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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 5期
刊出日期：2013-05-25
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
369 江伟，李国君，张新盛
离心泵叶片出口边倾斜角对压力脉动的影响
为研究叶片出口边倾斜角对叶轮与蜗壳由动静干涉作用而引起压力脉动的影响，在保证叶轮基本参数和叶片安放角变化规律不变的情况下，通过改变叶片出口边倾斜角而设计了2种计算方案.采用SST湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术，分别对不同叶片出口边倾斜角的叶轮匹配同一蜗壳的离心泵进行全流道非稳态数值模拟，得到不同叶片出口边倾斜角的离心泵外特性及压力脉动特性，并对其进行分析.计算结果表明：随着叶片出口边倾斜角的减小，泵高效区加宽；在小流量工况至设计流量工况时模型1，2的扬程流量曲线接近，在设计流量工况至大流量工况时模型2的扬程增大；2种叶片出口边倾斜角的离心泵中监测点处的压力脉动规律相同，呈周期性变化；较小叶片出口边倾斜角的离心泵中蜗壳内及隔舌处的压力脉动波动幅度减小，高频脉动成分减小.分析结果可为离心泵叶轮的设计提供理论参考.
2013 Vol. 31 (5): 369-372 [摘要] ( 2285 ) [HTML 1KB] [PDF 2063KB] ( 2305 )
373 梁兴, 刘梅清, 刘志勇, 林琦, 吴远为, 燕浩
立式混流泵异常振动测试分析
针对某泵站立式混流泵机组异常振动现象,采用低频振动传感器和电涡流传感器,分别测试开机过程和正常运行时水泵机组下机架、泵盖、外筒体振动以及主轴摆度.基于希尔伯特-黄变换进行试验数据处理,获得了测试信号位移峰峰值,通过提取稳定运行时的振动信号特征向量,对故障类型进行识别;在此基础上,通过分析开机过程信号时频变化情况,寻找诱发机组异常振动的故障原因.现场振动测试分析结果表明:稳定运行时机组振动频率主要集中在转频附近,且主轴轴心轨迹成椭圆形,可诊断其故障类型属于转子不平衡;在开机过程中,主轴的轴心轨迹紊乱,开机瞬间机组的振动值为正常运行时振动值的473倍,据此可判断出在此刻机组内部产生了强大的冲击力,进而引起转子不平衡运转.采用希尔伯特-黄变换法能够准确获取水泵振动信号的时频特征,尤其对分析处理高度非线性的被测信号具有很强的优势,而开展开机过程中的振动测试研究,也为水泵故障诊断分析方法开辟了一条新途径.
2013 Vol. 31 (5): 373-378 [摘要] ( 1884 ) [HTML 1KB] [PDF 2249KB] ( 2039 )
379 唐学林, 贾玉霞, 王福军, 周大庆, 肖若富, 吴玉林, 刘竹青
贯流泵内部湍流流动及叶轮流固耦合特性
基于RNG k-ε湍流模型,应用Ansys Workbench软件,对前置竖井式贯流泵内部湍流流动和结构静应力进行数值分析．模拟显示不同工况下泵的外特性曲线和试验值总体变化趋势一致,模拟的扬程比试验值稍高,效率稍低,但误差都保持在10％内;除出水流道隔断前部外,贯流泵整个流道流态均匀;出水流道前段的螺旋线分布的流线表明,水流在经过导叶后存在未回收的速度环量;在设计工况下,压力最小值出现在吸力面靠近进口边,此处最易导致空化．进一步采用单向流固耦合方法,对叶轮在不同工况下的静应力和总变形量进行分析,结果表明:设计工况下,叶轮的最大等效应力出现在叶片压力面和轮毂相交处,叶轮变形的总位移随着半径增大而不断增大,最大变形量出现在轮缘附近．计算结果将为贯流泵的优化设计提供一定参考．
2013 Vol. 31 (5): 379-383 [摘要] ( 1972 ) [HTML 1KB] [PDF 2260KB] ( 1806 )
384 黎义斌, 李仁年, 王秀勇, 赵伟国, 李鹏辉
混流泵内部流动不稳定特性的数值模拟
