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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 11期
刊出日期：2021-11-25
泵理论与技术
流体工程
农业水土工程
智慧农业与装备制造
   
泵理论与技术
1
封面
2021 Vol. 39 (11): 1- [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 1138KB] ( 326 )
2
目录
2021 Vol. 39 (11): 2- [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 1033KB] ( 399 )
1081 吉冬涛,陆伟刚*,陆林广,徐磊,刘军,施伟
轴流泵装置性能曲线马鞍形区的特点及应用
根据南水北调水泵模型同台测试资料和中水北方水力模型通用试验台的泵装置模型试验资料,对具有代表性的4个轴流泵装置与相应轴流泵扬程-流量性能曲线的马鞍形区特点进行对比分析.结果发现:轴流泵装置扬程-流量性能曲线的马鞍形区只有1个马鞍形,而相应的轴流泵扬程-流量性能曲线有2个马鞍形,第一马鞍形鞍底扬程与泵装置的鞍底扬程接近,而第二马鞍形鞍底扬程则明显低于泵装置的鞍底扬程;透明泵装置模型试验的流态观察结果表明,轴流泵扬程-流量性能曲线马鞍形区出现的第二鞍底是在水泵模型性能测试时受二次回流影响而产生的测量假象.在低扬程泵站水泵选型考虑泵站最高运行扬程的控制扬程时,应将轴流泵扬程-流量性能曲线马鞍形区的第一鞍底扬程作为控制扬程,如有相近泵装置模型试验的扬程-流量性能曲线,则可参考相关泵装置模型试验资料提供的鞍底扬程.
2021 Vol. 39 (11): 1081-1086 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 8713KB] ( 706 )
1087 孔繁余,钱文飞*,童凯,汪家琼,张坤
隔板长度对紧凑型高速磁力泵水力特性及叶轮径向力的影响
为探究蜗壳内隔板长度对紧凑型高速磁力泵外特性与叶轮径向力的影响,根据蜗壳型式及隔板长度的不同提出6种蜗壳方案.设单蜗壳为方案一,其余双蜗壳方案根据隔板长度从小到大依次设为方案二至方案六.采用ANSYS-CFX软件对不同工况下(0.8Qd,1.0Qd,1.2Qd)各蜗壳方案泵内流场进行数值模拟,得到不同蜗壳方案的泵中心面静压分布云图,并进行径向力分析.采用方案四蜗壳作为泵实型样机进行试验,将试验值与计算结果进行对比.研究结果表明:相较于无隔板的单蜗壳泵,采用有隔板的双蜗壳泵有利于平衡叶轮径向力,在额定流量下单蜗壳在x,y方向的径向力最大分量分别为151.2,149.7 N,是双蜗壳方案四的1.5倍;随着隔板长度的增大,泵的扬程与效率均逐渐提高,叶轮径向力不断减小,3种工况下扬程的模拟值与试验值偏差均小于3.0%;试验表明数值计算结果具有可信性,研究结果可为紧凑型高速磁力泵在提高水力性能以及平衡叶轮径向力方面提供一定参考.
2021 Vol. 39 (11): 1087-1092 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 3397KB] ( 415 )
1093 陈建芳,施卫东*,张德胜
叶片进口边位置对单叶片离心泵性能的影响
为研究叶片进口边位置对单叶片离心泵性能和内部流动特性的影响,设计了6种不同叶片进口边位置的叶轮.在完成数值计算方法可靠性的试验验证后,分别对采用6种叶轮的泵进行了全流场定常数值计算.计算结果表明:叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口适当延伸,可增强叶片对流体的控制能力和叶片的做功能力,扬程最大可分别提高1.61 m和0.70 m,效率最大可分别提高5.23%和2.01%;叶片进口边向泵入口延伸过多,会造成叶片入口处流体堵塞,某些工况下泵的扬程和效率反而会降低;叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口延伸,可降低流体在叶片入口处的能量损失,能够提高叶片吸力面入口处的压力,和减小蜗壳内的低速区域,但是会增大叶片入口处、叶片压力面前端和叶片吸力面附近的低速区域.与叶片进口边沿后盖板向泵入口延伸相比,叶片进口边沿前盖板向泵入口延伸对泵的扬程和效率影响更明显.
