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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2023年 41卷 5期
刊出日期：2023-05-25
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
封面及目录
   
封面及目录
1
 封面
 
2023 Vol. 41 (5): 1- [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [PDF 24298KB] ( 160 )
2
 目录
 
2023 Vol. 41 (5): 2- [摘要] ( 8 ) [HTML 1KB] [PDF 1344KB] ( 195 )
泵理论与技术
433 曹卫东,*,张洋杰,茅佳雨,程一飞,张留
高速多级深井泵固液两相流及磨损特性
为研究高速多级深井泵内部固液两相流动以及过流部件的磨损特性,采用DPM离散相模型对深井泵内部流动进行数值模拟,并采用磨损模型对叶轮和空间导叶进行磨损数值计算,分析在不同流量下固相颗粒在深井泵内部的流动规律以及叶轮和空间导叶的磨损情况.研究结果表明:在小流量工况下,颗粒在叶轮叶片进口处轨迹较为紊乱,颗粒速度随着流量的增大而增大;颗粒主要分布于叶轮叶片的头部和工作面上,随着流量的增大,颗粒分布面积逐渐扩大;在空间导叶上,颗粒主要呈带状分布于叶片工作面靠近外缘处,且在大流量工况下,叶片上颗粒堆积现象较为严重;叶轮叶片的磨损区域随着流量的增大而扩大,磨损程度以叶片头部最为严重;空间导叶的磨损率和磨损区域随着流量的增大而增大,在大流量工况下叶片工作面靠近外缘处最为严重;第一级叶轮和空间导叶的最大磨损率最大,随着级数的增加,叶轮和空间导叶的最大磨损率逐渐减小;在第一级叶轮中小流量工况下的叶轮最大磨损率最大,额定流量工况下叶轮的最大磨损率最小;在第一级空间导叶中流量为6 m3/h时最大磨损率分别为2 m3/h和4 m3/h的33.5倍和8.5倍;第一级空间导叶的最大磨损率受流量的影响较大.
2023 Vol. 41 (5): 433-439 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 2748KB] ( 220 )
440 杨孙圣,周成*,邵珂,方恬
叶片数对混流泵作透平特性的影响
为研究叶片数对混流泵作透平性能的影响,在叶轮其他主要几何参数不变的情况下,应用计算流体动力学软件ANSYS CFX对叶片数分别为6,7,8,9,10,11,12的泵作透平进行数值计算,得到不同叶片数时混流泵作透平的外特性曲线、内流压力场、速度流线场、湍动能分布等.通过对比分析,得到叶片数对混流泵作透平的影响规律.结果表明:叶片数对混流泵作透平的扬程、轴功率有一定影响,叶片数Z=8时透平效率最高;随着叶片数逐渐增大,叶片对流体的约束能力加强,叶轮进口处的旋涡区域逐渐变小,内部流动得到改善;叶片数越大,湍流集中现象越明显,叶片进口处的湍动能越小,湍流动能分布越均匀;叶片数过大不利于混流泵作透平性能的提升,即存在最佳叶片数Z=8使得透平的性能达到最佳.
2023 Vol. 41 (5): 440-444 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 3434KB] ( 186 )
445 汪琳琳,武鹏,何伟挺,吴大转,单岩
基于峭度谱的口环碰摩声特征提取与试验验证
为避免离心泵口环与叶轮之间发生碰摩,对口环碰摩故障提供预警,提出一种能够准确识别和诊断口环碰摩异常现象的特征提取方法.以动静环碰摩动力学机理为基础,结合声信号与谱峭度分析,建立离心泵口环-叶轮碰摩的故障声信号模型.构造不同的工况信号,从信噪比、随机滑动程度2个角度,对峭度谱算法进行性能分析.在满足水介质、可调偏心、环形部件碰摩的条件下,搭建模拟离心泵运行特性的动静环摩擦试验台,进行不同碰摩程度试验.研究结果表明:声信号结合峭度谱的特征提取方法对于强噪声和随机滑动干扰具有较好鲁棒性,可有效提取口环碰摩噪声特征信号;对不同碰摩程度的信号可解调出特征频率,根据调制频率幅值以及冲击频率的变化来判断碰摩的严重程度.研究结果能够支撑口环碰摩故障的预警,可为声信号特征提取方法与诊断算法的有效性提供一定理论依据.
