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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2013年 31卷 4期
刊出日期：2013-04-25
泵理论与技术
水利水电工程
流体工程
农业水土工程
   
泵理论与技术
277 吴登昊, 袁寿其, 任芸, 张金凤
叶片几何参数对管道泵径向力及振动的影响
为了解决一台比转数为221的管道泵振动问题,在保证能量特性具有较好一致性的前提下,通过优化叶片几何参数Z,β2,β1减小振动烈度．采用CFX数值计算软件分别对不同工况下优化前后的管道泵内部全流场进行非定常数值模拟,研究叶片几何参数Z,β2,β1对管道泵压力脉动、径向力及振动的影响．计算结果表明：叶轮A的压力脉动、径向力及径向力脉动强度均大于叶轮B,叶频及其谐波是压力脉动的主要激励频率．同时,为了进一步研究由叶片几何参数的改变引起的压力脉动及径向力的变化对振动的影响,通过振动试验测量了带有叶轮A，B的管道泵振动速度.结果表明：在不同工况下,叶轮A的振动强度大于叶轮B,叶频及其谐波是管道泵振动的主要激励频率．对比数值计算结果和试验结果可以看出,压力脉动较大、径向力及径向力脉动较为剧烈的叶轮A,其振动强度也较强；优化后的管道泵在04Qd到13Qd 工作范围内,振动速度小于18 mm／s,满足振动标准．
2013 Vol. 31 (4): 277-283 [摘要] ( 1850 ) [HTML 1KB] [PDF 2211KB] ( 2165 )
284 余志毅, 张勤昭, 黄若, 曹树良
叶片式混输泵非定常流动的数值模拟
为了加深对叶片式混输泵内相态分离和气体局部聚集现象形成机制的认识,在细泡状流动假设下,基于双流体模型对叶片式混输泵在进口含气率为15％条件下的气液两相输运过程进行非定常CFD模拟．计算中,湍流模型采用SST模型,相间作用力考虑了阻力和附加质量力,初始流场根据纯水工况的稳态计算解给定．对该含气率下的5个流量工况进行了计算,并以其中的最优工况为例分析了输运过程中两相流场的分布及其随时间的演变,探讨了非定常过程中扬程的计算方法及变化特点．结果表明:由于两相所受离心力不同,输运过程中气相主要分布于轮毂面附近;受流道形状变化和叶轮旋转的影响,叶轮进口区容易促发气团的形成,是气团形成的起始位置．输运过程中含气率场和压强场将出现波动,进而导致扬程值的大幅振荡,影响混输泵运行的稳定．通过对比扬程特性的计算和试验结果,说明了所用数值模型和方法的基本可靠性．
2013 Vol. 31 (4): 284-288 [摘要] ( 1856 ) [HTML 1KB] [PDF 1946KB] ( 1928 )
289 范谊章, 左志钢, 刘树红, 沙玉俊, 徐令君
锅炉循环泵的泵壳改型与应力安全分析
为降低生产成本,通过采用铸造生产代替锻造生产并且减小半球形压水室内径的措施对一种现有的锅炉循环泵的泵壳进行改型．采用Ansys Mechanical软件,参照ASME标准第Ⅷ-2卷,疲劳计算应用一般迈内尔(Miner)准则和雨流计算法,计算4种泵壳的静态强度使用系数和低循环疲劳使用系数．结果表明:4种泵壳的静态强度使用系数和低循环疲劳使用系数均小于1;内径减小至0875倍时,最大静态强度使用系数减小了7％,最大低循环疲劳系数减小了84％;壁厚增大至1375倍时,最大静态强度使用系数减小了163％,最大低循环疲劳系数增大了2214％．说明选用铸造材料代替锻造材料是应力安全的;小内径可提高静态强度性能,并显著提高低循环疲劳性能;大壁厚可显著提高静态强度性能和降低低循环疲劳性能．
2013 Vol. 31 (4): 289-293 [摘要] ( 2425 ) [HTML 1KB] [PDF 1814KB] ( 2314 )
294 赵斌娟, 侯多华, 陈汇龙, 刘志斌
叶轮流道结构对双流道泵性能的影响
从叶轮流道结构变化的角度研究双流道泵的内部流场及其流动特性．采用标准k-ε湍流模型和全隐式多网格耦合算法,对双流道泵叶轮的3种流道结构，即上圆弧式（方案a）、直线式（方案b）、下圆弧式（方案c）进行全流道三维不可压缩湍流流场的数值模拟,并比较其在相同工况下的水力性能,探寻最优的双流道泵叶轮流道结构．结果表明：不同叶轮流道结构的双流道泵,在设计工况下的内部压力和速度场分布呈现出规律性和差异性；方案a和方案c的有效流道体积均增大，方案a无阻塞性能最好；方案a的水力效率最低,但在流道出口处具有更加明显的压力降；方案c具有最高的水力效率,扬程最低；综合分析，方案b具有最高扬程14.46 m和较高水力效率78.24%，较另外2种方案，方案b的综合性能指标最优，认定其为最优双流道泵叶轮流道结构.
