 Vol. 38 (9): 871-877 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 3237KB] ( 717 )
878 高金鹏,姚春东*,柳青扬,刘天明,焦会明
基于模拟退火算法的五缸往复泵曲柄相位布置方案优化
为改善往复泵曲轴受力,提高其工作性能,通过对往复泵曲轴受力及强度分析,以曲轴曲柄5个不同初始相位角为设计变量,以曲轴危险截面所受最大弯矩最小为优化目标,建立往复泵曲柄相位布置方案优化模型.基于模拟退火算法对往复泵曲轴的曲柄相位布置方案进行优化,最终得到2种曲柄相位优化布置,并对优化后的曲轴进行受力及强度仿真分析. 结果表明:优化后的曲柄相位布置方案使得曲轴所受最大弯矩及弯扭组合应力最小,最优布置方案与最差布置方案相比,有效改善了曲轴受力;曲柄相位布置方案优化模型的建立方法同样适用于多缸(五缸、七缸及九缸)单/双作用往复泵,具有通用性;模拟退火算法可以快速优化曲柄相位布置方案,该算法可求得整体最优解,可靠性高,为类似曲轴的曲柄相位布置方案优化提供了新方法.
2020 Vol. 38 (9): 878-884 [摘要] ( 54 ) [HTML 1KB] [PDF 1693KB] ( 774 )
885 段海鹏*,张林伟
煤矿主排水泵采用变频前置泵提高运行效率试验研究
煤矿井下排水受限于井下排水条件主排水泵易发生汽蚀,严重影响排水泵使用寿命.为满足井下节能减排要求,提高主排水泵的抗汽蚀能力,提出一种采用串联前置泵对主排水泵进行压入式补水控制方式,前置泵可采用变频器进行变频控制.通过理论分析,可采用泵控泵技术对前置泵变频调速来改变排水系统输出压力,适应管路系统性能,提高排水系统运行效率,保证排水系统工作在高效区内.通过现场试验对比分析,前置泵与减级后主排水泵组成的泵组与未减级的主排水泵相比,泵组效率得到了提高,同时也避免了主排水泵发生汽蚀.前置泵的变频控制也可保证主排水系统压力可调,实现排水系统工作在高效区内,达到节能减排的效果.研究结果可为煤矿主排水系统的设计及改造提供一种新的方案.
2020 Vol. 38 (9): 885-890 [摘要] ( 45 ) [HTML 1KB] [PDF 2104KB] ( 642 )
891 王凯丽,李红*,沈振华
高比转数离心泵空化状态下的压力脉动特性
通过相似变换得到高比转数离心泵缩小模型,并通过试验和数值模拟发现模型泵和设计泵的性能曲线相近,可代替设计泵进行试验研究.基于RNG k-ε湍流模型,采用SIMPLEC方法求解不可压缩时均方程,通过对离心泵内部流场进行定常和非定常数值模拟,得到不同工况点的外特性、汽蚀及压力脉动特性.并通过模拟结果和试验结果的对比,验证了模拟的准确性.通过模拟发现,额定流量下隔舌处的压力脉动幅值最大;不同工况下各检测点的压力脉动主频均为叶频;隔舌压力脉动最大,进口压力脉动最小.额定工况下压力脉动幅值最小,非设计工况下压力脉动幅值明显增大;通过对空化不同阶段的瞬态数值模拟,发现从未空化到严重空化,不同工况下隔舌和出口处的压力脉动变换规律相同,随着空化发展压力脉动幅值降低,且脉动主频均为叶频;并且随着空化程度加剧,压力脉动高频成分增多,各监测点主频下降明显,并可将此作为判定空化初生的依据.
2020 Vol. 38 (9): 891-897 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 3891KB] ( 797 )
898 张德胜*,梅剑,赵睿杰,黄俊,金永鑫
基于响应曲面法的氟塑料两相流泵优化设计
为提高氟塑料两相流离心泵的效率及降低磨损率,基于离散颗粒模型(DPM)对氟塑料两相流泵内部流场进行模拟仿真,结合FINNIE磨损模型,对泵叶轮的磨损情况进行预测,采用响应曲面法,以叶轮的主要几何参数为变量,构建各优化目标的数学模型,利用Matlab绘制上述6个叶轮外形参数与各优化目标之间的3D响应面图形,并通过Matlab统一各数学模型,对SJB400-250-300型氟塑料离心泵叶轮的外形参数组合进行寻优,得到最优参数组合.研究结果表明,氟塑料离心泵叶轮的各外形参数之间存在交互性影响,当叶轮进口直径D1、叶片包角φ、叶片进口安放角β1、出口角安放角β2、叶片出口宽度b2取高水平,叶轮出口直径D2取低水平时,能够获得更好的综合性能,优化获得模型相较于原模型,效率提升8.98%、磨损率下降了6.64%.通过对参数和优化目标间的交互关系进行分析总结,得到了叶轮各几何参数及各性能参数之间交互作用对优化目标的影响,为氟塑料两相流离心泵的性能优化设计提供依据.
