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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2014年 32卷 1期
刊出日期：2014-01-25
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
1 王亚军
轴向柱塞泵滑靴副压力分布特性
为提高轴向柱塞泵滑靴工作可靠性,在充分考虑润滑流体在滑靴副间隙中流动特性的基础上,基于液压液阻原理提出等效液阻高度、构建流量模型,运用有限体积法对滑靴副油膜压力分布进行计算.从油膜挤压效应、供油压力、卷吸速度和油膜形状等方面对压力分布特性的影响进行分析,深入探讨了润滑油膜压力分布影响因素及变化规律.计算实例表明:在当前的数值计算方法下,动压和静压作用相对独立,相互影响较小;挤压效应对动压力影响显著;供油压力直接影响中心油腔压力,对动压几乎没有影响;卷吸速度对压力分布影响显著,不同的卷吸速度方向不但对动压力最大值影响很大,在膜厚较小区域压力分布呈现差异明显的变化规律,甚至在最大倾斜角附近会出现负压;油膜动压效应对中心膜厚和最大倾斜角非常敏感,在一定程度上,与中心膜厚相比,油膜动压效应对滑靴最大倾斜角更加敏感.
2014 Vol. 32 (1): 1-5 [摘要] ( 1933 ) [HTML 1KB] [PDF 5873KB] ( 2526 )
6 朱荣生,, 林鹏, 龙云, 王振伟, 习毅
螺旋轴流泵的固液两相流动数值模拟
为研究螺旋轴流泵输送含有沙、油和水的固液两相时内部的流动情况,基于Ansys CFX 软件,应用RNG k-ε湍流模型,采用固相颗粒直径为2 mm,初始体积分数分别为5%,10%,15%,以及液相油初始体积分数分别为5%,10%,15%时,对螺旋轴流泵叶轮流道内固液两相流场内部变化规律进行数值计算.结果表明:沙和油的分布规律相似,主要集中于叶轮进口边轮毂头部、叶轮外缘区域;当沙和油的初始体积分数改变时,其对应的过流部件内体积分数分布也发生了变化,分布区域也有所改变,说明沙和油两相互相影响对方的分布;当沙和油的初始体积分数一定时,各相的相对速度变化规律总体上趋于一致,其相对速度由大到小依次为沙、油和水;扬程和效率的计算曲线与试验曲线基本吻合,扬程误差值在3%左右,效率误差值在4%左右,说明试验方案的设计合理可行,数值模拟结果较为准确.
2014 Vol. 32 (1): 6-11 [摘要] ( 1621 ) [HTML 1KB] [PDF 2143KB] ( 1628 )
12 杨军虎, 李海龙, 龚朝晖, 夏书强, 罗凯凯
离心泵反转作液力透平的力学特性
以一台比转数为84.5的离心泵为研究对象,应用CFD软件对该泵作液力透平时的内部流场进行数值模拟,建立相对坐标系下的连续方程和时均Navier-Stokes方程,采用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法分别对泵工况和液力透平工况进行数值模拟,得到2种工况下在不同流量时的径向力.通过对比泵工况下径向力的数值计算值和Stepanoff公式计算值,发现两者径向力大小比较吻合,表明数值模拟建立的径向力计算模型是正确的.数值模拟结果表明:液力透平工况时的最高效率比泵工况时的最高效率低约5.4%;在相同流量下透平工况时径向力普遍小于泵工况时的径向力;透平工况时径向力的大小随流量的增大而增大;当流量小于设计流量的1.1倍时,随着流量的增大,液力透平工况时径向力的方向和隔舌的夹角从146°减小到125°,但当流量大于设计流量的1.1倍时,其与隔舌的夹角随流量的增大而增大,在1.4倍的设计流量时其夹角达到144°.通过计算和实例表明在透平工况下运行时,泵轴强度仍然满足使用要求.
