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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2017年 35卷 5期
刊出日期：2017-05-25
   
369 李贵东, 王洋, 杨学明, 赵立峰, 吴文, 胡日新
基于大涡模拟的射流式离心泵射流器内部的流动特性
采用动态亚格子应力大涡模拟方法对射流式离心泵射流器进行研究,探讨瞬态静压情况对射流式离心泵初生空化特性的影响,并与SST k-ω湍流模型的模拟结果做了对比.结果表明:基于时间平均的SST k-ω湍流模型不能很好地模拟泵喉管内部的压力脉动情况,压力值随时间变化基本保持恒定值;基于动态亚格子模型的大涡模拟结果则能得到压力脉动随时间的变化,且得到的结果也更能反应实际情况,与试验结果相一致;高速流体与低速流体相互作用的剪切层位置处形成围绕喷嘴的圆环形柱状涡带,失稳涡带发生扭曲变形产生强烈的压力脉动,这种扭曲变形的涡带向下游发展并吸收高速流体的能量,使其分解的涡带导致脉动幅值在进入喉管处达到最大值,因此该处较容易发生空化.
2017 Vol. 35 (5): 369-374 [摘要] ( 1017 ) [HTML 1KB] [PDF 2328KB] ( 1548 )
375 张明星,, 康勇,, 周勇祥, 刘文川,, 王爱华,,
自激吸气射流的冲蚀及吸气性能试验研究
通过在自激脉冲射流喷嘴振荡腔四周开孔吸入空气,使之形成自激气液射流,以试件冲蚀深度、冲蚀面积和气孔吸气量为衡量标准,研究了不同进气方式、吸气孔直径对自激吸气射流的冲蚀效果和吸气性能的影响.试验结果表明:冲蚀深度和冲蚀面积均随着吸气孔孔径的增大而增大;进气方式、吸气孔直径对冲蚀深度和面积的影响有所不同,冲蚀深度随吸气孔数量的增加而上升,而冲蚀面积受吸气孔的对称性影响较大,非对称进气下的冲蚀面积要明显高于对称进气工况;自激吸气射流具有独特的冲蚀特性,且进气方式对射流形成的冲蚀形貌有较大影响;自激吸气喷嘴的吸气流量具有周期性,且吸气能力随射流工作压力的升高而增强;喷嘴的吸气性能与进气方式、气孔直径有关,单气孔进气时,吸气性能随气孔直径的增大而增强,而多气孔进气时,4 mm孔径的吸气性能最强.
2017 Vol. 35 (5): 375-380 [摘要] ( 820 ) [HTML 1KB] [PDF 1948KB] ( 1189 )
381 王勇, 陈杰, 罗凯凯, 刘东喜, 李雨, 严骏
基于改进Kunz模型的船用离心泵空化特性
为研究空化对船用离心泵的影响,把湍流压力脉动的影响引入到Kunz模型以修正汽化压力.以一台比转数为132.7的船用离心泵为研究对象,在不同流量工况情况下,进行了空化性能的模拟计算和试验研究.通过对比空化性能的数值计算结果和试验值发现,在不同流量系数下Kunz模型改进前后都能捕捉到扬程系数下降时的临界空化数,但改进后的Kunz模型预测到的临界空化数更加贴近试验值.此外,分析了设计工况下基于改进Kunz模型获得的叶片间汽相体积分布和叶片表面载荷分布,研究表明:空泡首先在叶片进口边的吸力面产生,随着空化数的减小,叶片压力面也会有少量空泡产生,少数位置吸力面和压力面相接,最后空泡充满整个流道,导致泵的性能下降;随着空化数的减小,叶片进口边附近会先产生低压区,随后沿着叶片向出口边叶片蔓延,最后在叶片吸力面和压力面都存在大面积的低压区;叶片5(隔舌附近)比叶片2(叶片5相对的叶片)中间流线承受的载荷要小,随着空化数的减小,叶片表面压力有所减小,且叶片2进口处压力出现了零点,这主要是空化程度加剧导致的.
2017 Vol. 35 (5): 381-386 [摘要] ( 1013 ) [HTML 1KB] [PDF 1912KB] ( 1310 )
387 王家斌, 叶晓琰, 李秀鹏, 胡敬宁, 李彩虹, 郑建波
系列高效海水淡化高压泵的研制
海水淡化高压泵是海水淡化系统中的重要关键设备,为了研制国产系列高效反渗透海水淡化高压泵产品并实现产业化,应用国家科技支撑课题最新技术,结合当前世界海水淡化高压泵制造技术的发展新趋势,并根据实际使用中的性能要求,通过从总体结构、轴向力平衡装置、轴承润滑方式、耐磨材料等入手,进行了大量的研制、试制及试验工作.并针对目前现有产品存在的问题和品种较单一的状况, 研制开发了满足日产5 000,10 000,15 000 t淡水的海水淡化装置的3种规格高压泵产品, 经生产、试验及用户使用结果表明, 该系列高效高压泵产品的性能指标已达到目前国际上同类产品的技术水平.