为了研究小流量工况下混流泵内存在的不稳定流动特性,基于大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术, 对包括进口管和出口弯管的混流泵全流场进行三维非定常湍流计算．外特性试验结果表明,在60％～85％最优工况范围内,扬程-流量特性曲线呈正斜率特性．数值模拟结果与试验结果误差控制在4％内,表明大涡模拟可以准确预估混流泵存在的扬程-流量正斜率不稳定特性．在此基础上,分析了混流泵产生正斜率不稳定特性的内流机理．分析结果表明,在小流量工况下叶轮入口切向速度呈明显的非对称性,叶轮与导叶流道内液流的失速效应使叶轮叶片表面和导叶叶片入口轮毂侧存在大尺度的旋涡结构．导叶流道内旋涡尺度较大,压力脉动沿导叶轴向呈明显的周期性波动,使旋涡区域从吸力面侧逐渐扩展到导叶流道,旋涡结构的涡核附着在压力脉动最小值的导叶吸力面中间叶高区,且涡核旋向与叶轮旋向相同．
2013 Vol. 31 (5): 384-389 [摘要] ( 1922 ) [HTML 1KB] [PDF 2925KB] ( 1780 )
390 王勇, 刘厚林, 袁寿其, 刘东喜, 王健
不同叶片包角离心泵空化振动和噪声特性
为研究叶轮叶片包角对离心泵空化诱导振动噪声的影响,以1台单级单吸离心泵为研究对象,保持泵体和叶轮其他几何参数不变,将叶片包角从115°改为110°,120°和125°．在离心泵闭式试验台上测量了不同叶片包角模型泵在不同装置空化余量时的振动和噪声信号,并对信号进行处理和分析．试验结果表明:叶片包角变化对离心泵设计工况下空化性能的影响无明显规律,存在1个最优值;随着叶片包角的增大,各测点加速度传感器测得振动强度的变化规律各不相同,出口法兰测点的振动强度相对最小,振动强度均在10 m／s2以下;随着叶片包角的增大,模型泵在无空化状态下运行时,噪声信号轴频峰值减小,叶频峰值变化复杂;空化初生和发展时,轴频峰值均呈先增加后降低的趋势,1 750～2 250 Hz频段的能量峰值随空化程度的加剧先增大后减小．
2013 Vol. 31 (5): 390-393 [摘要] ( 2564 ) [HTML 1KB] [PDF 5549KB] ( 2279 )
394 付强, 袁寿其, 朱荣生, 王韬, 蒋旭松
1 000 MW级核电站离心式上充泵转子轴系的扭振特性
为研究1 000 MW级核电站离心式上充泵转子轴系扭振特性,应用Pro／E和ICEM软件对水体部件进行三维造型和网格划分,借助现代CAE技术,并采用有限元分析软件Ansys对上充泵转子轴系的扭转振动特性进行数值计算,通过扭振分析得到转子轴系在不同转速下的扭转振幅．结果表明:采用三支撑转子轴系的结构稳定性相比于两端支撑的转子轴系各阶固有频率都有明显提高,这有助于减小上充泵运行时的振动和噪声;在4 900 r／min的转速下转子轴系发生了较为明显的一阶扭转共振,引起共振的主要原因是电动机驱动力矩的6次谐波分量频率和转子轴系的一阶扭振固有频率的整数倍接近;上充泵设计运行转速为4 500 r／min,转速与转子轴系各阶临界转速值相差较大,其转子轴系的扭转振幅较小,不会发生扭转共振,表明所设计的转子轴系结构是合理的．
2013 Vol. 31 (5): 394-400 [摘要] ( 2044 ) [HTML 1KB] [PDF 2199KB] ( 2087 )
水利水电工程
401 李仁年, 刘殿兴, 董志强, 魏显著
水泵水轮机“S”形区全流道数值模拟
为了解决水泵水轮机“S”形区所导致的水泵水轮机在水轮机工况并网困难问题,研究了水泵水轮机“S”特性工作区域的内部流动情况,选取国内某抽水蓄能电站模型水泵水轮机水力模型作为研究对象,进行几何建模,并借助计算流体动力学软件CFX进行全流道数值模拟.模拟采用了区别于传统RANS模型更为精细的分离涡模型进行计算,得到了水泵水轮机内部的流动状态以及外特性参数,并同模型试验值、理论分析结果进行对比验证.结果表明:分离涡模型的计算结果可以达到很好的精度,转轮流道内的流场与理论分析结果相吻合,外特性与试验值相吻合,仿真计算误差小于3％;随着流量不断减小,转轮进口流动分离现象逐渐增大,最终发展成旋涡对流道造成堵塞,堵塞还将引发转轮与双列叶栅之间的相互作用,导致整个流道流动不稳定性的产生.
