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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2020年 38卷 12期
刊出日期：2020-12-25
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
封面
2020 Vol. 38 (12): 1- [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 17807KB] ( 705 )
2
目录
2020 Vol. 38 (12): 2- [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 1151KB] ( 564 )
1189 曹卫东,徐玉敏*,张华,王希晨
矿用多级抢险排水泵气液两相流动特性分析
为研究气液两相流对矿用多级抢险排水泵性能的影响,以一台四级矿用潜水离心泵为研究对象,采用 ANSYS CFX数值模拟方法,基于Eulerian-Eulerian多相流模型,对不同气体体积分数,不同气泡直径、四级离心泵进行气液两相流定常数值模拟.模拟得到气液两相流下的矿用多级抢险排水泵性能曲线及转子轴向力,并对扬程、效率、转子轴向力进行分析对比,同时分析泵内部气体分布规律.结果表明:在气液两相流条件下,气泡直径、气体体积分数都对泵的外特性及转子轴向力有显著的影响,在大流量、气体体积分数比较高的情况下,矿用多级抢险排水泵的扬程和效率会急剧下降,并出现转子残余轴向力与正常运行条件下转子残余轴向力方向相反的情况;内部流动中,气液两相流条件下叶轮出口出现局部回流,回流从吸力面流向压力面.
2020 Vol. 38 (12): 1189-1195 [摘要] ( 49 ) [HTML 1KB] [PDF 7187KB] ( 828 )
1196 刘忠*,张许阳,邹淑云,李志鹏
基于改进VMD的离心泵空化声发射信号特征提取
针对变分模态分解算法中分解层数和惩罚因子不易确定的问题,提出一种改进变分模态分解(improved variational mode decomposition,IVMD)算法,并将其应用于离心泵空化声发射信号特征提取.应用IVMD算法时,首先根据包络熵差异系数确定变分模态分解的分解层数;然后采用人工蜂群算法优化得出惩罚因子,并将其作为变分模态分解的最佳输入参数.利用IVMD算法对仿真信号进行分析,并与集合经验模态分解结果进行比较.以60%额定流量下采集到的离心泵进口处的声发射信号为例进行IVMD计算,分析携带原信号大量信息的信号分量的频域特征及其绝对能量随离心泵空化状态变化的关系.结果表明:IVMD算法能够择优确定分解层数和惩罚因子,实现非平稳信号的自适应分解.反映离心泵空化状态的声发射信号特征频率集中在50,100 kHz及其附近.随着离心泵空化从无到有、从弱到强的变化,这2个特征频率范围信号分量绝对能量值呈“基本保持不变—减小—增大”的变化规律.
2020 Vol. 38 (12): 1196-1202 [摘要] ( 51 ) [HTML 1KB] [PDF 2872KB] ( 720 )
1203 李彦军,吴天澄,王文杰*,裴吉
基于正交试验的高扬程混流泵优化设计
为了提高高扬程导叶式混流泵的扬程和效率,选择叶轮叶片进、出口安放角、包角和叶轮外径等4个因素,每个因素取4个水平,利用正交设计软件SPSS进行正交试验方案的设计,应用CFD软件ANSYS CFX对设计的16副叶轮进行三维数值模拟,利用极差分析的方法分析得到各因素对扬程和效率的影响程度,进而得到最优组合方案,最后对比分析原始模型与优化模型的内部流动情况,验证优选方案的可行性.结果表明:叶轮叶片出口安放角对扬程影响程度最大,叶片包角对效率影响程度最大.在设计流量下,兼顾扬程和效率所选出的最优方案扬程和效率均有所提高,泵段内水流流态较好,压力分布均匀,达到优化设计的目的.因此,基于正交试验的高扬程混流泵优化可行,优化方案的参数搭配能够有效地减小高扬程混流泵的水力损失,提高其水力性能,并改善其内部流动.