2017 Vol. 35 (5): 387-392 [摘要] ( 1305 ) [HTML 1KB] [PDF 3037KB] ( 1364 )
393 刘恒, 王文全, 闫妍
变桨距角下水平轴海流能水轮机水动力特性及结构性能
基于CFD对海流能水轮机二维水翼进行数值模拟,通过分析不同攻角下的升阻比,得到了该水翼的最佳攻角.利用Matlab对Wilson设计法进行编程,完成设计功率为20 kW海流能水轮机叶片的三维设计.利用CFD对水平轴海流能整体发电装置及支撑结构周围流场进行了计算,研究了功率系数、力矩系数和轴向力系数在不同桨距角下随叶尖速比的变化情况;采用有限单元法对水动力载荷作用下的水平轴潮流能整体发电装置进行结构计算,探讨了水轮机叶片的应力和应变在不同桨距角下随叶尖速比的变化情况.结果表明:在1°~5°的桨距角范围内,增大桨距角,有利于低转速下启动水轮机;流速过大时,增大桨距角可有效减小轴向荷载及叶片的形变和应力;在最优工况下,水轮机的功率系数达到0.301,并且满足材料强度要求.研究成果有益于海流能水轮机装置的设计和优化.
2017 Vol. 35 (5): 393-397 [摘要] ( 986 ) [HTML 1KB] [PDF 1753KB] ( 1201 )
398 白冰, 张立翔
随机水力激励下机组轴系的动力响应
简要分析了水轮发电机组轴系上的作用力,包括导轴承上的非线性油膜力、转子与转轮上的机械不平衡力、转子上的不平衡磁拉力和转轮上的水力不平衡力.采用零均值i.i.d.随机数序列模拟作用于水轮机转轮上的随机水力激励,通过调整随机数方差来改变随机水力激励的大小,建立了水轮发电机组轴系的非线性动力学模型.求解得到了机组轴系关键部位(转子、转轮和3个导轴承)响应的时域波形图、轴心轨迹图、频谱图和庞加莱图,以及系统响应的分岔图.结果表明:水轮机转轮上作用的随机水力激励对于轴系上部的上导轴承、发电机转子影响较小,对于下导轴承影响适中,对于轴系下部的水导轴承和水轮机转轮影响比较大.随着随机水力激励增强,水导轴承处和水轮机转轮处轴的横向摆度均发生明显的分叉,已明显影响了轴系的振动形态和振动稳定性.
2017 Vol. 35 (5): 398-403 [摘要] ( 926 ) [HTML 1KB] [PDF 1635KB] ( 1140 )
404 施卫东, 张铃杰, 周岭, 陆伟刚
基于DEM的流化床气固两相流瞬态数值模拟与验证
为了突破均相流模型不能全面考虑颗粒碰撞过程中受力的瓶颈,采用基于欧拉-拉格朗日方法的DEM离散元模拟方法,对准三维鼓泡流化床起始阶段的气固两相运动进行了瞬态数值模拟.并结合流化床起始过程的高速摄影试验结果,从床层高度、空泡大小的变化以及颗粒相运动特性等角度对比分析了试验结果和数值计算结果.发现在流化床鼓泡的初始阶段,DEM模型的预测结果和试验结果吻合较好,床层高度和空泡形态基本一致;在流化床内由于高速气流和颗粒相互作用产生的空泡临近破碎的阶段,DEM预测的空泡直径和床层高度均小于试验测量结果.但是从整体流体动形态以及颗粒运动轨迹等角度来看,DEM模型能够较为准确地对稠密两相流进行求解,同时也能较好地描述气固流化床内的动力学特性,研究结果对工程实际具有重要的指导意义.