2013 Vol. 31 (5): 401-405 [摘要] ( 2534 ) [HTML 1KB] [PDF 12119KB] ( 6053 )
406 石喜, 吕宏兴, 朱德兰, 孙斌, 曹彪
枝状管网水力瞬变工况的试验与数值模拟
采用试验并结合特征线法(MOC)对带有一个分支管管网阀门关闭时产生的水锤压力及波动规律进行了研究,试验采用压力传感器监测水锤压力波动、角位移传感器测定阀门的关闭时间及关闭规律,结果表明:MOC方法能较好地预测管网阀门关闭产生的最大水锤压力值,管网监测点计算与试验值相对误差小于13％,但MOC方法计算所得压力波的衰减比较缓慢,而试验得到的压力波衰减很快,是由于在计算中使用的恒定流摩阻所致;在此基础上对5种阀门关闭方案产生的瞬变流动进行了数值计算,表明管路末端2个阀门同时关闭时管网中产生的水锤压力最大,在实际工程中应避免阀门同时关闭的操作;管网最大水锤压力随关阀时间的延长而减小,当阀门关闭时间一定时,采用曲线关闭规律产生的最大水锤压力比直线关闭规律产生的要小,而采用两阶段直线关闭规律产生的最大水锤压力压力小于线性关闭的,对于实际工况中的两阶段关闭应通过延长第一阶段关闭时间以减小最大水锤压力．
2013 Vol. 31 (5): 406-412 [摘要] ( 2456 ) [HTML 1KB] [PDF 1690KB] ( 1786 )
413 王玲, 王福军, 张嘉辰, 李雪楠
压力波动预止阀对泵站水锤的影响
运用水锤理论及特征线法,结合某高扬程泵站工程,对压力波动预止阀在泵站水锤防护过程中的作用和有关工作参数设定方法进行了研究．通过计算压力波动预止阀在13种开启方式和10种关闭方式下的水力瞬变过程,发现压力波动预止阀能够有效防护系统最高压力,但在某些情况下也可能使系统最低压力进一步降低．压力波动预止阀低压开启时间、维持开启时间和关闭时间是影响水锤防护效果的关键参数,3个参数之间存在最佳组合,能够使输水管线最高压力控制在最低水平,最低压力下降程度最小．对于压力波动预止阀的开启过程,要求在事故停泵后第1个压力波峰到来之前完全开启;为了防止因外泄量过多导致系统最低压力进一步降低,建议维持开启时间要短．随着压力波动预止阀关闭时间的增长,系统最高压力不断降低,越有利于高压水锤的防护．研究结果对新建及现有的带有压力波动预止阀的高扬程泵站水锤防护,具有重要参考价值．
2013 Vol. 31 (5): 413-417 [摘要] ( 3079 ) [HTML 1KB] [PDF 1733KB] ( 2130 )
流体工程
418 任岩, 刘雪枫, 郑源, 周兵
多能互补发电系统中抽水蓄能的优化配置
为了解决多能互补发电系统中根据经验进行容量配置而导致成本高、可靠性低的问题,对风力发电机和光伏阵列的容量利用粒子群优化方法进行配置，抽水蓄能的容量利用整体-局部法进行优化配置.通过年负荷、年风能资源和年太阳能资源等初步配置其容量;再根据月负荷、月风能资源和月太阳能资源等进行校核、调整;最后,根据典型日负荷及相应的风能资源和太阳能资源等对其容量做进一步完善.以一套海岛孤网风-光-抽蓄-海水淡化系统为例,利用整体-局部法对系统中的抽水蓄能进行了优化配置.结果表明:利用年数据进行初步配置后,配置抽水蓄能机组容量为120 kW;在月校核过程中,根据月负荷失电率的要求,需将容量调整至420 kW;由于日负荷及风能资源和太阳能资源的波动性,存在一定的失电率,则需在日校核过程中配置一定量的蓄电池.