2023 Vol. 41 (5): 445-453 [摘要] ( 8 ) [HTML 1KB] [PDF 5337KB] ( 180 )
454 王文杰,邓起凡,裴吉*,袁寿其,韩振华,甘星城,赵建涛
叶片泵性能优化设计平台研发
为简化叶片泵设计,基于开源Python编程语言、图形化语言编程软件LabVIEW和ANSYS Workbench平台,开发了适用于叶片泵的性能优化设计平台.采用LabVIEW软件搭建图形化用户界面,实现了优化变量设置、优化方法设置和结果反馈等功能.应用Python语言编写叶片设计和优化程序,集成了试验设计、近似模型和智能优化算法3类优化方法.通过LabVIEW内置Python节点调用Python程序执行ANSYS Workbench脚本文件,调用BladeGen,TurboGrid及CFX模块,实现了叶轮的三维设计、网格划分和数值模拟自动化运行,同时实现了异常数值计算的自动关闭以及优化结果在联网条件下的传输.以离心泵叶轮为例,优化方法选用智能优化算法,采用粒子群算法进行了自动优化设计,在无人工干预的情况下,耗时8 h进行13次迭代后效率达到全局最优,显著提高了叶轮效率.该平台在实际应用中大幅度提高了叶片泵优化设计效率,降低优化设计难度,显著缩短了叶轮水力设计周期.
2023 Vol. 41 (5): 454-460 [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [PDF 2868KB] ( 240 )
水利水电工程
461 宋科,*,杨邦成
潮流能涡轮机水动力性能与能量损失特性分析
为了分析潮流能涡轮机的水动力学性能和评估其能量损失发生的位置与损失机理,以一水平轴涡轮机为研究对象,通过引入熵产理论模型并采用SST k-ω湍流模型对其进行了三维数值模拟研究.研究结果表明:在涡轮机工作范围内,其功率系数CP与推力系数CT值均随尖速比TSR的增大而呈现出先增大而后减小的趋势,涡轮机在高TSR下的瞬时CP与瞬时CT的波动值比低TSR下的大.在相同来流下,涡轮机的黏性耗散熵产值和湍流耗散熵产值均随着TSR的增加而增大,湍流耗散熵产远高于黏性耗散熵产,其在总熵产中的占比达到了99.56%至99.65%.涡轮机在低TSR下的尾流能量损失区域位于叶尖端及轮毂后方,在高TSR下能量损失区域主要位于叶尖端,且高TSR下损失强度要明显大于低TSR下的.此外,涡轮机叶片不同截面处越靠近叶尖,其能量损失也越明显.研究结果揭示了潮流能涡轮机的水力流动特点和能量损失机理,为其优化设计及能量损失识别分析提供了一定的参考依据.
2023 Vol. 41 (5): 461-466 [摘要] ( 5 ) [HTML 1KB] [PDF 2486KB] ( 196 )
467 黎梓昕,林海军*,徐雄,温乐鹏
基于KPCA-PSO-SVM的水轮机组故障检测方法
水轮机组在运行过程中由于受到水力、机械、电磁等因素的干扰,极易诱发故障,从而影响机组安全稳定运行.文中在水轮机组运行噪声信号特征提取基础上,提出了一种基于核主成分分析(Kernel PCA)、改进的粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)与支持向量机(support vector machine, SVM)的水轮机组噪声信号故障检测方法.该方法首先对水电站现场采集到的原始噪声信号提取时域和时频域共13维特征,克服了特征量单一的局限性,再利用核主成分分析法(KPCA)对所提取出的特征向量降维,然后利用改进的粒子群算法(PSO)对SVM模型进行最优寻参,利用优化后的支持向量机(SVM)对提取的特征进行故障检测,完成对水轮机组常见的3种运行状态的识别.结果表明:采用基于KPCA-PSO-SVM的故障检测方法,水轮机组运行状态的分类识别率为96.73%,比SVM算法、神经网络、KNN、随机森林等方法的识别准确度更高,证实了本方法的有效性.