2017 Vol. 35 (5): 404-409 [摘要] ( 928 ) [HTML 1KB] [PDF 1668KB] ( 1779 )
410 余建平, 罗骁, 付佳, 张希恒, 郑荣部, 陈宗杰
基于分离转捩模型的轴流式止回阀减阻试验研究
为了对轴流式止回阀门结构进行优化,采用RNG k-ε模型、转捩SST、转捩K-Kl-ω共3种模型对钝体绕流的边界层分离状态及壁面摩擦阻力进行数值计算,并与试验数据进行对比.结果表明:3种模型均能对边界层分离状况进行正确模拟,其中转捩K-Kl-ω模型计算出的旋涡形状与试验结果更为接近;传统的RNG k-ε模型不能反映转捩过程及转捩前后壁面摩擦阻力的变化,但建立在湍流度经验理论之上的转捩SST、转捩K-Kl-ω这2种模型均能计算出转捩所引起阻力变化情况,且2种模型的计算结果与试验结果一致,并将数值计算的流阻系数与实测数据进行比对,其中转捩K-Kl-ω模型计算所得到的阀门流阻系数相对误差为7%,比传统的RNG k-ε模型更为准确.在验证计算模型可靠性的基础之上,利用转捩K-Kl-ω模型对轴流式止回阀的结构进行了优化,发现光滑渐扩型流道的减阻效果最佳.
2017 Vol. 35 (5): 410-416 [摘要] ( 1021 ) [HTML 1KB] [PDF 7889KB] ( 840 )
417 蔡仕彪, 朱德兰,, 葛茂生, 刘柯楠, 李丹
太阳能平移式喷灌机光伏优化配置
针对喷灌机季节性用电需求,提出了一种轻小型太阳能平移式喷灌机光伏配置方法,以负载亏电率和能量溢出比为约束指标,以系统全寿命周期成本最小为目标,结合杨凌地区气象资料,对自主研发的太阳能平移式喷灌机驱动行走系统和取水加压系统进行光伏系统的优化配置,得到不同负载亏电率下的供电能量配置组合和全寿命周期成本,并寻求机组光伏阵列最佳布设倾角及系统蓄电池和光伏电池容量的最优配置组合.结果表明:杨凌地区光伏阵列最佳布设倾角为15°左右;太阳能喷灌机阴雨天不灌溉或者少灌溉,配置12块光伏组件和3组蓄电池组,能基本满足作物灌水周期4 d的要求;太阳能喷灌机推广应用时,可适当提高负载亏电率以降低机组造价成本.该方法可用于太阳能平移式喷灌机能量配置系统方案设计和优化,为太阳能在农业机械领域的应用提供参考.
2017 Vol. 35 (5): 417-423 [摘要] ( 1083 ) [HTML 1KB] [PDF 1603KB] ( 1184 )
424 徐翠兰, 侯淑楠, 姚紫东, 张飞, 佘冬立
南方农田土壤容重空间变异性及其尺度效应
以南方典型农田作物生长地为试验区,利用经典统计与地统计学方法,分析研究了选定区域不同深度土层(0~10,10~20 cm)土壤容重的空间异质性及其尺度效应, 并对试验区农田土壤容重进行空间插值估算.结果表明农田土壤容重变异系数较小,为弱变异.半方差函数分析表明土壤容重的块基比小于10%,田间土壤容重由空间自相关部分引起的异质性程度很大.在尺度效应研究中,随着采样幅度增大,变异系数呈先减小后增大趋势;通过调整采样点位置“再采样”发现,当采样间距增大时,土壤容重变异系数变化幅度很小(6.32%~7.92%),而相关距离却减小.说明当采样幅度一定时,采样间距对土壤容重变异系数的影响很小.通过空间插值估算,绘制等值线图发现两层土壤容重也具有相关联的空间分布规律,且呈显著正相关关系,相关系数为0.76.此外,土壤容重空间变异受人为活动影响程度大.
2017 Vol. 35 (5): 424-429 [摘要] ( 903 ) [HTML 1KB] [PDF 1478KB] ( 1580 )
430 韩志慧, 刘小刚, 郝琨, 余宁, 刘艳伟, 杨启良
基于SPI指数的内蒙古地区干旱演变特征及趋势预测
为探明内蒙古地区历年干旱演变特征及其趋势,利用内蒙古地区43个测站51 a(1960—2010年)的逐日降水资料计算各站的标准化降水指数,在此基础上分析了全年及各季节的干旱发生频率、干旱站次比及干旱强度的年际变化,并通过Hurst指数对内蒙古地区的干旱化趋势进行预测.结果表明:年尺度上干旱频率在10.46%~33.66%,其中呼伦贝尔的干旱频率最高,位于阿拉善盟的额济纳干旱频率最低,干旱发生不明显,各月、季与年的干旱频率基本一致.年尺度干旱站次比最高为45.74%,最低为15.50%,51 a中分别有11,26和14 a发生区域性、部分区域性和局域性干旱.干旱强度以轻度干旱和中度干旱为主,其中有15 a出现中度干旱,干旱强度最大值是1.14.内蒙古地区春季、夏季和秋季干旱发生频率相对较高,平均为30%左右,冬季干旱频率平均为25.41%,并且冬旱各测站干旱频率分布不均,额济纳等4个测站冬旱的干旱频率为0.干旱站次比夏季和秋季分别以0.177/10 a和0.006/10 a的趋势增加,春季和冬季以0.033/10 a和0.156/10 a的趋势减少.季尺度干旱强度的变化趋势与干旱站次比变化趋势基本一致.内蒙古地区的SPI序列呈明显的Hurst现象,指数值0.568 7大于0.500 0,表明该区干旱化程度还有可能持续一段时间,中旱及以上发生的频率有减少趋势.