2020 Vol. 38 (12): 1203-1208 [摘要] ( 43 ) [HTML 1KB] [PDF 2742KB] ( 578 )
1209 金永鑫,张德胜*,王子超,张乃舒,施卫东,王道红
基于VOF模型的高温熔盐泵上端密封泄漏分析
为研究熔盐泵上端间隙密封的运行性能,基于SST k-ω湍流模型和VOF模型对熔盐泵上端密封结构性能进行计算,对不同扬程和不同介质条件下的泄漏量、扬程损失以及溢液腔内气液交界面形态进行分析.讨论扬程和介质条件对上端密封性能的影响,总结了关键变量和上端密封性能之间的相关关系.结果显示:泵扬程的增大会使泄漏量增加,如果扬程过大,黏性会对泄漏量产生显著影响;在相同扬程条件下,4种介质在间隙密封进出口的扬程损失差异均很小;间隙扬程损失随着泵扬程的增大而增加,3种泵扬程条件下间隙扬程损失都稍小于泵扬程;在溢液腔中,轴壁面高速旋转会使液体形成不规则的气液交界面和空腔;泵扬程的增大会抬高气液交界面的最高位置,使排液口内充液更多;在清水介质条件下,对该上端密封在不同扬程和流量的泵中下进行测试,在最高压力工况下熔盐泵仍保持稳定运行,未出现严重泄漏.
2020 Vol. 38 (12): 1209-1214 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 4366KB] ( 623 )
1215 陈文昊,张师帅*,高瑞,郑钧,陈俊君
深海采矿斜流泵颗粒运动与叶片磨损
针对某型深海采矿提升斜流泵,采用k-ε湍流模型和Particle Transport Solid粒子输运模型进行了固液两相流数值模拟,对比分析了不同颗粒浓度(2%~12%)和不同颗粒粒径下(1~30 mm)的颗粒运动规律和叶片磨损情况.结果表明,随着颗粒浓度的增大,叶轮进口区域的颗粒聚集程度上升,导叶流道内的颗粒聚集程度加剧;叶轮叶片的磨损面积和导叶叶片的磨损面积逐渐增大.其中,叶轮叶片的主要磨损位置在叶片前缘,导叶叶片的主要磨损位置在叶片转向处和叶片尾缘.叶片的磨损位置都呈现从叶顶向叶根逐渐发展的趋势;导叶叶片的磨损面积比大于叶轮叶片的磨损面积比;随着颗粒粒径的增大,叶轮出口区域的聚集程度减弱,导叶流道内的颗粒聚集减轻;其磨损规律与不同浓度下的工况相一致,叶轮叶片的叶片压力面为主要磨损区域,而且导叶叶片在尾缘的磨损减小.研究结果可为深海采矿斜流泵的优化设计提供理论依据.
2020 Vol. 38 (12): 1215-1220 [摘要] ( 39 ) [HTML 1KB] [PDF 3375KB] ( 566 )
1221 杨佳楠,陈思,*,王芳群,荆腾,乔筱祺
基于热致液晶弹性体的仿生心脏泵的设计
为设计一款仿生心脏功能较佳的心室泵,采用柔性、热致伸缩的热致形变弹性体代替心肌,根据螺旋心室心肌带理论,选择心肌带的左心室段,并选取了Hilbert平面填充曲线作为热致导体在热致形变弹性体中的走行方式,设计出与真实心脏类似的心室泵结构.通过试验测量了所设计的心室泵的射血分数与心率,结果显示该心室泵的搏出量高于自然心脏,而其心率远低于自然心脏.相对于机械泵,所设计的心室泵结构与真实心脏类似,具有收缩能力强,射血分数高的优点,且不易破坏血细胞,生物相容性较好.不足之处在于,热致动液晶弹性体变形响应慢,暂时还未能达到正常心脏的心率.论证了构建双稳态结构,提高仿生心室泵效率的可能性,以及对于心肌纤维走向较为复杂的其他心肌带段,双轴拉伸机械雕刻对其仿生的可能性.此研究可为容积心脏泵的研发提供新的思路,也可以对右心衰竭等心脏疾病起到辅助治疗的作用.