2013 Vol. 31 (4): 294-299 [摘要] ( 2156 ) [HTML 1KB] [PDF 1713KB] ( 2285 )
300 张永学, 周鑫, 姬忠礼, 陈龙, 苏敏
低比转数离心泵的水力设计及性能预测
运用速度系数法获得叶轮基本几何参数,根据给定的叶轮流道过流断面面积分布规律与叶片包角分布规律调整叶片轴面轮廓形状,并由所建立的短叶片偏移角与Wiesner滑移系数之间的关系确定短叶片位置．基于该方法在相同设计参数(扬程、流量、转速等)条件下设计了4种短叶片参数不同（叶片长度分别为0.75,0.65,0.55和0.45倍长叶片长度）的低比转数离心泵叶轮,并采用RANS控制方程组和RNG k-ε湍流模型对所设计的离心叶轮流道的三维湍流流场进行计算分析,研究了这4种短叶片对沿流道的速度分布、压力分布及离心叶轮整体水力性能的影响．结果表明:添加短叶片能明显提高叶轮扬程,但过长的短叶片会增加冲击损失与摩擦损失；扬程增加量会随短叶片长度的减小而增大；通过选取合适的设计参数并合理地放置短叶片可以改善流态,提高水力性能．
2013 Vol. 31 (4): 300-304 [摘要] ( 2207 ) [HTML 1KB] [PDF 2799KB] ( 1738 )
水利水电工程
305 杨魏, 刘竹青, 吴玉林, 高德瑜
上向流水轮机中自由液面流动的数值模拟
为了更加准确地研究上向流水轮机内部流动情况,评价其水力性能,指导水力设计,建立了上向流水轮机（包括蜗壳和转轮）的全流道几何模型．利用非结构化网格划分技术进行流道的网格划分,在转轮叶片、蜗壳导叶等壁面进行网格加密,网格尺度的选择保证满足湍流计算对壁面y+的要求．基于RNG k-ε湍流模型进行水轮机内部流场的求解,利用流体体积法进行自由液面捕捉,得到上向流水轮机在考虑自由液面时的内部流动模拟结果．基于数值计算结果进行了水轮机内部流动的损失分析,研究发现：在水轮机固定导叶和转轮进口之间的流道存在较大的损失,占总损失的73％;内部流动细节显示该区域的台阶结构是损失的直接诱因,同时造成了转轮进口流态恶化；可通过改进上向流水轮机过渡段的设计消除台阶，以改善上向流水轮机能量性能.
2013 Vol. 31 (4): 305-308 [摘要] ( 1781 ) [HTML 1KB] [PDF 1873KB] ( 1716 )
309 周涛, 张海库, 朱晓敏, 刘小兵, 刘德民, 邓明贵
栗子坪电站水轮机补气装置改造
针对栗子坪电站高水头混流式水轮机原设计中，采用水轮机主轴法兰根部孔对转轮中心下方进行补气的方式在涡带区不能正常补气,并会引起机组振动过大的问题,通过采用加装尾水管十字架补气装置对机组补气装置进行了设计改造;为防止十字架装置脱落,采用优质不锈钢材料,对其进行流线型加工,且补气孔设在十字架中心和背水边,以减小水流阻力和涡带反作用力．对比改造前后的机组振动、压力脉动及补气量的试验数据，结果表明:改造后,补气装置可以正确地在机组强振动区自动补气,能有效地消除尾水涡带引起的压力脉动;机组导轴层摆度、机架和顶盖振动都有不同程度的减小,并从根本上解决了尾水管锥管摆动问题,对机组的整体稳定运行起到了很好的作用.