2020 Vol. 38 (9): 898-903 [摘要] ( 43 ) [HTML 1KB] [PDF 2529KB] ( 662 )
水利水电工程
904 张红红,牧振伟*,李凡琦,贾萍阳,孙德旭
基于量纲分析的糙条高度计算方法
为了研究糙条对宽浅弯道的导流作用，实现糙条消能工参数公式化并提高其应用性，基于量纲分析原理和18组正交试验，建立了糙条高度的半理论半经验公式.结合正交试验结果对公式中的各个系数进行了率定，并采用正交试验结果对该公式进行多元回归分析，以新疆“635”溢洪道整治工程原型数据验证对比，同时引入了更为直观的水通量离散系数Cm作为新型导流评价指标.结果表明：雷诺数Re对糙条高度的影响较小，若忽略Re的影响，糙条高度公式的计算结果与原型数据基本一致，2组检验结果的平均相对误差为7.77%.因此，Cm能够客观地反映糙条消能工的导流效果，且由于推导过程中各参量均具有真实的物理意义，故Cm在一般整流工程导流效果的评价方法上具有普适性.
2020 Vol. 38 (9): 904-909 [摘要] ( 62 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 216 )
910 洪振国
水电站水库泥沙淤积的二维数学模型
通过二维数学模型模拟水电站水库泥沙淤积情况,模拟河段起于大坝上游约600 m,止于大坝下游约400 m.计算断面在1∶2 000地形图上剖分20个库区大断面,断面平均间距500 m,并通过模型试验论证数学模型模拟水库泥沙淤积变化可行性.结果表明:水库泥沙淤积形态为三角洲淤积形态,水库运行历时1 a,三角洲洲头不断地向下游前进,最终到达坝前,坝前泥沙淤积高程达1 347 m,而水库泥沙淤积则向库尾高边滩发展,“翘尾巴”现象明显.水库运行1 a后,排沙比均稳定在90%以上,水库冲淤达到平衡后,采用“蓄清排浑”的运行调度方式冲沙,在泄洪冲沙底孔前形成冲刷漏斗,漏斗为三维形态,漏斗顺水流方向坡降约为1∶5.0~1∶7.0,侧向边坡约为1∶3.5~1∶4.5.取水口基本在冲刷漏斗范围内,能保持取水“门前清”.泥沙淤积的数学模型与模型试验成果基本吻合,数学模型模拟水库泥沙淤积变化可行的.
2020 Vol. 38 (9): 910-914 [摘要] ( 42 ) [HTML 1KB] [PDF 1494KB] ( 720 )
流体工程
915 张付英,杨俊梅,*,水浩澈,董城城,
考虑温度影响时具有表面纹理唇形油封的密封性能研究
基于弹流润滑理论和旋转轴密封的泵送机理,综合考虑密封唇表面粗糙度和表面纹理的影响,建立了油封密封区域的混合润滑数值模型.模型耦合了流体力学、变形分析、接触力学、温度能量守恒方程和黏温方程, 通过迭代求解数值方程,得到不同表面纹理(圆形、正方形、等边三角形)油封唇口的温度分布、不同转速下油封唇口的最高温度,对比分析了表面纹理对油封接触面温度的影响以及温度升高对油封泵吸率、油膜厚度、摩擦扭矩等密封性能的影响.结果表明:随着转速的增大,唇口最高温度线性递增,表面纹理明显提高了油封的唇部温度;油封工作时,摩擦面的温度从两侧向中间急剧递增,纹理区域温度明显升高,但3种纹理油封之间差异不具有统计学意义.温度升高导致3种纹理油封的泵吸率、油膜厚度、唇口密封压力下降,明显降低了油封的密封性能.
2020 Vol. 38 (9): 915-921 [摘要] ( 42 ) [HTML 1KB] [PDF 1828KB] ( 638 )
922 刘厚林,尚欢欢,唐晓晨,张兴,董亮*,郭瑾楠,汪文生
叶片数对倒伞曝气机曝气性能影响试验研究
为了研究各不同状态下叶片数对倒伞曝气机曝气性能的影响情况,制作了叶片数分别为6枚和8枚的2个倒伞曝气机叶轮,进行了溶解氧试验来研究倒伞曝气机的曝气性能.通过改变曝气池液位高度及倒伞曝气机浸没深度,研究了不同叶片数下,标准氧总转移系数、标准充氧能力和标准动力效率的变化规律.结果表明:在同一转速下,8叶片倒伞曝气机的标准氧总转移系数和标准充氧能力明显高于6叶片的.倒伞曝气机的叶片增加,叶轮的抛洒强度增加,液体与空气的接触面积增大,氧传质效率得到有效提高.同时,靠近自由液面的液体波动加大,使液体与气泡间的相互作用更加剧烈,增大了湍动传质的能力.但是增加叶片数会使得消耗的功率增加,故相同转速下不同叶片数的倒伞曝气机的标准动力效率差别较小.研究为倒伞曝气机的经济运行提供参考.