2020 Vol. 38 (12): 1221-1225 [摘要] ( 44 ) [HTML 1KB] [PDF 3549KB] ( 883 )
1284 高阳,邵光成*,陈昌仁,徐雯,刘正军,黄豆豆
渍害条件下生物炭对番茄生长及产量的影响
为了探讨南方地区农业生产以施加生物炭作为缓解作物渍害胁迫的可能性,利用土柱试验,系统研究了渍害条件下不同生物炭施加量对番茄形态指标、生理指标、产量及水分利用效率的影响.结果表明,在5%生物炭施用量下,除总根长、根尖数、根冠比和叶绿素荧光参数外,其余各项形态指标、生理指标较对照处理均显著增加;生物炭施用对番茄干物质积累的促进作用更为明显,施用3%生物炭处理下,根干质量、总干物质量较对照处理差异显著,分别增加了0.11 g/株、2.37 g/株.生物炭添加对番茄产量影响并不显著,仅在生物炭施加量为10%时,番茄产量明显高于对照处理,而该处理下WUE的增幅达到了120%.总体上,5%的生物炭施用量较为经济合理,适于实际生产应用.
2020 Vol. 38 (12): 1284-1289 [摘要] ( 42 ) [HTML 1KB] [PDF 1781KB] ( 613 )
水利水电工程
1226 张金凤*,张敏,瞿晔飞,方玉建
带分流叶片水泵水轮机小开度下非定常分析
为了研究带分流叶片水泵水轮机在小开度运行下各工况的内流特点及受力特点,以国内某带分流叶片水泵水轮机抽水蓄能电站的水力模型为分析对象,运用CFD数值模拟方法,采用SST k-ω计算模型,对其7.5°开度下的水轮机工况、制动工况和反水泵工况的内流特性进行了非定常数值模拟计算,分析了各工况下机组内部典型监测点的压力脉动特性及轴向力分布规律.结果表明:CFD数值计算能较好地模拟分析带分流叶片水泵水轮机的内流特性;在制动工况和反水泵工况下,转轮流道内出现明显的不稳定流动,二次流和涡结构充满整个转轮,进而引起水流拥堵,分流叶片可以使转轮的出水速度更加均匀;机组甩负荷运行进入制动工况后,转轮所受轴向力明显变大,并伴有负值出现,波动幅度也较大;分流叶片的存在可以预防转轮区出现负压,有助于降低涡结构的强度.
2020 Vol. 38 (12): 1226-1232 [摘要] ( 62 ) [HTML 1KB] [PDF 2554KB] ( 595 )
1233 杨飞,徐晶珺*
超大型水轮发电机定子振动超标处理技术探讨
以糯扎渡水电站定子为研究对象,针对大型水轮发电机定子长期高强度振动造成发电部件损坏的问题,从定子刚度、转子不圆度、水轮机尾水压力脉动等方面分析了机组振动的原因,通过对转子支架应力复核计算表明转子支架现有结构的最大综合应力已经接近许用应力,并确定机组增加垫片的最大厚度为0.2 mm,在机组大修中采用增加磁轭与转子支架之间的过盈量、机坑外对转子圆度进行了静态调整、机坑内动态调整等方法使机组运行中定转子空气间隙均匀.通过大修后进行的手动开机、过速试验、动平衡试验和升压试验,发现修后空载状态和带负荷运行下定子机架水平振动均大幅下降,修后机组磁轭与转子支架紧量增大,磁轭状态更加稳定.定子水平振动稳定在91 μm左右,设备的可靠性大大提高,保证了机组的安全稳定运行.
