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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2021年 39卷 10期
刊出日期:2021-10-25

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
2021 Vol. 39 (10): 1- [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 1356KB] ( 313 )
2
目录
2021 Vol. 39 (10): 2- [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 1317KB] ( 323 )
973 刘在伦*,王三臻,张静敏,王金旋
最佳工况下空间导叶进口几何参数的优化设计
通过井用潜水泵最佳工况点的确定,获得最佳工况下空间导叶的特性方程,分析发现导叶进口几何参数(进口安放角和进口宽度)之间具有一定的相关性.为验证导叶进口几何参数之间的关系,选取200QJ50型2级井用潜水泵作为研究对象,采用数值模拟与试验相结合的方法,在导叶进口安放角和进口宽度的组合变化下,建立16组潜水泵模型,对井用潜水泵的性能变化规律及内部流场进行研究.结果表明:导叶进口几何参数的选取符合最佳工况下空间导叶的特性方程时,可减小导叶引起的水力损失,提升泵的性能.将给定的进口宽度代入最佳工况下空间导叶的特性方程,求得的进口安放角与该进口宽度下对应模拟的最佳进口安放角相比,两者的差值在1°以内,说明利用最佳工况下导叶的特性方程来确定其进口几何参数的方法具有一定的准确性,研究结果为空间导叶的优化设计提供参考.
2021 Vol. 39 (10): 973-980 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 2256KB] ( 481 )
981 张金凤,宋海勤*,张帆,蔡海坤,赖良庆,洪秋虹
带分流叶片水泵水轮机转子强度及模态分析
以带分流叶片的水泵水轮机为研究对象,基于CFD与FSI方法分析其泵工况下转子的振动特性,对3种开度即小开度9.8°、最优开度17.5°和大开度24.8°下的流场进行数值模拟,将额定工况下的流场结果导入转子结构实现单向流固耦合,对带预应力的转子模型进行形变与等效应力分析.此外,还计算了转轮的干湿模态,对比分析了不同条件下转轮的振动特性.结果表明:不同开度对应的预应力下转轮形变与等效应力分布规律相似,转轮形变主要发生在上冠低压侧.按ND(节径数)在转轮圆周方向划分振动扇区描述振型规律时发现,各扇区内转轮上冠、下环低压侧的振幅较大.湿模态下水介质对转轮振型影响不大,但会明显降低转轮的振幅.预应力对转轮固有频率影响较小,可忽略不计,但在湿模态下,转轮固有频率会显著下降,这表明分析结构振动特性时应充分考虑水介质作用.
2021 Vol. 39 (10): 981-986 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 21188KB] ( 285 )
987 宋龙波,滕爽,曹骞,康灿*,丁可金,李长江
大尺寸固体颗粒对固液两相流输送泵叶轮的磨损
针对大尺寸固体颗粒对输送泵叶轮的磨损问题,借助商用计算流体动力学软件STAR-CCM+开展数值模拟研究.采用变曲率弯管试验结果验证数值模拟模型的物理有效性,进而考虑介质浓度、颗粒粒径对输送泵运行性能和磨损特性的影响.研究结果表明:泵内固体颗粒的分布不均匀,叶片工作面对颗粒做功导致颗粒高速撞击叶片是叶片发生磨损的关键因素.输送泵叶轮的磨损主要发生在叶片的进口边和背面,首级叶轮的磨损量始终大于次级叶轮.介质浓度的增加会导致叶轮磨损量增加.当颗粒粒径由25 mm增加至30 mm时,首级叶轮和次级叶轮的磨损率均出现急剧增长,叶轮的磨损加剧.输送小颗粒时,应着重对叶片的进口角度进行优化,减轻小颗粒对叶片进口边的磨损;输送大颗粒时,应对叶片的型线进行优化,以减少大颗粒对叶片背面的磨损.
