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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2010年 28卷 5期
刊出日期：2010-09-30
泵理论与技术
流体工程
节水灌溉工程
泵站工程与给排水
   
泵理论与技术
369 罗兴锜， 郭鹏程， 朱国俊， 丁 况
基于NSGA-Ⅱ算法的水轮机活动导叶多目标优化设计
建立了基于NSGA-Ⅱ算法的叶片多目标水力优化设计系统，该系统以叶片的形状参数为优化变量，以能量性能和空化性能为目标函数，将NSGA-Ⅱ遗传算法引入作为优化工具以实现叶片的多目标优化设计.对某电站水轮机模型活动导叶的水力性能进行了优化设计，优化后导叶流道的进出口总压损失减小了26.97%，导叶表面上的最低静压力值上升了34.176%.结果表明，优化后的导叶不仅减小了流动损失，而且具有更好的空化性能.所提出的优化方法能以较少的变量控制叶片几何形状，且能有效分析各设计变量对目标函数的影响程度和范围，缩小优化问题的规模，得到满意的优化结果，可作为一种有效的水力机械叶片优化设计工具
2010 Vol. 28 (5): 369-373 [摘要] ( 2452 ) [HTML 1KB] [PDF 483KB] ( 1690 )
374 施卫东， 张 华， 陈 斌， 张德胜， 张 磊
不同叶顶间隙下的轴流泵内部流场数值计算
基于标准k-ε双方程湍流模型和SIMPLEC算法，采用结构化网格技术，对轴流泵分别为0.15，0.50，1.00，2.00 mm的叶顶间隙进行了多工况数值模拟，讨论了不同叶顶间隙大小对泵性能的影响，并分析了叶轮出口轴面速度、出口环量的分布以及叶顶泄漏流和泄漏涡随叶顶间隙的变化情况.数值计算结果表明，当叶顶间隙超过0.50 mm时，泵性能下降的幅度明显增大；叶轮出口轴面速度在轮毂壁面和叶顶间隙处减小，而环量增加；叶顶间隙越大，轴面速度和环量受泄漏流的影响越大；通过数值模拟捕捉到不同间隙下叶顶泄漏流和泄漏涡，分析得出泄漏涡是由于泄漏流与主流发生卷吸作用而形成的，且泄漏涡在流道内的运动轨迹与叶顶间隙大小关系密切.
2010 Vol. 28 (5): 374-377 [摘要] ( 2355 ) [HTML 1KB] [PDF 444KB] ( 1311 )
378 陈红勋，朱 兵，李随波
轴流泵模型多叶片安放角的数值计算
在同一轴流泵模型0°安放角数值计算结果的基础上，应用ANSYS CFX软件，选择标准k-ε湍流模型和可伸缩壁面函数，在不同的叶片安放角下，采用全六面体网格和经网格无关性分析的网格数，分别在定常和非定常条件下进行了多工况的数值模拟和外特性计算，并将计算结果与试验结果进行对比.在规范使用工具软件的条件下，分析了CFD数值模拟技术预估轴流泵性能的精度及其误差的特点.结果表明，非定常计算扬程值略高于试验值，而定常计算扬程值低于试验值，非定常计算的总体精度高于定常计算，且误差可控制在5%以内；定常和非定常预测的效率误差可控制在7%以内，且非定常计算的效率与试验效率存在一相对固定幅度的偏差，据此可用于修正同类模型效率的预测值.基于非定常计算的结果，进一步分析了叶轮和导叶圆柱面上流线分布、叶片截线压力分布和轴流泵过流部件各部分水力损失随叶轮叶片安放角和流量的变化规律，发现在小流量工况，靠近轮毂位置存在旋涡堵塞现象；在计算工况范围内，导叶段和出水段水力损失随流量的增大呈现先减小后增大的趋势.