2014 Vol. 32 (1): 12-16 [摘要] ( 1788 ) [HTML 1KB] [PDF 2378KB] ( 1704 )
17 张德胜, 汪靖, 施卫东, 叶晓琰, 田海平
高压多级离心泵转子系统的不平衡响应特性
针对高压多级离心泵转子系统质量不平衡问题,采用有限元分析方法计算了水润滑轴承支撑的转子系统的模态,并对转子系统不平衡质量的位置和分布进行了分析和优化.数值计算结果表明,采用两端水润滑轴承支撑的高压多级泵转子系统,根据第一阶临界转速的判定原则证明其为稳定的刚性转子系统;在设计转速下,不平衡质量施加在转子不同位置时,泵入口端水润滑轴承节点振动幅度变化较大,其对不平衡敏感程度较高,而出口端水润滑轴承附近节点振幅变化较小,且前3级叶轮的剩余不平衡质量对轴系不平衡响应具有较大影响;通过优化组合叶轮和平衡盘的平衡精度等级,找到了两端轴承振动幅值较小的方案,当前两级叶轮采用G2.5级、其他叶轮和平衡盘采用G6.3级平衡精度时,泵进口端水润滑轴承节点的振动幅值明显降低,且泵出口端轴承节点的振幅变化较小,成功应用于高压多级离心泵的设计,满足了工程应用要求;在不同转速下,泵入口端水润滑轴承比出口端对不平衡响应更为敏感,建议入口端轴承采用更耐磨的材料.优化结果可为新型多级离心泵转子系统稳定运行提供理论依据和参考.
2014 Vol. 32 (1): 17-22 [摘要] ( 1557 ) [HTML 1KB] [PDF 1666KB] ( 1806 )
23 杨爱玲, 徐洋, 李国平, 章艺
叶片载荷对离心泵内流动激励力及噪声的影响
基于大涡模拟技术和边界元方法分析离心泵内非定常流场及流动诱导的结构振动与噪声,研究叶片载荷对离心泵水力性能、流动激励力及流动噪声的影响.数值计算结果表明:相比于低叶片载荷的离心泵,高叶片载荷离心泵的水力效率提高了1.1%~2.9%,流场分布更均匀;相同工况下高叶片载荷离心泵的蜗舌压力脉动系数幅值比低叶片载荷泵高42.6%;叶轮受到的径向力脉动幅度也提高了7.63%;根据声场计算结果,蜗壳壁面振动速度在二阶叶频上最大,高叶片载荷离心泵蜗壳的最大振动速度是低叶片载荷离心泵的5~6倍;蜗壳振动向外辐射噪声的指向性分布也发生了变化,在10°~310°范围内高叶片载荷泵辐射的噪声声压级大于低叶片载荷泵.研究表明叶片载荷是影响离心泵内流动激励力和流动诱导振动与噪声的重要因素,低噪声低振动水泵的设计需综合考虑水力效率与泵内流动激励力.
2014 Vol. 32 (1): 23-28 [摘要] ( 1960 ) [HTML 1KB] [PDF 1316KB] ( 1772 )
水利水电工程
29 丁宁,, 余建星, 侯佳佳,
V形浮式防波堤的动压力特性
针对V形浮式防波堤设计和结构分析中波浪力(矩)的确定问题,分析了在规则波作用下防波堤湿表面的动压力及幅值分布规律.基于三维线性频域势流理论并考虑绕射作用,利用边界元法通过计算有限水深格林函数,求解了防波堤周围流场的速度势,其中近场和远场格林函数分别采用积分形式和特征函数的展开形式进行计算,根据流场速度势由线性伯努利方程确定了动压力,沿防波堤湿表面数值计算了规则波作用下动压力及其幅值的分布.算例分析表明:在防波堤湿表面上,动压力沿长度方向成正弦振荡分布,峰-峰间距大致为入射波波长除以波浪传播方向与防波堤单臂夹角的余弦值,沿深度方向衰减较快,动压力极大值出现在自由面,约为2 kPa,极小值出现在湿表面底部,约为0.2 kPa,自由面附近的动压力是波浪力(矩)的主要成分.