2013 Vol. 31 (5): 418-421 [摘要] ( 1784 ) [HTML 1KB] [PDF 1456KB] ( 1934 )
422 周大庆, 吴思源, 郑源
基于CFD的氧化沟推流器能量配置计算
针对目前污水处理厂氧化沟运行能耗过大和推流器布置不合理等问题,根据推流器木模图,建立三维推流器模型并进行非结构化四面体网格划分.基于Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法对氧化沟进行数值模拟.计算了不同设计工况下推流器的功率与氧化沟各个截面的速度大小及分布,同时对液流在推流器作用下的流动情况进行了研究.模拟结果表明:在不改变推流器安装参数的前提下,通过改变推流器的安装位置,可以有效避免弯道处推动力太大产生的返混现象.除此以外,因推动力衰减过多导致过弯道时流速太低、底部容易积泥的问题也得到了解决.通过适当调整推流器的数目,确定了混合推动所需要的最小功率密度,在能够满足氧化沟流速需求前提下,同时达到了推流器能量消耗最小的目的.该研究可为氧化沟推流器能量配置计算提供理论指导.
2013 Vol. 31 (5): 422-427 [摘要] ( 2291 ) [HTML 1KB] [PDF 4848KB] ( 1996 )
428 胡洪, 陈淑梅, 陈传铭, 陈晖, 白永刚
中高压多路阀局部流道压力损失流动计算
为了解决通过复杂流道设计来集中控制多执行机构的多路阀内部流道压力损失大、能量消耗高、右行走马达不够灵敏等问题.应用Pro／E软件建立挖掘机中高压多路阀右行走联模型,并基于计算流体动力学方法,对三维流场模型以紊流形式,采用SIMPLEC算法进行流动计算,分析其内部油液的流动状态及其流道结构参数对压力损失的影响.结果表明:除主阀口及进油口与单向阀阀口间流道存在压力损失之外,多路阀右行走联单向阀阀口与工作油口间的公共流道存在明显的压力损失;在分析该流道的轴向尺寸与角度尺寸分别对压力损失的影响上,得出轴向尺寸值与压力损失大小成正比,角度尺寸值对压力损失影响不大,但跟涡流尺度及涡核数目成反比.最后,对该多路阀的压力损失进行了试验测试,其结果与数值计算吻合,验证了相关结论的可靠性.
2013 Vol. 31 (5): 428-433 [摘要] ( 2339 ) [HTML 1KB] [PDF 7564KB] ( 1401 )
农业水土工程
434 陈俊英, 张智韬, Leionid Gillerman, 汪志农
影响土壤斥水性的污灌水质主成分分析
为了探明不同污灌水质对土壤斥水性的影响,研究采用12种不同污染程度的生活污水对以色列3种类型的5种斥水土壤进行斥水性测定分析,通过对非均质条件下测定的土壤斥水持续时间进行标准化处理,并对12种污水中的9种独立水质指标进行主成分分析,计算污水水质综合指标,分析不同污水水质综合指标和不同主成分分量与土壤斥水性持续时间的关系.研究结果表明：黏性土和壤土的斥水持续时间与综合水质指标F值呈线性正相关关系,即土壤斥水持续时间随水质污染程度的增大而增大;砂质土壤的斥水持续时间与F值不具有统计学意义,即土壤斥水持续时间不受水质污染程度的影响.经多元回归分析得出,水质中的2个主成分分量与黏性土和壤土的土壤斥水性都呈正相关关系,而且第一主成分对土壤斥水性的影响大于第二主成分.