2010 Vol. 28 (5): 378-383 [摘要] ( 2667 ) [HTML 1KB] [PDF 645KB] ( 1580 )
384 郭 涛, 李国君, 田 辉, 孙秀玲
基于遗传算法的离心泵叶轮参数化造型及优化设计
根据流面流动理论,通过坐标变换实现离心泵叶轮子午面及叶片结构的参数化造型.采用自适应策略等技术对遗传算法的遗传操作进行改进以提高算法搜索效率,并设计了多目标决策的适应值函数.采用CFD软件NUMECA对叶轮及压水室等主要过流部件内部流动进行三维定常计算,从而预测离心泵的水力性能.编写FORTRAN程序实现参数化、搜索算法及性能预测3部分的联合,开发出一种离心泵叶轮造型的自动优化方法.以离心泵的2个外特性参数[CD2]效率和扬程作为优化目标,应用该方法对Dn1000型潜油泵及IS80-65-125型清水泵的叶轮结构进行多目标优化.优化后两泵的水力性能有了明显提高,在设计工况下扬程分别提高了0.21 m和1.70 m,效率分别提高了1.9％和2.3％.
2010 Vol. 28 (5): 384-388 [摘要] ( 2124 ) [HTML 1KB] [PDF 420KB] ( 2292 )
389 李志峰 , 吴大转, 王乐勤 , 戴维平 , 陈丰秋
离心泵启动过程瞬态特性的试验
为进一步研究离心泵启动过程的瞬态特性，建立了离心泵瞬态性能测试系统.在球阀全开、半开和全闭3种条件下，对离心泵的启动过程进行试验.在采集瞬态性能曲线的同时，应用粒子成像测速技术对离心泵测试截面的二维瞬态流速进行了拍摄，并分析了瞬时外特性与内部流动演化关系和产生试验误差的原因.结果表明，离心泵启动过程中内部流动演化呈现强烈的瞬态特性.开阀启动过程扬程和功率随转速快速上升，瞬时流量表现出三次曲线的增长特性；阀门全关启动的瞬时功率冲击达到稳态条件下的1.5倍，内部瞬态流动显示该冲击是由流体间相互掺混和涡能量的传递所引起的.产生气泡和低的拍摄频率是引起PIV测试误差的主要原因.
2010 Vol. 28 (5): 389-393 [摘要] ( 1910 ) [HTML 1KB] [PDF 414KB] ( 1925 )
394 刘建瑞, 张立胜, 向宏杰, 刘亮亮
SXB型消防用多级泵全流场CFD数值模拟
基于Reynolds时均N-S方程,采用标准k-ε湍流模型,压力速度耦合使用SIMPLEC计算,对SXB型消防用多级泵进行三维定常全流场湍流数值模拟,得到该泵的速度矢量图、静压图、湍动能分布图等,并对其内部流动规律进行定性分析.分析结果表明首级叶轮-导叶、次级叶轮-蜗壳中间轴向截面的速度场分布均匀,导叶与蜗壳起到很好的整流作用;首级叶轮-导叶、次级叶轮-蜗壳中间轴向截面的压力场分布均匀,叶片上压力分布非常规则,仅在首级叶轮与导叶的间隙区存在具有对称性的局部高压区;首级叶轮-导叶区湍动能分布较为规则,而次级叶轮-蜗壳区域的湍动能在沿叶轮旋转方向靠近隔舌的区域分布紊乱,在远离隔舌区湍动能较小,隔舌区湍流损失大.模拟结果显示出了泵内能量损失严重的区域,可为改进泵设计提供参考.
2010 Vol. 28 (5): 394-397 [摘要] ( 1690 ) [HTML 1KB] [PDF 377KB] ( 1553 )
398 朱荣生， 苏保稳， 王秀礼， 殷勇钢
折边对旋流泵性能影响的数值计算与试验
为提高旋流泵的扬程和效率，进行了折边对旋流泵性能影响的数值模拟与试验研究.通过对3种具有不同折边大小的叶片的水力性能进行对比，分析折边对旋流泵性能的影响.采用Pro/E造型和非结构化网格，把旋流泵无叶腔和叶轮作为一个整体来模拟旋流泵内部三维不可压湍流场.数值模拟计算选取工作介质为清水.计算结果表明,旋流泵内部存在较强的纵向旋涡和轴向旋涡,折边可以改善旋流泵内部流动情况，限制径向转为轴向的循环流动；通过对比试验讨论了折边对旋流泵性能的影响，试验结果表明,扬程提高3.64 m，效率提高近7.0%,折边能够减小水力损失，提高旋流泵的扬程和效率.