2020 Vol. 38 (9): 922-927 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 3634KB] ( 577 )
928 HE Binjie,DAI Jinchun*,ZHAO Deng,HUANG Nuodi,WU Shijing,HAN Caihong
Orthogonal design of experimentand analysis of abrasive water jet cuttingon carbon fiber reinforced composites
The carbon fiber reinforced composite is a new type of composite material with an excellent property in strength and elastic modulus and has found extensive applications in aerospace, energy, automotive industry and so on. However, this composite has a strict requirement on processing techniques, for example, brittle damage or delamination often exists in conventional processing techniques. Abrasive water jet machining technology is a new type of green machining technique with distinct advantages such as high-energy and thermal distortion free. The use of abrasive water jet technique to process carbon fiber composite materials has become a popular trend since it can significantly improve the processing accuracy and surface quality of carbon fiber composite materials. However, there are too many parameters that affect the quality of an abrasive water jet machining. At present, few studies are carried out on the parameter optimization of such a machining process. This leads to the unstable quality of surface processing. In this paper, orthogonal design of experiment and regression analysis were employed to establish the empirical model between cutting surface roughness and machining process parameters. Then a verified model was used to optimize the machining process parameters for abrasive water jet cutting carbon fiber.
2020 Vol. 38 (9): 928-932 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 1389KB] ( 652 )
农业水土工程
933 郑明,张江辉,白云岗*,刘洪波,丁平
弥雾微喷对葡萄光合特性、产量及品质的影响
为研究滴灌+冠层弥雾微喷(降温增湿措施)模式对葡萄光合特性,生理指标及产量品质的影响,试验设定微喷处理(WP1,WP2与WP3)与对照处理(CK)4个处理,在果粒膨大期测定不同处理的光合特性,果粒体积,产量与品质等数据结果显示:微喷处理胞间CO2浓度日变化幅度均低于对照处理,微喷处理中WP1处理的胞间CO2浓度最低;各处理的净光合速率均呈现“M”变化规律,在14:00出现“午休”现象,但微喷处理比对照处理“午休”时长较短,且WP1处理在14:00净光合速率降低幅度较小,各处理果粒体积与增长速率大小依次为WP1,WP2,WP3,CK,各处理的果粒体积增长速率均在7月15日达到最大.使用熵值法对各处理的产量与品质进行评价,各处理得分大小依次为WP1,WP2,CK,WP3.说明每日恰当的微喷处理可以显著提高葡萄净光合速率,果粒体积与果粒体积增长速率,产量与品质,但当微喷时间较长时也会影响葡萄产量与品质,因此以微喷1 h/d为最优.
2020 Vol. 38 (9): 933-938 [摘要] ( 64 ) [HTML 1KB] [PDF 1575KB] ( 646 )
939 李仁路,万书勤*,康跃虎,李晓彬
基于微灌工程设计成果数据的农田电子地图构建方法
针对包含微灌设备的农田中电子地图获取成本高的问题,提出了一种基于微灌工程设计成果数据快速构建起农田电子地图的方法.考虑到微灌工程设计成果数据和农田电子地图2种数据的数据模型和对不同空间要素的表达方式之间存在着一定的差异,在微灌工程设计成果数据中存在着对微灌设备等空间要素的夸张、简化和省略等情况,而且数据中往往缺乏对微灌设备等空间要素的地理空间位置信息描述.在对微灌工程进行系统了解的基础上,通过深入分析设计成果数据和农田电子地图2种数据之间数据模型和要素表达方式之间的差异性,提出了采用DWGDirect.NET类库和ArcGIS Engine二次开发相结合进行解析转换的方法,将CAD格式的设计成果数据转换为GIS所支持的Geodatabase格式,初步构建起微灌工程农田电子地图,为微灌工程施工作业提供参考,同时也为精准农业提供农田电子地图基础数据.