2023 Vol. 41 (5): 467-474 [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [PDF 2715KB] ( 198 )
475 张城芋,江双双,陈四利*,胡贵泉
赤泥-水泥复合土的工程特性试验研究
为探究赤泥对水泥复合土的无侧限抗压强度、抗冻性能和疲劳特性的影响,借助扫描电镜观察了试件微观结构,利用能谱仪对试件内部元素成分的变化规律进行了机理分析.结果表明:在相同冻融循环次数条件下,当水泥掺量为12%时,赤泥-水泥复合土无侧限抗压强度随赤泥掺量的增加呈先上升后下降的趋势,赤泥掺量为16%时达到峰值,而当水泥掺量为20%时,赤泥-水泥复合土无侧限抗压强度随赤泥掺量大体呈线性增长关系;赤泥-水泥复合土无侧限抗压强度随疲劳次数、加载频率的增加整体呈下降趋势,但加载频率影响程度相对较小.试件微观结构与元素成分变化表明,赤泥掺量的增加能够有效增强颗粒物之间黏结强度,提高骨架致密程度.
2023 Vol. 41 (5): 475-480 [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [PDF 2586KB] ( 199 )
481 梁达,覃源*,寇佳亮,王玉龙,周恒,耿凯强
单轴压缩荷载下带冷缝混凝土能量演化试验研究
带冷缝混凝土受压破坏过程中,伴随着能量的积聚与耗散,通过对不同浇筑龄期间隔和不同弹性模量比下的带冷缝混凝土进行单轴压缩试验,研究其应力-应变曲线、破坏形态、强度和能量演化受龄期间隔和弹性模量比的影响规律,从能量角度对其破坏过程进行研究,建立了带冷缝混凝土应力-应变本构模型;试验结果表明:随弹性模量比的增大,混凝土试样破坏形态由协同破坏逐渐转变为逐层破坏形态,应力-应变曲线主要经历弹性阶段、弹塑性阶段及屈服破坏3个阶段,弹性模量比越大,龄期间隔越长,曲线呈现出越明显的“瘦高状”;弹性模量比越大,龄期间隔越短,单轴压缩下峰前带冷缝混凝土储存可释放弹性应变能越大,总能量越大,且峰值后脆性破坏特征越明显.
2023 Vol. 41 (5): 481-486 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 2159KB] ( 180 )
流体工程
487 沈春根,封士政*,朱云明,金昆
基于CFX的旋进旋涡流量计取压位置的数值模拟
针对旋进旋涡流量计的精确测量,使用CFX数值模拟软件对旋进旋涡流量计内部流场进行数值模拟,确定了旋进旋涡流量计的最佳取压点.分析了旋进旋涡流量计的工作原理;建立了旋进旋涡流量计的三维数字化模型,使用基于有限元的有限体积法对旋进旋涡流量计内部流场的流动特性进行数值模拟研究,得到了明显的类似于钝体涡街旋涡脱落现象,并根据稳定状态下取压点压力变化曲线使用傅里叶变换得到傅里叶级数以确定流量计的脉动频率;使用音速喷嘴装置进行试验并将试验结果与数值模拟数据进行对比分析,验证了使用CFX对旋进旋涡流量计进行数值模拟的可靠性;分析不同流量下不同取压点的压差,得到了旋进旋涡流量计内流场压力变化的一般性规律,确定了旋进旋涡流量计在喉部与扩张段连接处的压差最大,此处可以作为压电传感器的最佳取压位置.