2017 Vol. 35 (5): 430-439 [摘要] ( 713 ) [HTML 1KB] [PDF 5260KB] ( 1346 )
440 秦姗姗, 侯宗建, 吴忠东, 马东豪, 张佳宝, 黄平
水氮耦合对冬小麦氮素吸收及产量的影响
为了解决华北平原资源与环境问题,提高水肥资源利用效率是其根本途径之一.利用华北平原典型地区河南封丘的定位试验,设有5个氮素水平,3个计划湿润层,系统研究了水氮耦合对冬小麦氮素吸收、氮肥利用率及产量的影响.结果表明:封丘地区最佳施氮量在 235~250 kg/hm2,计划湿润层为 37~40 cm,过低或过高都会影响小麦的产量和氮肥利用率.灌水量对冬小麦植株全氮含量、氮利用率和产量的影响与降水特征密切相关.关键生育期如返青拔节期,抽穗灌浆期降水不足会严重影响冬小麦产量.适当灌水可增加冬小麦产量,但灌水过多也无助于进一步提高冬小麦产量.降水相对较多的情况下,灌水对植株含氮量影响不大;降水不足时,增加灌水量则会抑制氮素由秸秆向籽粒的转移.
2017 Vol. 35 (5): 440-447 [摘要] ( 886 ) [HTML 1KB] [PDF 1444KB] ( 1864 )
448 周小引, 李红, 蒋跃
低压喷头异形喷嘴水量分布均匀性试验研究
为了研究低压喷头异形喷嘴水量分布的均匀性,依据面积相同原则,设计出圆形、三角形、正方形3种以及不同锥角形式的喷嘴,研究低压下异形喷嘴喷头对喷灌水量分布的影响.通过外特性试验测量了异形喷嘴喷头的流量、射程和水量分布,利用Matlab软件分析不同喷嘴喷头的喷洒均匀性,同时采用高速摄影技术观测不同喷嘴形式下喷头射流空间流态.结果表明:同一压力下,随着喷嘴锥角的增大,喷头流量逐渐减小,且正方形喷嘴喷头流量最大,三角形喷嘴喷头流量最小;喷头射程随着喷嘴锥角的增大呈先增大后减小变化趋势,且圆形喷嘴喷头射程最远,三角形喷嘴喷头射程最短.由高速摄影图像可以看出,三角形喷嘴喷头的射流破碎段最短,圆形喷嘴喷头的射流破碎段最长;随着喷嘴锥角的增大,3种喷嘴喷头的射流破碎长度段呈减小趋势;综合射程和雾化效果可知,锥角为45°时圆形喷嘴喷头为最优.同时,通过对圆形喷嘴和异形喷嘴的水量分布均匀性测量,发现异形喷嘴喷洒组合均匀性系数比圆形喷嘴明显要高.
2017 Vol. 35 (5): 448-453 [摘要] ( 843 ) [HTML 1KB] [PDF 1705KB] ( 1302 )
454 李科, 汤跃, 赵进
基于蜗轮蜗杆的卷盘喷灌机传动设计与优化
为了扩大卷盘喷灌机的调速比范围,加大传动比以及提高其效率,以直流电动机驱动的JP75型卷盘式喷灌机为基础,重新对该型号机器进行了基于蜗轮蜗杆的大传动比结构的设计与优化.新型传动结构根据喷洒车运行速度将其分为两档传动,以蜗轮蜗杆传动代替部分直齿圆柱齿轮传动,降低了传动的级数.针对初步确定的传动系统设计参数,运用Matlab遗传算法工具箱,以传动效率最高与齿轮减速箱体积最小为目标函数进行多目标连续离散混合变量的遗传算法优化.对初始分配的链传动,直齿圆柱齿轮传动以及蜗轮蜗杆传动各级齿数,齿宽系数等关键参数进行了相关优化,优化后的结果和试验测试表明:与初始设计参数对比,第一档传动总效率提高了13.77%,第二档传动总效率提高了13.11%,同时总体积减少了10.30%.新设计的传动系统方案为新型转盘喷灌机的研发升级提供有益的借鉴.
2017 Vol. 35 (5): 454-460 [摘要] ( 1011 ) [HTML 1KB] [PDF 4015KB] ( 1275 )
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编辑出版
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