2021 Vol. 39 (10): 987-993 [摘要] ( 65 ) [HTML 1KB] [PDF 3352KB] ( 471 )
994 林通*,谢京,谢仁华
离心泵作透平多工况内流与能量转换特性
为揭示不同流量下离心泵作透平的能量转换特性,基于1台比转数为90的单级悬臂式离心泵,在透平工况下对其进行数值模拟,并结合试验验证了数值模拟的准确性.结果表明:叶轮是透平内水力损失的主要部件,叶轮内水力损失占比随流量的增大呈现出先减小后增大的变化趋势.设计工况(Q=80m3/h)下,蜗壳、叶轮、腔体的水力损失占比分别为33.0%,35.1%,22.3%.通过对内流场中的流线分布和叶片进口速度三角形进行分析,揭示了不同工况下透平内流特性与水力损失之间的关系.设计工况下叶轮内流动均匀,无明显旋涡存在,在小流量工况下叶轮进口端面存在回流现象,旋涡出现在大流量工况叶片的吸力面.最后,采用拟涡能系数从能量的角度分析了不同工况内部流动的损失情况,进一步揭示了透平的能量转换机理.研究结果可为离心泵作透平的高效设计及实际现场运行调控提供参考.
2021 Vol. 39 (10): 994-1000 [摘要] ( 40 ) [HTML 1KB] [PDF 5691KB] ( 474 )
1001 张晨滢,裴吉,袁寿其,王文杰*,甘星城,邓起凡,赵建涛,张本营
立式管道泵断电过渡过程内流特性分析
为探究立式管道泵断电过渡过程中内部不稳定流动特性,采用数值模拟的方法,结合Fortran语言编程对CFX进行二次开发,利用角动量微分方程预测了转速变化规律,分析了管道泵断电过渡过程中流量、转速等参数及内流场的变化规律.研究结果表明:断电后转速从正向转速逐渐减小变换为反向转速并增大达到飞逸转速(nmax=1.206 n0);转速与流量之间存在延迟,前者比后者延迟1.24 s到达零点;压力脉动幅值在飞逸阶段达到最高值;过渡过程初期在进口肘型弯管叶轮流道及蜗壳内产生多个旋涡,中期旋涡逐渐消失,内部流态趋于平稳,后期在第2弯管内侧和叶轮进口边出现小旋涡.研究揭示了管道泵断电停机过渡过程中的内流瞬态特性,为管道泵停机过程的安全运行提供了理论基础.
2021 Vol. 39 (10): 1001-1007 [摘要] ( 62 ) [HTML 1KB] [PDF 2958KB] ( 395 )
水利水电工程
1008 蒋红樱,颜红勤,肖忠明,成立*,刘浩
卧式泵站竖井进水流道三面进水水力特性数值模拟
针对某单向卧式引水泵站采用的竖井式进水流道进行优化设计,提出三面进水竖井进水流道,为分析三面进水下竖井进水流道的水力特性,基于雷诺时均N-S方程和k-ε标准湍流模型,采用CFD技术对该卧式泵站的三面进水竖井流道进行数值模拟,通过控制中墩的线型以及中墩宽度b形成不同的三面进水流道,从而分析不同三面进水流道的水力特性,具体分析不同方案进水流道出口断面的轴向速度分布、水平剖面的流线和速度分布以及流道水力损失的状况.研究结果表明:对于不同中墩宽度下的三面进水流道,流线型中墩较矩形中墩其流速分布均匀度和速度加权平均角均较大,采用流线型中墩可以获得较好的流态;对于流线型中墩,随着中墩宽度b的减小,过水断面面积逐渐增大,各方案流速分布均匀度和速度加权平均角逐渐增大,当b=0.075B时,此时流线型中墩泵进口断面上的压力分布较矩形中墩更为均匀.
2021 Vol. 39 (10): 1008-1013 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 8159KB] ( 344 )
1014 潘虹*,唐魏,郑源,于洋
基于改进LMD的泵站摆度信号分析
局部均值分解(local mean decomposition, LMD)在分析非线性、非平稳信号时具有特有的分析能力,特别适合泵站机组摆度信号的分析.但是在信号分解为固有旋转分量的过程中,由于局域均值和包络估计函数在数据端点存在误差,会产生端点效应,严重时导致信号分解结果失真.针对这一问题,从全面考虑曲线幅值和几何形状相似性出发,提出基于灰色B型关联度和欧氏距离的端点效应抑制方法.为评价该端点效应抑制方法的抑制效果,提出分解前后的信号能量变化的评价标准.通过与原始局域均值分解算法、镜像映射法和波形匹配法等传统方法相比,验证该方法的有效性和优越性.仿真信号和泵站主轴摆度实测信号的应用表明,该方法能够有效地抑制端点效应,提高LMD分解过程中重构信号精度,更好地提取泵站机组摆度信号故障特征.