2014 Vol. 32 (1): 29-32 [摘要] ( 1891 ) [HTML 1KB] [PDF 1265KB] ( 1893 )
33 徐兴,,, 洪添胜,,, 岳学军,,,, 蔡坤,,, 黄双萍,,, 刘永鑫,,
基于数字图像的水位识别系统及其方法
为了有效监控水情,给水利和农业生产灌溉提供及时有效的指导信息,设计了一种基于数字图像的水位识别系统.该系统将红色的球形浮标置于垂直于水面的固定杆上,水位变化引起球形浮标上下变化,所拍摄图像上浮标的相对位置也出现变化,从而可通过图像处理获得水位信息.针对所设计的水位识别系统,提出基于红色色域和球形特征的自适应球形浮标目标提取算法和球心坐标计算和校正算法,用以求得浮标球心的准确坐标位置,并通过球心坐标和水位之间的换算公式,最终计算得到当前水位高度数据.现场试验结果表明,在采用6.0×106 pixel摄像头,拍摄高度为71 cm,摄像头和固定杆距离为282 cm的条件下,该系统最大测量误差为0.216 91 cm,低于国标(GB/T 50138—2010)所规定的1 cm误差.该系统无需专用昂贵的水位计或复杂的传感器技术,成本较低;以浮标为检索目标,使此法不受水温、水质、含沙量等外界干扰因素的影响,适用性更强;系统组成简单,安装方便,易于使用.
2014 Vol. 32 (1): 33-39 [摘要] ( 1699 ) [HTML 1KB] [PDF 1847KB] ( 2592 )
40 任岩, 周兵, 郑源, 邓从响
多能互补发电系统的抽水蓄能机组启动过程
在以抽水蓄能为蓄能装置的多能互补发电系统中,抽水蓄能机组采用可逆式水泵水轮机机组.研究了机组在水轮机工况下和水泵工况下的启动过程特性对多能互补发电系统运行性能的影响,根据抽水蓄能过渡过程特性及可逆式水泵水轮机机组性能,建立了多能互补发电系统中抽水蓄能启动过程的数学模型.在水轮机工况下,其启动过程分为3个状态(0状态、空载状态、启动结束状态)、2个时段(从0状态到空载状态、从空载状态到启动结束状态);在水泵工况下,以关死功率为界限,分析了机组特性.由分析可知:抽水蓄能机组在水轮机工况下的空载开度及其所对应的流量可根据其飞逸特性曲线或水头特性曲线求取.在水泵工况下,当净负荷小于关死功率时机组不运行;当机组启动结束时,无论在何种工况下,如果净负荷值大于或等于额定功率,则机组均运行在额定工况下;如果净负荷值小于额定功率,则机组输出功率为净负荷值.
2014 Vol. 32 (1): 40-44 [摘要] ( 1501 ) [HTML 1KB] [PDF 1084KB] ( 1720 )
45 李林伟, 王磊, 朱罗平, 施国庆
最小二乘拟合法在大型水电机组安装中的应用
为了分析大型水轮发电机组安装、加工的质量,以及设备吊装、混凝土施工过程中设备的变形情况,提出了基于VC编程的最小二乘拟合圆与拟合空间平面算法,并在大型水轮发电机组安装中进行了实际应用.运用该方法计算出某大型水轮发电机组座环上、下镗口加工后的圆度分别为1.53,1.74 mm,拟合圆半径分别为6 340.24,6 335.48 mm,同心度为0.14 mm,各项指标都达到优良标准.运用该方法,对另一座水电站在蜗壳混凝土浇筑灌浆后,由水准仪测量得到的座环上环板各测点高程,计算出座环上环板的平面度为6.44 mm,已超出了质量标准.在大型定子机座整体吊装时,通过测量定子机座吊起后支腿测点的高程,然后以空间平面拟合方法计算出机架各支腿的不平度,可以快速分析定子机座整体吊装时的变形情况.
2014 Vol. 32 (1): 45-50 [摘要] ( 1499 ) [HTML 1KB] [PDF 1847KB] ( 1841 )
流体工程
51 罗竹梅, 张立翔
间距比对圆柱系统从水流中获取能量的影响
对均匀来流下由5个圆柱交错布置且两端刚性连接的圆柱系统的涡激振动进行了模拟,采用流固双向耦合数值方法,通过流固耦合求解器同时耦合求解流体模型和结构模型.对流速分别为0.5,0.6和0.7 m/s下,进行不同横向和流向间距比的计算,以分析间距比对由圆柱系统利用涡激振动从低速水流中获取能量及能量密度的影响.计算结果表明:在小间距比下,圆柱后无明显的涡脱落,圆柱系统振幅响应很小;但当间距比较大时,各圆柱后出现频率一致的泻涡,圆柱系统获得较大的振幅响应.获取能量随组合间距比的增大先增长较快,但当流向间距比L/D≥6,横向间距比H/D≥4时,获取能量值趋于稳定;当L/D=6,H/D=4时,能量密度在3个流速下都出现了最大值.因此选择L/D=6,H/D=4为合理的组合间距比,此时圆柱系统可从水流中充分获取能量.文中结论可作为流体机械振动系统的设计参考.