2010 Vol. 28 (5): 398-401 [摘要] ( 1625 ) [HTML 1KB] [PDF 360KB] ( 1279 )
402 贾瑞宣, 徐 鸿
基于先进控制流理论的偏置叶片优化方法
针对过去过多地依赖经验确定复合叶轮短叶片偏置位置和角度的弊端,提出了采用先进控制流理论来控制短叶片偏置的优化设计方法.首先根据离心式后向叶轮流道内流体微团的受力情况,建立沿流线法线方向的受力平衡微分方程,再根据相对运动Bernoulli方程, 推导出沿流线法线方向压强梯度与速度梯度的关系, 进而得出沿流线法向速度梯度与几何结构之间的关系. 通过对几个相关式子的分析, 可确定周向最佳偏置位置. 同时考虑将短叶片进口边适度向吸力面偏斜, 以期实现后加载特性. 试验结果表明,分析所得结论比较符合试验数据,证明了理论分析的可靠性.
2010 Vol. 28 (5): 402-406 [摘要] ( 1660 ) [HTML 1KB] [PDF 380KB] ( 1443 )
407 张金凤, 沈艳宁, 袁寿其, 陆伟刚, 袁建平
带分流叶片离心泵无过载特性的理论与试验研究
 通过整合分流叶片设计方法和无过载理论,基于无限叶片数理论和泵的欧拉方程,分析了带分流叶片离心泵无过载特性实现的理论条件,并推导了最大轴功率及其位置的预估公式.按高效无过载离心泵的设计要求,选择叶片出口安放角β2,叶片出口宽度b2,喉部面积Ft以及分流叶片进口直径Di,设计了三水平的L9(3*4)标准正交试验方案.试验得到了各参数对带分流叶片离心泵各性能指标影响的主次顺序为b2，β2，Ft，Di,并得出模型泵的最优设计方案,同时验证了所推导的带分流叶片离心泵轴功率极值点预估公式的有效性.对最优设计方案的测试结果表明,在实现无过载的同时,保持了较高效率,达到了试验目的.说明分流叶片设计和无过载设计理论的整合,可以实现离心泵的高效无过载特性.
2010 Vol. 28 (5): 407-411 [摘要] ( 2139 ) [HTML 1KB] [PDF 454KB] ( 1446 )
412 曾 培， 叶子兆， 李永亮， 孔繁余
磁力泵滑动轴承磨损检测
当磁力泵滑动轴承磨损超过极限，泵旋转部件将与隔离套摩擦，最终磨损隔离套，从而造成严重后果，因此，对滑动轴承磨损检测方法的研究很有必要.由于复杂的结构和密闭空间，磁力泵滑动轴承磨损监测非常具有挑战性.论述了一种简易、低成本的磁力泵滑动轴承磨损检测传感器，由于磁力泵自身的内、外磁钢环和轭铁部件也作为该传感器的一部分，所以传感器只需用一根导线就可以构成.根据磁力泵样机和传感器物理参数，通过理论分析和试验修正得到传感器输出特性曲线和输出函数.最后分别用不偏心和偏心两套滑动轴承在磁力泵上进行了传感器检测可行性试验.结果表明测量值与实际值误差满足监控要求，由该传感器构造的检测系统能够实现磁力泵滑动轴承磨损监测,对提高磁力泵产品的可靠性具有实际应用价值.
2010 Vol. 28 (5): 412-416 [摘要] ( 3512 ) [HTML 1KB] [PDF 440KB] ( 1498 )
417 王正伟， 杨校生， 肖业祥
新型双向潮汐发电水轮机组性能优化设计
 根据江厦潮汐试验电站多年运行数据，分析了潮位与运行参数的关系及其变化规律.通过数值模拟分析了双向灯泡贯流式水轮机多工况运行的水力特性，并对原始设计水轮机的灯泡比、导叶安放角、导叶及转轮叶片翼型等进行了优化设计，综合多个设计方案确定了优化后的水轮机整体流道尺寸.对优化设计的机组还进行了模型机组模型验收试验.研究成果直接应用于江厦潮汐试验电站6号机组中，真机的实际运行表明新型水轮机组可实现正反向发电、抽水和泄水等6种工况下的安全稳定运行，正、反向发电效率较潮汐电站中运行的其他机组均提高了6％以上，综合性能得到了提高.