2020 Vol. 38 (12): 1233-1238 [摘要] ( 43 ) [HTML 1KB] [PDF 4352KB] ( 697 )
流体工程
1239 王军锋,卜佳振*,王晓英,罗博韬
大载荷无人直升机静电喷雾沉积特性试验研究
为探索在大载荷植保无人直升机下洗气流作用下各因素对静电喷雾沉积特性的影响规律,将正交试验与Box-Behnken响应面试验相结合,在定性分析的基础上,建立起沉积特性参数与荷电电压、飞行参数等影响因素之间的数学预测模型,定量地分析了各因素对沉积特性的影响.结果表明:大载荷无人直升机静电喷雾沉积特性受施药过程中荷电电压和飞行参数的影响显著.雾滴单位面积沉积量与荷电电压成正相关,与飞行速度、飞行高度成负相关.相同飞行参数下(飞行速度5m/s、飞行高度4m),荷电电压8kV的静电喷雾单位面积沉积量为0.3180μL/cm2,比非静电喷雾单位面积沉积量提高了1.17倍.与此同时,沉积量变异系数与飞行速度成正相关,与荷电电压、飞行高度成负相关,即增加荷电电压、降低飞行速度或者提高飞行高度能有效改善雾滴的沉积均匀性.
2020 Vol. 38 (12): 1239-1244 [摘要] ( 43 ) [HTML 1KB] [PDF 1713KB] ( 583 )
1245 马光飞,*,季健康,丁鹏,毛伟,方勇
不同颗粒属性下旋流阀固液两相管道流动特性
采用欧拉-拉格朗日方法,对自行设计的旋流阀进行三维数值模拟,重点分析小颗粒粒径(10 μm)和大颗粒粒径(200 μm)2种颗粒共存时,不同颗粒密度(1 900,2 300,2 650 kg/m3)下,旋流阀内部的流动特性、管道出口流量和压力损失系数. 结果表明:旋流阀内部流场会产生偏离基圆中心的偏心旋流速度场和压力场,在偏心压力场中心会形成局部低压.由于压力能的减小,使得流体速度增加,产生了旋流加速.旋流阀的存在,使得管路中产生了大小不同的涡旋,在旋流阀出口,涡旋的延伸区域中,颗粒的含量减少. 小粒径颗粒从流体获得的速度较大;颗粒密度越大,阻力系数越大,能量损失越大. 较高的旋流速度,降低了颗粒在管路中的含量,有助于管道颗粒物迁移. 通过试验测试可以发现,由于旋流阀的存在,在其内部形成了旋流气柱;在旋流阀及其系统中,含有的杂质会在旋流的作用下旋转起来; 这在一定程度上验证了数值模拟中旋流阀的低压分布和旋流加速特性.
2020 Vol. 38 (12): 1245-1250 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 13035KB] ( 522 )
1251 宗平*,潘中永,岑春海
导流板安放角对喷水推进器倒车水斗性能影响
为了研究导流板安放角对喷水推进器倒车水斗性能的影响,基于ANSYS-CFX软件对不同导流板安放角(5°,10°,15°,20°,25°和30°)下倒车水斗进行数值计算,对比分析了导流板安放角对倒车水斗推力性能以及流道内流场分布情况的影响,得出了倒车水斗导流板安放角对喷水推进器倒车水斗性能的影响规律.结果表明:相较于无导流板,安装导流板后倒车水斗壁面压力分布得到很大程度改善,出口流速最大值增加.随着导流板安放角的增加,倒车水斗出口流速最大值呈现先增加后减小的趋势,而其流道各截面的压差呈现先增加后减小、然后再增加的变化趋势;导流板安放角为15°左右时,倒车水斗流道内流场分布较好,同时其推力相对较大,此时喷水推进器倒车水斗性能最佳.因此合适的导流板安放角可以有效避免倒车水斗流道内过高压区与过低压区的出现,并致流动分离现象的发生.