2021 Vol. 39 (11): 1093-1099 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 3162KB] ( 565 )
1100 田晓庆,王刚,王海洋,朱泽飞*,潘华辰,冷建兴
理想状况下涡流发生器尾涡特性
采用大涡模拟技术计算了理想工况下54种涡流发生器的水动力特性,以尾涡大小、尾涡间距和尾涡强度作为衡量参数,依次分析了3种流速、3种几何尺寸和6种安装角度时涡流发生器的尾涡特性,并用粒子图像测量方法对计算结果进行了验证.研究结果表明:反向涡与水流方向的夹角远大于同向涡与水流方向的夹角,并且随着涡流发生器与涡旋间距离的增大,各夹角先增大后减小,直至同向涡和逆向涡合并到同一条直线上;随着涡流发生器安装角度绝对值的增大,尾涡大小和强度均线性增大,并且一对涡旋内同向涡和反向涡之间的距离增大,相邻两对涡旋之间的距离逐渐减小;随着流速的增大,尾涡强度显著增大,但各个涡旋之间的距离不变;随着涡流发生器安装边长度的增加,组内同向涡和反向涡之间的距离逐渐增大,但湍动能的分布区域大致相同.
2021 Vol. 39 (11): 1100-1104 [摘要] ( 55 ) [HTML 1KB] [PDF 3324KB] ( 447 )
流体工程
1105 陈汇龙,侯婉*,桂铠,周涛,韩婷,陆俊成,赵斌娟
介质温度对密封润滑膜颗粒沉积特性及性能影响
在考虑水的饱和蒸汽压力与温度的关系、黏温效应以及牛顿流体内摩擦效应基础上,建立了涉及润滑膜温度的上游泵送机械密封微间隙气液固多相流动计算模型,采用Fluent中Mixture模型和DPM模型进行了数值模拟,研究了介质温度对密封润滑膜固体颗粒运动、沉积分布、沉积率及密封性能的影响规律.研究表明:介质温度升高,外槽根高压区压力减小,吸入颗粒数量增多且进入槽区的颗粒更易向外槽根和坝区运动,进入膜区的颗粒多数在较大离心力和压力梯度力的作用下从外径侧逃逸,颗粒沉积区域向外槽根收缩,沉积率降低,转速较低时颗粒易在外槽根附近槽区沉积且介质温度越低沉积区域越向内槽根拓展,转速较高时则易在外槽根及坝区沉积;润滑膜开启力和摩擦扭矩随介质温度增大而减小,摩擦扭矩随转速升高而增大且对介质温度更敏感,泄漏量随介质温度的升高而向正泄漏方向移动.
2021 Vol. 39 (11): 1105-1110 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 2350KB] ( 414 )
1111 宋龙波,滕爽,曹骞,康灿*,丁可金,李长江
大尺寸固体颗粒提升过程中管道内的固液两相流动特征
为了研究不同性质的大颗粒固液两相流对深海采矿输送系统的影响,应用商用计算流体力学软件STAR-CCM+中的离散单元法(DEM),对垂直管道内不同工况时的流动特征进行了数值分析.研究结果表明:在输送含有不同粒径颗粒的固液两相流时,颗粒的平均速度随着颗粒直径的增大而下降;随着中间尺寸颗粒(dp=15.0 mm)体积比的增大,颗粒的平均速度降低,大颗粒的滑移速度降低,小颗粒的滑移速度升高;大颗粒趋向液体速度较低的区域聚集,而小颗粒趋向液体速度较高的区域聚集.在输送含有不同形状颗粒的固液两相流时,当颗粒的形状系数减小时,颗粒的平均速度先降低后增大,颗粒的滑移速度先增加后下降;相比于球形颗粒,形状系数较小的颗粒受到的壁面效应更加严重,更容易在壁面附近发生速度骤降;球形颗粒(颗粒的形状系数为1.0)的平均速度最高,平均滑移速度最低,颗粒速度沿管道径向的分布最为均匀.