2020 Vol. 38 (9): 939-944 [摘要] ( 71 ) [HTML 1KB] [PDF 1912KB] ( 579 )
945 相龙康,高佩玲,*,张晴雯,赵亚东,王世斌,杨大明
不同改良剂对滨海盐碱化土壤水盐运移特性的影响
为了探究表层(0~20 cm)掺加不同改良剂对盐碱化土壤改良的效果,以黄河三角洲地区中度盐碱化土壤为研究对象,利用室内一维垂直积水入渗试验,表层掺加2种改良物质,即河沙、生物炭,设置7个处理分别为CK,S1,S2,S3,C1,C2,C3,以研究其改良效果.结果表明:在不同河沙、生物炭用量下,改良措施均能提高土壤水分入渗性能,其中生物炭改良措施显著提高了掺加层含水量,河沙改良措施显著提高了土壤掺沙层以下土壤含水率;不同改良处理下,河沙改良措施相较于生物炭改良措施更有利于盐碱化土壤脱盐,处理S3的平均脱盐率比掺生物炭处理提高14.5%~27.7%,脱盐区深度、达标脱盐区深度均超过了0~50 cm作物根系密度较大的土层.根据河沙和生物炭在室内一维垂直积水入渗试验结果,土壤表层掺沙可有效改良黄河三角洲地区盐碱化土壤的水盐分布,为作物生长提供良好的环境.
2020 Vol. 38 (9): 945-950 [摘要] ( 58 ) [HTML 1KB] [PDF 1506KB] ( 596 )
951 李王成,董亚萍*,李晨,王双涛,赵研,王兴
不同环境条件下板岩中必需元素的释放规律
利用室内模拟试验研究不同环境条件下板岩必需元素的释放规律,将取自香山地区的灰绿板岩岩样分为蒸馏水干湿循环组(ZLGS)、蒸馏水冻融循环组(ZLDR)和微咸水冻融循环组(WXDR)3组.通过对3组岩样进行50次循环试验,模拟板岩的风化过程.在循环开始前测量板岩基本物理性质并进行SEM微观结构分析;试验过程中定期测量板岩淋溶液电导率EC和淋溶液中必需元素的组成及含量.通过试验研究发现,试验条件下,随着循环次数增加,3种处理的板岩淋溶液EC呈波动增加趋势;3种处理下,必需元素释放种类数排序产生差异,各元素释放量排序以及释放量较大元素种类无差异,必需元素累积释放量按组分排序由大到小为ZLDR,ZLGS,WXDR;必需元素累积释放量与试验循环次数呈对数函数关系.
2020 Vol. 38 (9): 951-958 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 8215KB] ( 542 )
排灌装备制造技术
959 王佳明,陈思,荆腾,王颢,贺照明*
无土栽培远程灌溉控制系统
针对无土栽培灌溉控制方式人工劳动强度大、精度低,智能化程度不够的问题,设计了一套无土栽培远程灌溉控制系统.以MSP430单片机为检测与控制核心,进行灌溉部件驱动控制,并结合相应传感器实时采集营养液监控参数.基于Qt编程设计了配套的上位机软件,对作物灌溉状况进行可视化监控,具有监测值设定、灌溉方式选择、监控参数实时显示、数据保存与历史数据查询等功能.使用GPRS无线传输技术实现上位机与下位机之间的数据同步通信,将BP神经网络应用于营养液电导率EC和pH值的调控中,经监测值调控试验表明,该系统能实现远距离稳定监测与控制,EC调控误差不超过0.11 mS/cm,pH值调控误差不超过0.08.
2020 Vol. 38 (9): 959-965 [摘要] ( 67 ) [HTML 1KB] [PDF 4398KB] ( 736 )
966 王轩,王新坤*,樊二东,徐胜荣,薛子龙,张晨曦,丁师伟
毛管射流三通结构参数优化与试验验证
为了提高毛管射流三通的脉冲特性,采用正交设计方法,选取喷嘴宽度、喷嘴深度、控制管宽度、位差、劈距、侧壁夹角6个因素,每个因素取5个水平参数,设计了共25组不同结构的毛管射流三通模型.采用CFX数值模拟技术,对25组三通模型进行模拟计算.以脉冲频率、水头振幅和压差作为试验评价指标,通过极差法分析了结构参数对脉冲特性的影响规律,确定影响各因素的主次顺序;利用方差法确定影响因素显著特性,确定最优结构尺寸模型.经过试验验证,结果表明在进口压力为50~120 kPa下,与4 mm喷嘴宽度射流三通相比,优化模型射流三通脉冲频率提高了3~10次/min,水头振幅(压力)提高了3.2~11.1 kPa,灌水均匀系数提高了0.53%~1.94%,流量偏差率降低了0.81%~5.33%.优化射流三通模型可提供持续稳定脉冲水流,脉冲特性得到较大提高,可有效改善灌水均匀度.
2020 Vol. 38 (9): 966-972 [摘要] ( 59 ) [HTML 1KB] [PDF 1771KB] ( 665 )
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