2023 Vol. 41 (5): 487-492 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 2243KB] ( 200 )
493 向清江,杜春伟,张贡赫,王希坤
气固喷射器的干粉喷洒试验及喉嘴距尺寸
为了研究气固喷射器应用于干粉灭火系统时的特点,在搭建的小模型干粉喷洒试验台上开展了气固喷射器的干粉喷洒试验,以及采用离散相DPM模型开展了干粉颗粒轨迹追踪,主要分析了喷射器3种喉嘴距长度下对喷洒性能的影响.结果表明:在所试验的干粉平均粒径(d50)为24.3 μm和供给量为2 kg/min情况下,干粉的地面分布均匀性主要受供给气体工作压力的影响,工作压力越高,干粉分布越集中;喉嘴距的改变对地面中轴线上降尘量分布曲线影响明显,合适的喉嘴距下具有最高的分布曲线;数值模拟结果表明喷射器的吸入室内存在回流区域.喉嘴距的改变影响了干粉颗粒在吸入室内的停留时间.由追踪的粒径判断,喉嘴距较小时粉尘颗粒容易沉积在喷嘴下端.研究结果可为气固喷射器应用于灭火提供参考.
2023 Vol. 41 (5): 493-498 [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [PDF 2025KB] ( 199 )
499 刘珍,王锦,汪建文,*,王赢政,杜运超
侧风角动态变化对风力机叶片应变影响的试验研究
通过在风洞中搭建动态偏航实验台,利用无线应变测试系统对水平轴风力机叶片应变进行测试,探究侧风角动态变化过程中水平轴风力机叶片所受载荷的变化规律.在侧风角由0°到45°连续变化时,对风力机叶片展向各测点应变数据进行处理分析,获得叶片叶根至叶尖位置的应变变化规律,揭示了侧风角的变化速度对风力机叶片所受应变的影响.在侧风角动态变化下,叶片所受应变出现迟滞现象,迟滞作用范围为10°;在侧风角变化速度为0.5°/s和1.0°/s时,叶根位置较叶尖位置对侧风角的变化更为敏感;在相同侧风角下,造成叶根位置应变在不同侧风角变化速度工况之间存在差异的原因是离心力载荷不同.
2023 Vol. 41 (5): 499-504 [摘要] ( 13 ) [HTML 1KB] [PDF 2339KB] ( 194 )
农业水土工程
505 李明玉
生物炭调节黏土覆盖层的渗透特性及其影响机制
为研究生物炭掺量和粒径对生物炭-黏土混合土渗透特性的影响,采用自主研发的柔性壁水-气联合渗透仪,获得了不同生物炭掺量(0,5%,10%,15%和20%)、不同粒径范围(>74,40~74和20~40 μm)生物炭-黏土混合土的饱和渗透系数.试验结果表明:随着生物炭掺量增加,饱和渗透系数ksat均表现不同程度增大;随着干密度增加,ksat逐渐减小,并且随着生物炭掺量增加,这种减小趋势越明显.当生物炭粒径大于74 μm时,生物炭-黏土混合土的渗透系数增大.同时,结合核磁共振(NMR)试验结果分析了土样孔隙结构的变化规律,从微观层面解释了生物炭-黏土混合土饱和渗透系数增加的原因.研究结果可为填埋场生物炭改性黏土终覆盖层的设计和施工提供生物炭掺量和粒径选取的参考依据.
2023 Vol. 41 (5): 505-510 [摘要] ( 14 ) [HTML 1KB] [PDF 1933KB] ( 210 )
511 王莹,谭美仙,*,陈正发,李重庆,李靖,
高原山地绿色农田健康水循环评价指标体系
随着绿色农田概念的提出,为提高水循环改善农田生态的能力,提出构建农田健康水循环评价指标体系的维度,以期为高原山地绿色农田的研究和发展提供理论支撑.文中总结了“绿色发展”理念、绿色农田的发展历程、以及农田健康水循环的研究动态;运用知识图谱可视化工具VOSviewer发现农田健康水循环的研究成果较少,而土壤因子是灌区尺度农田健康风险评估的关键.同时,对现有健康水循环的研究对象和指标维度做了对比分析,发现水源、供水、用水、排水为主要的评价指标维度,将其引入绿色农田水循环的健康评价研究中,提出结合土壤因子的评价指标体系更具代表性.此外,梳理了适用于灌区尺度绿色农田健康水循环指标的单一评价法和组合评价法,运用组合法进行指标评价是未来的发展趋势.