2010 Vol. 28 (5): 417-421 [摘要] ( 2074 ) [HTML 1KB] [PDF 432KB] ( 1576 )
流体工程
422 张启华, 李月仙, 林建忠
旋转直扩张通道中柱状物的取向数值模拟
为了获得柱状物的轨迹和取向演变过程,对旋转直扩张通道中的柱状物悬浮流进行了数值模拟.采用Laplace方程生成通道的数值网格,使用有限体积法求解流场,然后采用Runge-Kutta法沿轨迹积分Jeffery方程来获得柱状物的取向演变.通过求解概率分布函数获得柱状物稳态取向分布.结果表明,流场的进口速度和柱状物所处的进口位置对于柱状物的取向演变具有重要影响,而通道的旋转速度和柱状物的初始取向对于柱状物的取向演变影响不大.当柱状物的长径比大于5时,取向分布对于长径比的变化不敏感;小于5时,长径比越小,柱状物旋转的速度越快,并且出现指向围绕流动方向振荡的情况越频繁.柱状物的取向总体上朝着流线方向,在壁面附近这一现象更为明显.结论对于含柱状物悬浮流泵送过程的研究具有参考价值.
2010 Vol. 28 (5): 422-427 [摘要] ( 1891 ) [HTML 1KB] [PDF 428KB] ( 1492 )
428 陶海坤, 谭 磊, 曹树良
遗传算法的改进及其在流体机械领域的应用
对遗传算法流程进行了多方面的改进, 形成了可以称为“基于排序的轮盘赌、选优策略、启发式交叉、自适应非均匀性变异、跨世代精英选择、小生境策略”的遗传算法.该算法弥补了基本遗传算法容易产生早熟现象而得到局部最优解的局限性,加快收敛速度,计算选取的种群较小,降低了计算工作量.应用改进遗传算法,以大型泵站钟形进水流道为研究对象,结合CFD分析了设计参数与出口流速分布均匀度的关系.研究结果表明,改进遗传算法能成功地应用于钟形进水流道的多参数优化设计,改善其水力性能,2参数和5参数的目标函数值分别达到了96.817％ 和97.285％,具有很好的工程实际应用价值.
2010 Vol. 28 (5): 428-433 [摘要] ( 1968 ) [HTML 1KB] [PDF 465KB] ( 1541 )
泵站工程与给排水
434 程吉林, 张仁田 , 邓东升, 龚 懿, 冯旭松
南水北调东线泵站变速运行模式的适应性
以南水北调东线工程源头泵站江都四站为例,通过单机组优化运行(叶片全调节、变频变速)数学模型的求解、分析可知,在南水北调东线源头泵站扬程变幅(日均扬程7.8～3.8 m,潮差1.2 m)范围内,不管是否实行峰谷电价,泵站叶片全调节优化运行是较为合适的运行模式;变频变速运行仅在扬程低于5.0 m、非满负荷运行时优于叶片全调节;在满负荷工作时,泵站变频变速与定角恒速运行相比,变频变速优化运行带来的效益不足以抵消变频装置的耗损.同时,从泵装置运行的机理出发,证明了大型提水泵站只有在一次调水过程中的扬程变幅足够大时,变频变速优化运行才能产生效益的论点.该成果可为南水北调东线大型泵站的改造、优化运行提供理论依据.
2010 Vol. 28 (5): 434-438 [摘要] ( 1848 ) [HTML 1KB] [PDF 429KB] ( 1705 )
439 张礼华, 程吉林, 张仁田, 仇锦先, 龚 懿
基于DPSA方法的江都四站单机组优化运行
提出了考虑峰谷电价与水位变幅等因素的水泵叶片全调节与变频变速组合优化(以下简称组合优化)运行的动态规划数学模型,以日开机运行总耗电费用最小为目标函数,各时段水泵开机的叶片安放角和机组转速为决策变量,规定时段内抽水总量为约束条件,通过动态规划逐次逼近法(即DPSA)确定最优解.以江都四站为例,对单机组组合优化运行与定桨恒速运行进行了比较分析.结果表明,在典型潮位过程(12月至2月份平均潮位过程),设计日均扬程(7.8～3.8 m ),机组以100％,80％和60％总水量(机组额定运行时的水量)作为约束时,组合运行优化结果与定桨恒速运行相比,考虑峰谷电价时可节省电费0.99％～35.00％,不考虑峰谷电价时可节省电费0.26％～17.23％.优化效果良好,为南水北调泵站优化运行提供了新的思路.