2021 Vol. 39 (10): 1014-1019 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 1860KB] ( 325 )
1020 庞嘉扬,刘小兵*,曾永忠,余志顺,宋罕
水轮发电机组轴承结构对油雾外逸现象的抑制作用
为探究水轮发电机组在运行过程中出现的轴承油雾外逸现象,在不改变机组油系统工作原理、轴承整体结构和轴瓦数量的条件下,通过对挡油环增设4级迷宫密封结构,并在轴领顶端增设4个直径为8 mm的均匀分布通气平压孔来改进下导轴承设计结构.运用VOF两相流模型和SST k-ω湍流模型对下导轴承结构油气混合物流动特性进行数值模拟.根据结果分析发现,改进结构在相同运行条件下油雾外逸量减少了78.21%,提高了油箱内流场的稳定性,减小了润滑油中气泡数和体积;同时表明水轮发电机组轴承油雾外逸现象与油箱内外压力差和油箱与外界开放通道密封性能有密切关系.研究结果能够为水电站抑制轴承油雾外逸现象提供指导.
2021 Vol. 39 (10): 1020-1026 [摘要] ( 51 ) [HTML 1KB] [PDF 3069KB] ( 406 )
流体工程
1027 陈亚飞,顾卫国,王德忠,许锐
球型调节阀关阀水锤效应的试验研究与数值计算
针对工业生产中球型调节阀快速关闭时产生水锤的现象,采用试验方法和数值计算分析关阀速度对水锤冲击波形的影响.研究结果表明,随着阀门关闭,阀前压力先增加后降低,阀后压力先降低后增加,二者几乎同时达到峰值和谷值,并都伴有一定强度的随时间推移快速衰减的压力波动.关阀水锤效应对阀前管路的冲击更强,并且阀前正压力与阀后负压力会产生合力,对阀体结构造成更大的水锤冲击力.关阀时间从3 s增加到5 s,可降低水锤冲击力,同时会改变水锤冲击波形.基于经典水锤方程和特征线法,建立一套快速分析关阀瞬态性能和水锤冲击效应的数值计算方法.自主开发计算软件,数值结果与试验数据基本吻合,能够较好地预测关阀动态过程和管道水锤现象,为相关工程应用提供技术支撑.
2021 Vol. 39 (10): 1027-1032 [摘要] ( 42 ) [HTML 1KB] [PDF 2022KB] ( 461 )
1033 李林,陈帝伊*,张京京,李欢欢,田雨,岳岩
光水互补发电系统参数不确定性分析
为了更好地发挥光水互补发电系统的互补发电特性,基于Simulink仿真平台建立包含水轮机调节系统、光伏发电系统以及电力系统和负荷的光水混合发电系统,在验证了该模型正确性的基础上,以秒级尺度模拟系统功率互补过程,并对水轮发电机组功率调节展开参数不确定性分析.研究结果表明:发电机转动惯量In、发动机阻尼系数Fr、水轮机流量对导叶接力器行程水轮机输出力矩对导叶接力器行程的传递系数Eqy、水轮机输出力矩对水头传递系数Eh传递系数对水轮机功率调节时间及调节稳态值输出结果无明显影响,而流量对水头传递系数Eqh和水轮机输出力矩对导叶接力器行程的传递系数Ey对水轮机功率调节稳态值具有显著相关性.其中,参数Ey与水轮机功率调节稳态值成正相关关系,而水头传递系数的微小扰动将引起水轮机调节稳态值的较大波动,这一结论对光水互补发电系统功率互补过程的风险决策与评估有参考价值.