2021 Vol. 39 (11): 1111-1117 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 2647KB] ( 525 )
1118 尹广洲,邓勇,周磊,谢纬安,喜冠南*
过渡流下近壁双圆柱倾角对绕流结构影响
为了研究过渡流下近壁双圆柱倾角对绕流结构的影响,在雷诺数为300(基于圆柱直径D=15 mm)时,采用开式循环水槽试验台,结合粒子图像测速系统PIV对不同倾角的近壁双圆柱模型进行了试验研究.结果表明:当Re 为 300时,倾角γ改变对圆柱绕流结构影响显著.随着倾角γ增大,上游圆柱尾流由下侧剪切层发展被抑制逐渐演变为上侧剪切层发展被抑制,上游近壁区域加速效果先增强后减弱;下游圆柱尾流由上侧剪切层主导逐渐演变为下侧剪切层主导,下游近壁区域的加速效果和范围不断增大至稳定.当γ<7.6°时,倾角γ对绕流结构影响逐渐增大,近壁区域扰动逐渐增强;当γ>7.6°时, 倾角γ对绕流结构影响逐渐减弱,近壁区域扰动趋于稳定.详细分析了γ=-7.6°工况下的瞬时流动特性,发现近壁双圆柱尾流形成周期性的旋涡交替脱落现象,增强了壁面附近流动不稳定性.
2021 Vol. 39 (11): 1118-1124 [摘要] ( 33 ) [HTML 1KB] [PDF 5554KB] ( 388 )
1125 姜晨龙,李恩达,朱兴业*
离心风机涡旋结构及失稳流动特性分析
为了了解离心风机转子区域的失稳流动特性,基于SST k-ω湍流模型,探究了风机进流面非均匀流动特性与转子区域失稳流动的匹配关系,并基于涡动力学探究了转子失稳流道的涡旋尺度与结构.研究结果表明,在设计风量下,离心风机转子区域呈现明显的非均匀流动特性,可由气流速度、流动品质划分为稳流区和失稳区.同时,风机进流面流动特性与转子区域内流特性保持较好一致性,压力、速度、进流冲角皆呈现非均匀分布.进流面高速气流仅仅冲刷转子稳流区流道,而进流面低速流体在流经转子轴端后经由离心力的作用流至各个流道.通过使用进流冲角、环量、切向速度等方法,确定了额定工况下转子区域涡旋尺度、堵塞程度最为剧烈的流道,并通过湍动能及涡核分布成功捕捉堵塞流道的涡旋结构.
2021 Vol. 39 (11): 1125-1131 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 13633KB] ( 378 )
1132 翟少华,谢福兴,尹广洲,喜冠南*
间隙比对近壁不同钝体涡激振动特性的影响
为研究不同间隙比L/D对近壁单圆柱与单方柱的涡激振动特性的影响,了解尾流对壁面不稳定性的作用机理,搭建了开式循环水槽试验台,利用粒子图像测速(PIV)系统,对过渡流下2种近壁模型进行了试验研究.结果表明:两者具有相似的涡激振动特性,当L/D很小时,钝体下侧剪切层发展受到抑制;随着L/D增大,壁面的抑制作用减弱,尾流处有形成旋涡对的趋势,旋涡逐渐靠近钝体并趋于对称,涡的尺度先增大后减小,近壁面附近流体的加速效应先增强后减弱,且主振频率逐渐减小;两者都呈现出周期性的涡脱运动,但也存在差异,方柱尾流分离点固定,而圆柱不固定;同一Re下,相同L/D下方柱涡的尺度比圆柱更大,近壁面附近的流速也更快;随着L/D增大,圆柱尾流处振幅先增强后减弱,而方柱一直增强且主振频率略小,表明近壁方柱涡脱落周期比圆柱更长.对实际工程领域应用具有一定的参考价值.
2021 Vol. 39 (11): 1132-1138 [摘要] ( 33 ) [HTML 1KB] [PDF 4904KB] ( 449 )
1139 杨从新,宁健斌*,李寿图,
垂直轴风力机翼型涡流噪声的数值分析
为了了解垂直轴风力机翼型涡流噪声特性,以LUT翼型为研究对象,首先利用Fluent进行流场分析,流场计算选用DES湍流模型,再结合Lighthill声类比方法计算翼型周围声场,将数值模拟计算得到的气动特性相关数据与该翼型的风洞试验结果作对比分析,同时分析了不同攻角对该翼型气动噪声特性的影响,最后研究了在攻角为8°时不同雷诺数对该翼型的声压级指向性特征影响.结果表明:数值计算所得气动数据与风动试验数据拟合良好,建立的仿真模型、网格质量和边界条件合理有效;随攻角增加,翼型涡脱落从尾缘向前缘推进,同时涡流脱落强度增大,气动噪声增强;随着雷诺数的增加,翼型四周声压级先增加后减小;雷诺数与声压级关联较大,控制叶片雷诺数有助于降低叶片噪声,为该翼型适用于低噪声垂直轴叶片提供理论基础.