2023 Vol. 41 (5): 511-518 [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [PDF 1929KB] ( 204 )
519 田雨丰,何武全,*,刘丽艳,郑建行,段晓宁,石晓悟
大型灌区节水改造项目实施效果综合评价
为了客观准确评价大型灌区节水改造项目的实施效果,将大型灌区节水改造实施效果分为优秀(Ⅰ)、良好(Ⅱ)、中等(Ⅲ)和较差(Ⅳ)4级,选取建设过程规范程度、建设任务及投资完成程度、实现效益、管理与改革和灌区可持续发展5个一级指标、12个二级指标和35个三级指标,构建了大型灌区节水改造实施效果的综合评价指标体系.采用博弈论综合赋权法计算评价指标的组合权重,建立了大型灌区节水改造项目实施效果综合评价云模型.以湖北省某大型灌区节水改造项目为例进行实例验证,得到了该灌区综合评价结果对于优秀的隶属度为0.531 6,表明该灌区节水改造实施效果综合评价为优秀,评价结果与灌区实际情况基本一致,且该模型的评价结果更加科学准确,可为大型灌区节水改造项目建设和管理提供依据.
2023 Vol. 41 (5): 519-526 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 2029KB] ( 222 )
排灌装备制造技术
527 杜怿,陈晗,莫非尔,肖凤*
永磁游标电动机双绕组低谐波设计与磁热性能比较
为削弱永磁游标电动机的电枢反应磁场中的无效谐波含量,实现电动机高效运行,基于磁场调制理论提出一种双绕组低谐波永磁游标电动机.首先,阐明谐波抵消原理;其次考虑到温升对导线和永磁体性能的影响,利用有限元法对传统永磁游标电动机和双绕组低谐波永磁游标电动机的电磁场和温度场进行双向耦合计算,并对气隙磁密、转矩和温升等性能参数进行对比.研究结果表明:得益于低谐波设计,双绕组低谐波永磁游标电动机的转矩和效率得到改善,相比传统永磁游标电动机,在常温20 ℃时,所提出的双绕组低谐波永磁游标电动机的平均转矩和效率分别增长2.62%和0.55%,转矩脉动下降50.15%;温度收敛至稳态后,双绕组低谐波永磁游标电动机的平均转矩和效率分别增长2.66%和0.57%,脉动下降50.16%,验证了该低谐波设计方案的有效性.
2023 Vol. 41 (5): 527-533 [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [PDF 2928KB] ( 198 )
534 贾谦,*,杨帅,刘哲,李思晗,杨建晨,蔡龙,袁小阳
几何和环境因素对屏蔽电机主泵推力轴承润滑性能的影响
为在设计时更准确把握屏蔽电机主泵推力轴承的使用效果,掌握不同几何和环境因素对推力轴承润滑性能的影响规律,对屏蔽电机主泵推力轴承的工况和结构进行分析,建立推力轴承润滑性能计算模型,在算法上对求解方法进行实现,并通过理论计算分析了径向偏支系数、瓦块数、润滑剂、供油温度以及轴线倾斜角度等几何和环境参数对主泵推力轴承润滑性能的影响.研究结果表明:径向偏支系数对最小油膜厚度、温升、功耗影响较大;采用6扇瓦块时的流量是8扇瓦块的1.73倍,采用8扇瓦块时的功耗是6扇瓦块的1.85倍;水润滑时的润滑性能值较油润滑时均有明显降低;改变供油温度,对推力轴承的润滑性能影响明显;轴线倾斜后,推力轴承的最小油膜厚度变小,温升增大,流量减小,功耗减小,其中最小油膜厚度减小的幅度较大;在设计时径向偏支系数的选取很重要,从降低轴承功耗的角度,采用6扇瓦块的结构比8扇瓦块有优势,采用水润滑可以大大降低轴承的温升和功耗.
2023 Vol. 41 (5): 534-540 [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [PDF 2291KB] ( 172 )
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编辑出版
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