2021 Vol. 39 (10): 1033-1039 [摘要] ( 41 ) [HTML 1KB] [PDF 3914KB] ( 376 )
农业水土工程
1040 刘艳伟*,王淑莹,焦忠帅
2000—2016年辽宁省NDVI时空变化及其与降水量的关系
为了开展辽宁地区的生态环境保护和干旱预警,基于MODIS遥感影像的MOD13A2数据,对辽宁省2000—2016年归一化植被指数(NDVI)的时间变化和空间变化进行分析,并研究归一化植被指数与降水量的相关性.结果表明:辽宁省NDVI的空间分布区域性较为明显,呈现出东部最高、中部和南部次之、北部较低、西部最低的特点.辽宁省年均NDVI值的年际变化总体上呈现波动上升的趋势,植被覆盖度呈增加的状态.NDVI年内存在季节变化,且呈现单峰型.最大值和最小值基本上分别发生在7月和5月.辽宁省NDVI与降水量两者有相关性,且与降水量存在一定的滞后性.
2021 Vol. 39 (10): 1040-1045 [摘要] ( 43 ) [HTML 1KB] [PDF 2386KB] ( 541 )
1046 龚志浩,蒋晓红*
基于粒子群算法的低压管灌系统水力计算方法
为了应对水资源危机,中国大力推广低压管灌技术用于粮食作物的灌溉.基于水量平衡和能量守恒原理,以系统的水量偏差最小为目标函数,支管的能量守恒和水量平衡作为约束条件,支管进口流量为决策变量,建立了低压管道输水灌溉系统的一维恒定流水力模拟模型,并相应地提出了试算-粒子群算法(TPSA)进行求解,可以获得系统实际运行时水泵的工况点以及各级管道和出水口的实际流量.将该方法应用于上海市一灌区的低压管灌系统,对比了TPSA与梯度法的求解结果,证明在同时工作的支管数较多的情况下TPSA可以获得更佳的求解结果,误差最多可减小12.3%,耗时最多可减少16.3%.应用该方法可以对管灌系统的初步设计成果进行校核和调整,对提高设计可靠性具有一定作用.
2021 Vol. 39 (10): 1046-1050 [摘要] ( 46 ) [HTML 1KB] [PDF 12880KB] ( 285 )
1051 LU Xingli,LI Shanshan,LIU Jihu,DUAN Yaxin,YUE Heng,KANG Jianhong,WU Hongliang
Distribution of soil water-stable aggrega-tes and organic carbon content affectedby tillage systems: a meta analysis
A better understanding of soil carbon(C)distribution within aggregate fractions is essential to evaluating the potential of no-till for sustaining productivity and protecting the environment. A meta analysis on 744 comparisons from 34 studies was conducted to determine the effects of three different tillage treatments(conventional mouldbould ploughing tillage(CT), reduced tillage(RT)and no tillage(NT))on water stable aggregate size distribution, soil C concentration in aggregate fractions. The meta analysis indicates that when compared with CT treatment, NT/RT significantly(P<0.05)increased macro-aggregate above 20 cm by 20.9%—82.2%(>2.00 mm)and 5.9%-19.1%(0.25-2.00 mm), whereas NT/RT significantly reduced micro-aggregate and silt clay fractions above 20 cm. NT/RT significantly(P<0.05)increased the SOC in macro-aggregate(>0.25 mm)and micro-aggregate(<0.25 mm)size classes above 20 cm soil depth as compared with CT. The results suggested soil sampling depth should be considered to evaluate the influence of tillage systems on the distribution of soil aggregate, and the content of aggregate-associated C content.
2021 Vol. 39 (10): 1051-1055 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 1651KB] ( 375 )
1056 李旭峰,马娟娟*,孙西欢,石小虎,郭向红,雷涛,
节水减氮对温室番茄生长及水氮利用率的影响
为研究番茄生长对不同生育期节水和不同施氮水平的敏感程度,通过温室小区试验,设4个灌水水平和3个施氮水平;分析番茄地上、地下生长指标对不同灌水和施氮水平的响应,并探究节水减氮对番茄水氮利用率的影响.结果表明:番茄株高、茎粗及产量均随着灌水量和施氮量的减少而减小,均在处理W1N1(常规水氮)下达到最大值;而整根特征参数随灌水量和施氮量的减少先增大后减小,在处理W2N2(苗期节水50%,施氮300 kg/hm2)下番茄总根长、细根总根长、总表面积及总体积最大,分别较W1N1 高33%,34%,46%和67%,常规灌水施氮会促进表层(0~30 cm)根系的发育,而节水减氮会使根系深扎.处理W2N2根系最发达,灌溉水利用效率最高,且有较高的氮肥偏生产力,在略有减产(8%)的同时节省了水(20%)肥(25%)资源,是本试验条件下最佳的节水减氮组合.