2013 Vol. 31 (4): 309-312 [摘要] ( 3928 ) [HTML 1KB] [PDF 1282KB] ( 2550 )
313 杨星, 何勇, 王蔚, 陈文猛
江苏省海堤工程不同重现期风潮组合优化设计
为了实现海堤工程中风速和潮位参数组合的优化设计,提出了独立性风险和关联性风险的概念,并基于概率理论,定义了2种风险的计算模型,分析了2种风险之间的关系,以此提出风速和潮位组合的优化设计方法．利用江苏省沿海典型站(连云港站、射阳闸站、天生港站)多年实测风速资料和潮位资料,对提出的优化设计方法展开实例分析．结果表明:各站点风速和潮位变化趋势的差异性导致风速和潮位同频率设计存在较大的安全性;各站点风速和潮位遭遇特征的差异性导致风速和潮位区域优化组合形式存在一定的差异性;从优化组合的角度考虑,江苏省现行海堤设计组合标准“50 a一遇防潮标准加10级风”,尚有待进一步论证其合理性和安全性;海堤设计应充分考虑风速和潮位的独立性风险与关联性风险之间的协调性,以确保海堤设计的安全性和经济性;这种优化设计方法也可应用到其他类似水利工程设计中．
2013 Vol. 31 (4): 313-317 [摘要] ( 1971 ) [HTML 1KB] [PDF 1558KB] ( 2066 )
流体工程
318 白冰, 张立翔, 赵磊
导轴承刚度对水轮机轴系自振特性的影响
为研究水轮发电机组轴系横向自振特性,采用有限元方法对轴系进行离散,利用能量法获得运动方程,根据简化的实际机组轴系参数,采用Matlab软件计算机组轴系各阶的固有频率、主振型以及临界转速,分析导轴承刚度系数的变化对机组轴系临界转速和主振型的影响．计算结果表明:当仅改变其中1个导轴承刚度时,上导轴承对机组临界转速几乎没有影响,下导和水导轴承对临界转速的影响较大．当导轴承刚度达到一定值时,临界转速不再随其增大而增大,出现“饱和”现象;而同时增加3个导轴承的刚度,机组轴系的临界转速有较大的增大．上导轴承的改变对前三阶振型几乎没有影响,下导和水导轴承的改变会导致某一阶的振型与原振型相反．工程中估算机组临界转速时需充分考虑导轴承刚度对机组的影响．
2013 Vol. 31 (4): 318-324 [摘要] ( 2325 ) [HTML 1KB] [PDF 1495KB] ( 1986 )
325 杨帆, 施徐明, 戴韧, 郭雪岩, 陈铁军, 吴玉林
自由表面旋涡数值模拟与涡、汇模型理论分析
为研究吸气旋涡的产生机理,并进行相应的理论分析,将水利和水工设备进水口前常见的自由表面旋涡现象简化为盆池自由放水模型,采用“流体体积”(VOF)方法结合RNG k-ε湍流模型模拟自由表面旋涡现象．通过数值模拟获得自由液面从纯水涡到吸气旋涡的生成与演化过程,将计算结果与理论Burgers涡模型进行对比,发现Burgers涡模型的切向速度分布方程与计算结果相符,涡量向中心聚集是导致自由液面发生凹陷并最终产生吸气旋涡现象的原因之一,同时发现Burgers涡的径向速度和轴向速度分布方程与计算结果相比存在很大差异．进一步简化模型后,剔除切向速度影响,模拟了无旋流体的排水过程．通过理论推导在球坐标系下提出“汇球面”模型,获得了较好的速度分布方程,并发现“汇”效应也是产生吸气旋涡现象的重要因素之一．
2013 Vol. 31 (4): 325-330 [摘要] ( 1965 ) [HTML 1KB] [PDF 5215KB] ( 2398 )
331 陈庆光, 谢滨, 贾祥省, 张永超, 房建成
热电偶套管流体激励动力特性模拟