2010 Vol. 28 (5): 439-443 [摘要] ( 1782 ) [HTML 1KB] [PDF 361KB] ( 1285 )
节水灌溉工程
444 王新坤， 李俊红， 李亚飞， 许文博
基于正交试验的三角环流流道灌水器数值模拟
针对目前灌水器结构形式单一的现状，构造出一种新型的三角环流灌水器.利用Pro/E软件完成灌水器造型，运用Fluent 6.3对灌水器内部流场进行了数值模拟.以三角环流灌水器流道的关键结构参数为因素，以灌水器的流态指数和流量为试验指标，对灌水器进行了正交试验设计，并应用极差与方差分析法分析了流道关键结构参数对流态指数和流量的影响度.结果表明，三角环流灌水器的流态指数的值在0.5左右，水力性能良好；流道宽度对流态指数的影响最显著，而流道深度、进口尺寸和单元高度对流态指数没有显著影响；流道深度、宽度、进口尺寸和单元高度对灌水器流量均有显著影响，且影响程度递减.通过多元线性回归分析，建立了灌水器流量和流态指数与流道结构参数之间的回归模型，可为三角环流灌水器结构设计与量化分析提供理论依据.
2010 Vol. 28 (5): 444-448 [摘要] ( 2104 ) [HTML 1KB] [PDF 354KB] ( 1592 )
449 汪有科, 黎朋红, 马理辉 , 赵颖娜, 黎朋军
涌泉根灌在黄土坡地的水分运移规律试验
为了了解涌泉根灌这项微灌技术灌水后的水分运移情况，在野外黄土坡地利用剖面法对涌泉根灌在不同孔径、孔深条件下土壤水分运移规律进行了研究.结果表明，在不同孔径、孔深处理下，湿润体水平扩散半径、向上入渗距离和向下入渗深度有不同的影响，且均与时间有显著的幂函数关系；涌泉根灌停止后24 h内的土壤湿润体水平及竖直方向扩散相对变化超过了47%，湿润体平均含水量相对降低了30%；24 h后的扩散较小，平均含水量下降较小.涌泉根灌停止后24 h时的湿润体特征值可作为涌泉根灌系统设计的依据；推荐涌泉根灌适宜的孔洞深度为30～40 cm，孔径为6 cm.研究结果可为涌泉根灌技术的实际应用提供理论参考.
2010 Vol. 28 (5): 449-454 [摘要] ( 2130 ) [HTML 1KB] [PDF 500KB] ( 1134 )
455 王正中, 芦 琴 , 郭利霞
考虑太阳热辐射的混凝土衬砌渠道冻胀数值模拟
针对渠道冻胀数值模拟分析依赖于实测温度而无法直接预测渠道冻胀及设计的缺陷,考虑日照对衬砌渠道冻胀量及冻胀力的影响,根据冻土力学及冻土物理学和热辐射原理,利用有限元软件ANSYS按瞬态温变模式加载温度,对衬砌渠道冻胀过程进行动态数值模拟,得到了考虑与不考虑太阳热辐射两种情况下渠道温度、应力和变形场的分布规律.对比可知:考虑热辐射的衬砌渠道冻胀规律与实测正弦型温度变化引起的冻胀规律一致,考虑热辐射的渠基温度大于正弦温度变化法计算而得的渠基温度值,特别是渠道阴坡,考虑热辐射计算的冻胀力、冻胀量均小于正弦型温度变化法计算所得.
2010 Vol. 28 (5): 455-460 [摘要] ( 2900 ) [HTML 1KB] [PDF 578KB] ( 1267 )
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编辑出版
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