2021 Vol. 39 (10): 1056-1061 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 1435KB] ( 359 )
1062 王志强,钮丹丹,王佳兴,高鑫,吴昊,夏倩,蒋永年,郭亚*
大规模用水节点的灌溉物联网监控系统设计
针对现有的大部分智能灌溉的农业物联网系统难以满足大范围多布点的实际灌溉监控管理需求的问题,结合现阶段大规模农业灌溉对海量用水节点监控管理的需求,设计基于工业常用的MODBUUS-RTU协议以及TCP协议进行测点数据的查询和检测站点的管理系统,测点传感器可采用任何满足协议要求的流量传感器;设计IOT服务器和WEB服务器2个服务进程,IOT服务器负责从电磁流量计中查询获取数据并上传至数据库,解决协议识别解析和高并发问题,提高系统处理大量监控节点的能力;Web服务器从数据库查询相应的数据信息并进行权限管理,方便系统规模扩展;为了便于系统管理,设计开发具有测点数据查询以及设备管理等功能的配套微信小程序.设计的灌溉物联网系统在实现基本灌溉监控的基础上,综合考虑大规模节点部署、海量数据并发、系统权限控制等现实性问题,为实现节水灌溉提供了切实可行的解决方案.
2021 Vol. 39 (10): 1062-1067 [摘要] ( 46 ) [HTML 1KB] [PDF 3718KB] ( 402 )
排灌装备制造技术
1068 陈松玲,周建忠,黄舒*,张慧春
激光喷丸强化IN718高温合金抗热腐蚀机理
为了研究激光喷丸对IN718高温合金抗热腐蚀性能的影响,首先对IN718高温合金进行高功率激光喷丸强化处理,随后将试样置于800 ℃环境中进行热腐蚀试验,分别对比了喷丸样和未喷丸样残余压应力、微观组织、热腐蚀动力学曲线、腐蚀层的表面形貌和截面形貌等热腐蚀特性,最后阐述了激光喷丸强化IN718高温合金抗热腐蚀的机理.结果表明,激光喷丸样表层产生残余压应力且晶粒细化,喷丸样热腐蚀速率明显低于未喷丸样,喷丸样的腐蚀裂纹和腐蚀坑洞减少.分析认为晶粒细化加快了试样表面保护性氧化膜形成速度,减小了氧化膜内热应力和生长应力,残余压应力提高表层氧化膜的黏附性.同时,晶粒细化以及高温下晶界δ相的析出阻碍了硫、氧等元素的侵入,减缓内硫化氧化速度,从而提高了IN718高温合金的抗热腐蚀性能.
2021 Vol. 39 (10): 1068-1074 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 5209KB] ( 410 )
1075 邢少博,张金珠*,王振华,刘宁宁,
不同工作压力下穿孔形灌水器内的旋涡作用分析
为探究穿孔形流道内的旋涡对灌水器的抗堵塞与消能性能的影响,基于试验验证的数值模拟方法,对4种工作压力下流道中的流场分布、旋涡区的几何特征、涡旋强度及压力分布进行了分析,同时分析了该灌水器内不同粒径泥沙颗粒的运动情况.结果表明:旋涡区可对流道边壁进行持续冲刷清洗并减缓颗粒在流道内部的聚积,旋涡区可发挥抗堵塞作用;旋涡区内不同流速的流层间、旋涡区与主流区间、旋涡区与流道边壁间的摩擦作用都会消耗能量,旋涡区可发挥消能作用;旋涡区可在不同压力下形态稳定.以上分析表明,旋涡区在不同压力下稳定存在,并可提高滴灌灌水器的抗堵塞与消能性能,为灌水器的抗堵塞及水力性能优化提供参考.
2021 Vol. 39 (10): 1075-1080 [摘要] ( 57 ) [HTML 1KB] [PDF 2460KB] ( 433 )
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主办单位
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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
 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
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