2013 Vol. 31 (5): 434-439 [摘要] ( 1853 ) [HTML 1KB] [PDF 1588KB] ( 1669 )
440 张勇勇, 吴普特, 赵西宁, 高莹, 张凤云, 陈小莉
垄沟灌溉施氮土壤水氮分布特征试验研究
为了指导垄沟间(套)作种植田间灌水技术和灌溉系统合理设计,通过长方体土槽模拟垄沟灌溉施氮二维土壤入渗试验,探究4种土壤质地的入渗量随时间变化规律,分析肥液入渗湿润体特征,研究土壤水分、硝态氮和铵态氮空间分布特征．结果表明,随着土壤黏粒含量的增多,土壤比表面积增大,在相同灌水时间内入渗量则小;入渗量累积曲线上升趋势因土壤质地不同存在显著差异．含3参数的Horton入渗模型计算的肥液入渗量精度高,其稳定入渗率参数实用性强,对灌水流量设计有重要的参考价值．随着土壤砂粒含量的增多,同等入渗条件下,湿润锋运移距离越远,且垂向运移距离均大于水平侧渗距离．水平侧渗距离与入渗时间呈指数函数关系,垂向湿润锋运移距离与入渗时间的1／2次方呈线性函数关系．垄沟灌溉施氮方式下,硝态氮在湿润锋边缘累积,铵态氮峰值出现在灌水沟附近．在质地重的土壤下应用垄沟灌溉施肥技术好．
2013 Vol. 31 (5): 440-448 [摘要] ( 1689 ) [HTML 1KB] [PDF 2328KB] ( 1898 )
449 谢巧丽, 牛文全, 李连忠
迷宫流道齿转角与齿间距对滴头性能的影响
以齿形迷宫流道为研究对象,齿转角和齿间距分别设置4个水平,采用两因素四水平全面试验方法设计,根据流体动力学两相流理论,利用Fluent 63软件对设计滴头进行了液固两相流数值模拟,分析了齿转角和齿间距对滴头水力性能和抗堵塞性能的影响．结果表明:齿转角、齿间距与流量系数均呈正相关关系,流量系数随齿转角和齿间距的增大而增大;齿转角对流态指数的影响较为复杂,以120°为转捩角呈2种变化趋势,当齿转角大于120°时,流态指数随着齿间距的增大呈先减小后增大的趋势；当小于120°时,流态指数随着齿间距的增大呈先增大后减小的趋势．提出以颗粒浓度的某个范围分析灌水器的抗堵塞性能的方法,流道内悬浮颗粒最高浓度的高低与高浓度区域所占比例并不完全一致,但最高浓度越高,则颗粒聚集的机会越大,发生局部沉淀的可能性就越大,高浓度区域所占面积也相对较大,滴头越易发生堵塞．
2013 Vol. 31 (5): 449-455 [摘要] ( 1669 ) [HTML 1KB] [PDF 2810KB] ( 1787 )
456 王泷, 刘刚, 刘寅, 李宏鹏
基于GPS的农田坡面平整技术与试验
设计了一种基于GPS的农田土地坡面平整系统,该系统由自主差分GPS接收设备、车载式工控机、控制转换器、液压系统、铲运装备等几部分硬件组成,以Visual C++60为系统软件开发环境；系统可对农田进行动态地势测量及坡面平整作业．首先,将GPS接收设备安置在铲运设备上,利用拖拉机牵引铲运设备对农田进行动态蛇形测量,并通过相应的校正算法对测得的GPS数据进行误差校正;然后,根据校正后的数据,对农田进行三维地形成图及坡面建模,得到农田坡面期望高程;最后,将实时接收的农田实际高程与坡面期望高程进行比较,通过控制转换器输出液压控制信号驱动铲运设备进行挖填土方的平地作业．在田间试验条件下,根据农业工作者要求对纵向长度为180 m的地块进行1／1 000纵向坡降的平地试验,结果表明,平地后标准偏差值在5 cm左右,坡低的平均相对高程约为4062 m,坡顶的平均相对高程约为4078 m,坡面高差为16 cm,其理论坡面高差为18 cm,有效改善了农田坡面地形．
2013 Vol. 31 (5): 456-460 [摘要] ( 1592 ) [HTML 1KB] [PDF 1753KB] ( 1800 )
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