2014 Vol. 32 (1): 51-55 [摘要] ( 1355 ) [HTML 1KB] [PDF 1350KB] ( 1581 )
56 李彦超,, 李明忠, 王卫阳, 王磊
砂粒运移对砾石充填层损害试验与数值模拟
为了研究储层砂粒运移、堵塞对砾石充填层损害造成的砾石充填防砂水平井产能的影响,采用室内驱替试验,应用实际油井出砂和充填砾石模拟了不同砾石与地层砂粒径比情况下,砂粒的运移对砾石充填层渗透率的损害规律及砾石充填层堵塞机理.结果表明:砂粒运移、侵入及堵塞导致砾石层渗透率发生明显变化,地层砂与砾石层接触面附近损害最为严重.根据砾石与地层砂粒径比及砂粒入侵程度不同,砾石层挡砂机理主要为地层砂未侵入、浅层桥接、深层桥接、孔隙充填和地层砂完全通过5种类型;根据试验结果,采用线性回归法建立了单位体积砾石层内地层砂堵塞量动态模型并数值仿真模拟软件,对砂粒在砾石充填层中的运移过程进行数值仿真模拟,模拟结果与试验结果基本一致.对定量评价地层砂颗粒运移对砾石层损害及油井产能预测有重要意义.
2014 Vol. 32 (1): 56-59 [摘要] ( 2047 ) [HTML 1KB] [PDF 1269KB] ( 1530 )
60 李冲,, 郑源,, 陆云, 朱大胜, 宋晨光
独立风-光-蓄混合发电系统的建模与优化
为缓解乌鲁木齐地区环境污染状况,系统地研究了该地区独立风-光-蓄混合发电系统,提出了基于直流总线的独立风-光-蓄混合发电系统结构,对混合系统中的风力发电机、光伏模块及铅酸蓄电池等关键部件进行建模,经济模型采用总净现值成本和平准化能源成本模型,可靠性模型采用负荷失电率.依据乌鲁木齐地区风能、太阳能和户用负载数据,利用遗传算法对该地区独立风-光-蓄混合发电系统进行优化设计.结果表明:独立风-光-蓄混合发电作为一种新型发电方式,可以减少环境空气中总悬浮颗粒物、二氧化硫和氮氧化物等污染物的排放.优化的混合发电系统包括1台风力发电机、12.561 1 m2的光伏模块和14.701 9 kW·h的铅酸蓄电池,负荷失电率为0.019 8,系统最小总成本为87 262元.
2014 Vol. 32 (1): 60-65 [摘要] ( 2005 ) [HTML 1KB] [PDF 1491KB] ( 1657 )
农业水土工程
66 王新坤, 夏立平, 高世凯, 许鹏
施肥泵活塞关键结构参数对性能影响的数值模拟
针对现有的活塞式施肥泵存在的性能不高等问题,设计出一种新型射流施肥泵.利用Pro/E软件完成射流施肥泵的造型,运用Fluent软件进行数值模拟.以活塞关键结构参数和射流泵入口压力为因素,以活塞平均运动速度和切换频率为试验指标,对射流施肥泵进行了四因素四水平正交试验设计,得到活塞的平均运动速度和切换频率,通过活塞注肥进程典型时刻的速度云图分析了内部流场分布与活塞动态过程.并应用极差与方差分析法对活塞平均运动速度和切换频率的主要影响因素进行了分析.结果表明:入口压力和活塞冲程对活塞平均运动速度和切换频率的影响均具有统计学意义.利用多元回归方法拟合出活塞平均运动速度、切换频率与结构参数的关系式,关系式具有较高的线性相关性.建立了活塞平均运动速度和切换频率与活塞关键结构参数之间的回归模型,可为射流施肥泵结构设计与量化分析提供参考.