2021 Vol. 39 (11): 1139-1145 [摘要] ( 39 ) [HTML 1KB] [PDF 7859KB] ( 409 )
农业水土工程
1146 冯克鹏,田军仓*,洪阳,唐国强,阚光远,罗翔宇
多源降水产品在不同气候带的水文模拟评估
以NOAA-CPC-US降水产品作为参照,选取美国不同气候带的8个流域,通过对比分析,评估了卫星降水PERSIANN和GPM-IMERG、雷达降水StageIV以及第5代ECMWF大气再分析全球气候数据ERA5等降水产品的精度,继而以5种降水数据驱动分布式水文模型(CREST),评估了它们在径流模拟中的效用.结果表明:雷达降水StageIV在8个不同气候带中的降水估算精度最好,其次是卫星降水GPM-IMERG和PERSIANN,气候模式降水ERA5.在径流模拟中,Stage IV和NOAA-CPC-US在不同气候带的流域都表现较好,能够满足不同气候带流域水文模拟需求.降水GPM-IMERG和PERSIANN的径流模拟能力在不同气候带并不一致,稳定性不高,地处低纬度的气候带好于高纬度气候带;且总体上降水GPM-IMERG优于PERSIANN,这2种降水产品在水文模拟使用时还需进一步验证;ERA5的水文模拟效果不理想,尚不能支撑不同气候带小流域的水文模拟.
2021 Vol. 39 (11): 1146-1153 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 3133KB] ( 711 )
1154 李波,周海龙*,梁玉婧,何永,吕志刚,杨福光
偏高岭土对高强机制砂混凝土性能的影响
利用扫描电子显微镜(SEM)、压汞法(MIP)、快速氯离子迁移系数法(RCM)等手段,研究了偏高岭土(MK)掺量对高强机制砂混凝土抗压强度以及抗氯离子渗透性能的影响.研究发现: 掺入MK能够有效改善高强机制砂混凝土的力学性能和抗氯离子渗透性能:随MK掺量增加,抗压强度与抗氯离子渗透性能均呈先增大后减小的趋势,最佳MK掺量为8%,此时28 d抗压强度为98.5 MPa,较基准组增加13%,氯离子迁移系数为1.89×10-12 m2/s,较基准组减小60%.微观结构试验表明适宜的偏高岭土掺量能够有效促进水泥水化;偏高岭土颗粒的晶核效应和微集料填充效应协同作用,使得机制砂混凝土的微观结构更加均匀密实,机制砂混凝土的多害孔、有害孔减少,少害孔增加,从而提高了机制砂混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性能.
2021 Vol. 39 (11): 1154-1160 [摘要] ( 53 ) [HTML 1KB] [PDF 2997KB] ( 474 )
1161 廖海,栗现文,陈俊英,*
膜下滴灌棉田冻融期土壤剖面水盐热分布动态
为了深入揭示干旱区膜下滴灌棉田冻融期土壤水、盐和温度的动态变化规律,利用Hydra水盐热系统实现对冻融期宽行、窄行和膜间位置15,25和40 cm深度土壤液态水分、温度和电导率实时等间隔加密监测,分析了冻融期土壤水盐热动态变化过程.结果表明:同一位置不同深度液态水分、电导率和温度动态变化规律一致;冻融期内盐分垂向运移规律为深层土壤内的盐分向表层运移,冻融作用使盐分发生了重分布,加重了土壤40 cm深度的盐分含量,电导率增值范围为20~80 μS/cm,并且冻融前后不同位置电导率以位置排序由大到小为宽行,窄行,膜间;在冻融过程中不同位置土壤温度、液态水分和电导率两两之间存在着正相关关系(P<0.01),其相关系数大于0.74,而电导率与温度和液态水分两者也存在极强的多元一次函数关系(P<0.01),其相关系数大于0.90;冻结和融化并不是重合的过程,而是在期间会出现分叉点,分叉点出现在-1 ℃附近.研究结果对制定合理的非生育期灌溉制度具有重要参考意义.