为减小用于测量管道内流体温度的热电偶套管在高温、高压环境下所受流体高速冲击力,抑制其因流体激励而引起的振动,阐述了流体诱发旋涡脱落导致结构产生振动的机理,分析了热电偶套管断裂的原因,提出了通过在热电偶套管前端安装一流线型挡块以改善套管受力情况的方法,从而预防热电偶套管振动断裂的设计方案．采用大涡模拟(LES)方法分别对有、无流线型挡块情况下的热电偶套管周围的非定常流场进行数值模拟,得到2种情况下热电偶套管表面和流线型挡块上的全压分布、平均作用力以及作用力脉动的时域图和频域图.数值模拟结果表明:安装流线型挡块可以改善热电偶套管的受力情况,防止热电偶套管因流体激振而导致的断裂,使其工作更加可靠．
2013 Vol. 31 (4): 331-334 [摘要] ( 2031 ) [HTML 1KB] [PDF 1620KB] ( 2226 )
335 李树勋, 侯英哲, 李连翠 周世豪
液流旋启式止回阀关闭动态特性数值模拟
针对旋启式止回阀关闭时出现的水击现象,采用计算流体动力学(CFD)方法,建立了阀瓣的运动方程和二维几何模型,以连续性方程、雷诺平均N-S方程和基于各向同性涡黏性理论的k-ε方程组成旋启式止回阀内部流动数值模拟的控制方程组,借助Fluent软件提供的计算方法和物理模型,利用动网格及其UDF编程(用户自定义函数)技术,对普通和改进后2种模型的关闭过程进行非定常流动的二维数值模拟计算,获得了阀门内部流场的压力场图、速度矢量图、压力曲线图以及速度曲线图．结果表明:原模型在关闭过程中会出现大幅度的波动,而改进后的止回阀只出现小幅度的波动,突变的发生率减小,流动更加稳定,流通能力提高,流体对阀瓣的冲击以及局部的能量损耗降低．研究结果为分析阀门关闭时的水击现象提供了依据．
2013 Vol. 31 (4): 335-339 [摘要] ( 2653 ) [HTML 1KB] [PDF 2888KB] ( 2063 )
农业水土工程
340 朱德兰, 吴普特, 张林
滴头最大流量偏差率计算方法及影响因素评价
首先分析了滴头水力特征曲线方程中流量系数分布规律,当流量系数服从正态分布时,流量系数在其平均值的±3倍标准差之间变化的概率为9973％(近似于100％),因此流量系数最小值为平均值减3倍标准差,最大值为流量系数平均值加3倍标准差,在此基础上提出了综合考虑水力偏差、制造偏差和微地形偏差的综合流量偏差率计算公式;然后以制造偏差系数、流态指数、压力差、平均工作水头及田面局部高差作为影响因子进行流量偏差率及毛管造价敏感性分析．结果表明:对流量偏差率影响程度由大到小的顺序为滴头制造偏差系数、滴头流态指数、压力偏差．当制造偏差系数大于004时,毛管造价急剧增大,在设计中应尽可能选择制造偏差系数小、流态指数小的滴头.对于常规滴灌系统,当滴头工作水头大于10 m时,田面局部高差对流量偏差率影响可忽略．
2013 Vol. 31 (4): 340-344 [摘要] ( 4350 ) [HTML 1KB] [PDF 1342KB] ( 2770 )
345 康艳, 蔡焕杰, 宋松柏
区域人水和谐评价指标体系及评价模型
为了评价区域人水和谐程度,在阐述人水和谐内涵的基础上,根据复杂系统及和谐论理论,构建了区域人水和谐评价指标体系．根据集对分析和可变模糊集理论,建立了集对分析可变模糊集模型,评价人水复合系统发展态势;以合作博弈理论为基本思想确定系统“理想发展状态”,结合距离协调度模型,建立了合作博弈距离协调度模型,评价人水复合系统协调度;以发展态势和协调度为基本依据,采用乘法合成模型综合评价区域人水复合系统和谐度．将上述模型应用于陕西省人水复合系统,评价2000—2009年人水系统和谐程度,评价结果显示陕西省人水系统和谐度呈现缓慢上升趋势,但均处于第I,II等级,属于不和谐或临界和谐状态．说明陕西省人水和谐程度仍处于较低水平,比较符合陕西省目前实际现状．将此模型与模糊综合评价模型的评价结果进行对比分析,评价结果基本一致,表明该模型有效可行,结果可靠．