2014 Vol. 32 (1): 66-71 [摘要] ( 1659 ) [HTML 1KB] [PDF 2450KB] ( 1662 )
72 张俊,,, 牛文全,, 张琳琳, 史丽艳, 吴泽广
初始含水率对微润灌溉线源入渗特征的影响
为探明微润灌土壤湿润体特性的变化规律,以扰动均质土壤为研究对象,采用室内模拟试验的方法,分析了不同初始含水率(2.1%,5.6%,8.0%,10.1%)条件下微润灌土壤湿润锋运移距离和水分分布的变化规律.结果表明:土壤初始含水率对微润灌溉线源扩散有较大的影响,湿润锋推进速率、地表湿润时间随着初始含水率的增大而增大,并与灌水时间呈幂函数关系;湿润体形状受初始含水率影响非常小,其横断面为近似圆形;一定灌水时间内,累计入渗量、平均入渗率与初始含水率呈正相关性,且到达稳定入渗率的时间与初始含水率呈负相关性,湿润锋推进速率与初始含水率呈正相关关系,扩散系数与初始含水率成指数递增关系,不同初始含水率的不同方向土壤水分扩散指数介于0.50~0.60之间;湿润体内水分呈同心圆分布,含水率梯度随着初始含水率的增大而减小;微润灌均匀系数随初始含水率的增大而增大.研究结果可为微润灌溉技术推广应用提供理论依据. 
2014 Vol. 32 (1): 72-79 [摘要] ( 1693 ) [HTML 1KB] [PDF 2355KB] ( 1962 )
80 栗涛, 王全九,
淡水入渗模型对咸水入渗过程的适用性
由于咸水中含有各种盐分离子,当咸水进入土壤后,会引起土壤物理特性改变,从而影响土壤的入渗特性.为了分析单因素对土壤入渗能力的影响,在中国科学院南皮生态农业试验站进行了不同矿化度和钠吸附比(SAR)的咸水一维垂直积水入渗试验.结果表明:咸水的土壤表征饱和导水率在2.99 g/L时存在突变现象,并达到最大值;当矿化度为3 g/L,而SAR不同的水入渗时,SAR在8.15(mmol/L)1/2时,饱和导水率达到最大值;当SAR大于8.15(mmol/L)1/2时,饱和导水率呈下降趋势.利用Green-Ampt模型及一维代数入渗模型,对试验结果进行对比分析,结果表明两种模型都可以描述咸水入渗特征,但相关参数具有不同于淡水的变化特征.通过对累积入渗量的理论值与实测值的分析得知,长历时入渗的情况下,Green-Ampt模型较精确;在短历时入渗情况下,一维代数入渗模型较精确.
2014 Vol. 32 (1): 80-85 [摘要] ( 1350 ) [HTML 1KB] [PDF 1045KB] ( 1396 )
86 李云开, 冯吉
滴灌灌水器内部水动力学特性测试研究进展
首先总结了灌水器内部3种可视化技术、4种测试模型和示踪粒子,并分析了各技术、模型和粒子的特征和优缺点;在总结前人对灌水器内部水流运动特征测试结果的基础上,提出了一种将灌水器等比例透明平面模型与粒子图像测速(DPIV)技术、平面激光诱导荧光(PLIF)技术相结合的灌水器内部水流运动全场测试方法,利用显微镜物镜改装CCD相机镜头的独特设计,成功实现了滴头流道内全流场无扰测试,并应用该方法实现了不同压力、不同流道类型条件下灌水器流道内部水流运动的测试;在总结前人对灌水器内部颗粒物输移特性测试的基础上,开发了一种将单元段模型、DPIV、PLIF等技术相结合的准三维全场测试方法,通过观测片式灌水器原型及透明模型内部不同粒径颗粒物的运动特征,验证了两者的相似性.利用该方法实现了圆柱形灌水器内部流速分布,并测试了3种典型流道边界优化形式对灌水器流道内颗粒物运动特性的影响.今后,需进一步完善颗粒物运动的DPIV测试,探索灌水器流道内全流场三维测试,开展灌水器内部固-液-气多相耦合流动CFD模拟.
2014 Vol. 32 (1): 86-92 [摘要] ( 1611 ) [HTML 1KB] [PDF 1364KB] ( 1552 )
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