2021 Vol. 39 (11): 1161-1168 [摘要] ( 45 ) [HTML 1KB] [PDF 3099KB] ( 370 )
智慧农业与装备制造
1169 朱梅,顾佳林*,储诚癸,李晓乐,朱德泉
基于柱塞泵与单片机的可控施肥机设计与喷灌试验
为了实现水肥一体化施肥装备流量精确且无水头损失,设计了一种基于柱塞泵与单片机的高精度可控施肥机,开展了恒流模式下6个流量梯度的喷灌系统施肥均匀性试验;以喷头总流量变化幅度为变量,设计了在1∶10的水肥配比下2种灌溉总流量变化幅度的不同工况,对比启、闭可控施肥机恒定水肥比例模式对水肥一体化支管内肥料浓度稳定性的影响效果.试验结果表明,高精度可控施肥机在流量分别为100,200,400,600,800,1 000 L/h的6种恒流模式时,喷灌均匀系数CU为99.33%~99.71%、变异系数CV为0.35%~0.75%;CU,CV与施肥机流量分别呈正相关与负相关关系,且喷头喷洒肥液的电导率总平均值EC_-与施肥机流量之间具有显著的正相关性.在恒定水肥比例模式时,试验组管道内肥液浓度在160 s时趋于稳定,且稳定后肥液电导率与目标值偏差率小于4%.高精度可控施肥机恒流模式试验表明施肥机大流量下施肥均匀性变异系数仅为小流量下的50%,且改变施肥机的流量是水肥一体化喷灌系统实现高均匀度变量施肥的一种有效途径;试验证明恒水肥配比模式可有效减小支管肥料浓度受外界的影响.
2021 Vol. 39 (11): 1169-1176 [摘要] ( 41 ) [HTML 1KB] [PDF 1385KB] ( 424 )
1177 邹雄,徐让书*,李景春,刘梓琳
植保无人机喷洒作业雾滴飘移的质点运动学分析
为了研究雾滴飘移对植保无人机喷洒作业质量的影响,基于多相流理论和质点运动学方法,对植保无人机喷洒的雾滴其受力和运动轨迹进行了理论分析与数学建模.在对近地面层和层流副层风速进行假设的基础上,即假设风速测量高度范围内的风速近似为线性函数分布,进行方程耦合迭代求解,分析了雾滴直径、飞行高度、飞行速度大小和航向、风速大小和风向、雾滴初始速度大小和方向对雾滴飘移的影响.进一步讨论了各因素之间耦合作用对雾滴飘移的影响,得到雾滴飘移浓度分布情况.结果表明:风速和风向对雾滴飘移距离影响较大;雾滴飘移距离和初始速度角度呈二次函数分布,在所给条件下经计算得出初始速度角在20°左右飘移距离最近;雾滴飘移主要集中分布在喷嘴周围,并且呈散射状分布.
2021 Vol. 39 (11): 1177-1181 [摘要] ( 46 ) [HTML 1KB] [PDF 1715KB] ( 446 )
1182 景敏*,马祯元,杨帆,张琦,丁敏,陈曼龙,
基于动态荧光指数的草莓干旱胁迫分析
为了探究干旱胁迫与草莓幼苗荧光图像参数的关系,设计了草莓幼苗叶绿素荧光图像采集系统,研究利用460 nm波长LED光源主动激发不同胁迫组分下的草莓幼苗,采集从激发开始到稳态阶段的荧光图像.提出基于最大类间方差法的阈值分割及图像去背景方法进行图像预处理,并根据每幅图像的像素均值绘制荧光淬灭曲线,分析荧光衰减比率、动态荧光指数与胁迫天数相关关系.结果表明:离体叶片的荧光淬灭曲线衰减变化较大,荧光衰减比率与干旱胁迫时间高度相关,决定系数R2=0.98;活体草莓幼苗荧光衰减比率在干旱胁迫7 d内相比对照组存在较明显变化,荧光淬灭曲线550 s处的动态荧光指数与干旱胁迫天数存在较高相关性(决定系数R2=0.84),可以作为模型分析草莓幼苗干旱状况;经过数字处理的荧光图像可以直观地分析叶片荧光二维分布、进行不同胁迫天数之间的荧光比对,结合图像的叶绿素荧光分析相较传统的荧光检测手段更加经济直观,可以作为一种农业生产监测手段来实现干旱胁迫预警.
2021 Vol. 39 (11): 1182-1188 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 1784KB] ( 377 )
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