2013 Vol. 31 (4): 345-351 [摘要] ( 1772 ) [HTML 1KB] [PDF 1345KB] ( 1587 )
352 张雪兰, 孙西欢, 李永业
平直管段不同宽度动边界环隙流场特性
为进一步探讨不同因素对动边界环隙流场水力特性的影响，采用试验和理论分析相结合的方法，对环隙宽度条件分别为25,20,15,10 mm的动边界环隙流场水力特性进行研究，试验采用筒装料管道水力输送管道车模型在管路系统平直段部分完成，流量条件为60 m3/h，管道车模型质量为750 g．研究结果表明:平直管段动边界环隙内部水流为紊流形态；环隙断面内各测点压力值随环隙宽度增大趋于集中，且同一断面内动边界管道车壁附近压力值较小，固定管道边壁处压力值较大；同一宽度条件下，轴向速度在车中断面内分布较车前、车后断面更为均匀，且呈现动边界附近速度值较大，固定边界附近值较小的环绕车体层状分布；环隙宽度为20 mm时，断面内轴向速度分布均匀性最好；各环隙宽度条件下，车身沿程各测试断面内周向速度均呈现不均匀分布．
2013 Vol. 31 (4): 352-357 [摘要] ( 1748 ) [HTML 1KB] [PDF 2452KB] ( 1559 )
358 葛建坤, 汪顺生, 罗金耀
基于ANFIS的温室微气候通风调控模型
为实现通过控制温室通风口开度来调节室内温湿环境的目的,首先根据热量平衡和水汽质量平衡原理构建了温室气温和湿度的动态变化数学模型,然后基于自适应神经模糊控制系统(ANFIS),分别选择梯形和高斯型隶属度函数完成了2类通风控制器的设计,其中包括控制变量的选取、论域的量化、模糊集的定义、隶属函数的选择及控制器的训练等过程．最后将控制器与温室模型相结合,利用Matlab构建了以通风为输入、以室内温湿度为输出的Simulink仿真框图,并利用2类典型天气下的实测资料对控制系统进行了仿真检验．仿真结果表明:无论晴天还是阴雨天,采用梯形隶属度函数的温室模糊控制器比高斯型控制器更敏感,对室内温湿环境的变化具有更好的控制效果,有效减小了温湿度变化率的波动幅度,起到了优化调控作用．
2013 Vol. 31 (4): 358-363 [摘要] ( 2141 ) [HTML 1KB] [PDF 1834KB] ( 2128 )
364 张爱莉, 高磊
冻融过程对FDR测量土壤体积含水量的影响
为研究冻融过程对FDR测量土壤体积含水量的影响,采用基于FDR技术的土壤水分传感器TDR-3,通过室内温度实验箱控制环境温度范围为-20～20 ℃,对冻融过程中黏性土样体积含水量进行了测试分析．结果表明:采用FDR测量黏性土样体积含水量,在土样未进行冻融前,温度在0 ℃以上时,FDR的测量值随温度呈线性变化,随着温度的升高而增大,随着温度的降低而减小;黏性土样冻融过程中,在冻结过程中,FDR的测量值随着温度的降低逐渐减小;在融化过程中,随着温度的升高,FDR的测量值逐渐增大;相同温度条件下,黏性土冻结过程中FDR的测量值明显大于黏性土融化过程中FDR的测量值,0℃时两者差值最大,该差值受土壤初始体积含水量和冻融温度的影响．研究成果对于提高FDR测量冻融过程中土壤体积含水量的可靠性具有重要意义．
2013 Vol. 31 (4): 364-368 [摘要] ( 2930 ) [HTML 1KB] [PDF 1572KB] ( 2154 )
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编辑出版
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