2020 Vol. 38 (12): 1251-1257 [摘要] ( 42 ) [HTML 1KB] [PDF 2818KB] ( 617 )
农业水土工程
1258 刘洪山,王卫星,孙道宗,高鹏,陈文彬,林楚婷,谢家兴,*
基于GA-BP神经网络的果园需水量预测
为解决果园需水量预测精度低、鲁棒性差等问题,提出了遗传算法(GA)优化BP神经网络的果园需水量预测模型.选取空气温度、土壤含水率、光照强度3个主要环境因子作为BP神经网络的输入量,利用遗传算法的全局搜索能力优化神经网络权值和阈值,建立GA-BP神经网络模型预测果园需水量.仿真结果表明:GA-BP预测模型的预测值比BP模型更加趋近期望需水量,模型评价指标平均绝对百分比误差(MAPE)、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE),均优于单一BP神经网络模型.与传统的BP神经网络算法相比,GA-BP神经网络模型能较好的表达果园需水量与主要环境因子的非线性关系,具有较高的预测精度和适应性.
2020 Vol. 38 (12): 1258-1263 [摘要] ( 55 ) [HTML 1KB] [PDF 9668KB] ( 571 )
1264 高洪燕,毛罕平,倪纪恒,公丽艳*,张晓东
施肥量对生菜养分与长势的影响及模型模拟
为了研究不同施肥制度对设施生菜长势及产量的影响,将样本分为氮磷钾重度缺失、中度缺失、轻度缺失、正常及过量施用13个处理.在整个生育期利用机器视觉技术连续获取生菜冠层主视及俯视图像,提取与生菜长势显著相关的冠幅投影面积、冠幅周长及株高信息.利用灰色系统理论,研究生菜养分质量分数、长势及产量三者间的灰色关系.不同营养对生菜长势影响从大到小依次为氮,磷,钾,进一步分析了不同施氮条件下,生菜体内的磷钾质量分数及产量的变化规律,当产量达到最大时,氮磷钾3种元素质量分数分别为4.83%,0.63%和2.82%,且氮磷钾元素间存在一定协同交互作用.结合环境信息和生菜“慢-快-慢”的S型生长规律,建立了3个生长时期的养分质量分数与长势关系模型,为指导设施生菜科学施肥,高产栽培提供依据和理论指导.
2020 Vol. 38 (12): 1264-1269 [摘要] ( 49 ) [HTML 1KB] [PDF 3089KB] ( 585 )
1270 刘翔,张富仓,*,向友珍,侯翔皓,张迎春,何平如,薛占琪,范军亮,
亏缺灌溉对南疆棉花生长和水分利用的影响
针对南疆地区水资源短缺、作物水分利用效率低等问题,以棉花为试验材料进行田间小区试验,在棉花现蕾期、开花期以及结铃期分别设置3个亏缺灌溉水平(W1:50%ETc,W2:65%ETc,W3:80%ETc,ETc为作物蒸发蒸腾量),以全生育期100%ETc灌溉处理为对照(CK),研究膜下滴灌条件下,不同生育期亏缺灌溉对棉花生长、产量、氮素吸收和水分利用效率的影响.结果表明:现蕾期亏水对棉花株高、叶面积指数、地上干物质生长、氮素吸收和产量有不同程度的抑制效应,但复水后补偿效应显著,其中轻度亏水(W3)在籽棉产量减少3.48%的条件下,WUE高达1.57 kg/m3,显著高于CK的1.48 kg/m3;开花期亏水,棉花的各项生长指标均有显著降低,复水后补偿效应不显著,不利于棉花生长发育;结铃期亏水对棉花地上干物质累积、氮素吸收和产量均有显著的抑制效应,但在W2和W3水平下,WUE均达1.51 kg/m3.综合考虑在保证棉花产量的同时达到节水增产的目的,可在棉花蕾期进行80%ETc灌水,其他生育阶段实施充分灌溉,来控制营养生长,促进生殖生长,获得更高的水分利用效率.
2020 Vol. 38 (12): 1270-1276 [摘要] ( 40 ) [HTML 1KB] [PDF 1496KB] ( 800 )
1277 李晶晶,臧文静,黎耀军,顾涛,严海军*
喷灌施氮管理对春玉米产量及水氮利用的影响
为探究东北半湿润区喷灌水肥一体化条件下春玉米最佳施氮管理模式,于2017年在东北地区开展了不同喷灌施氮管理对春玉米生长、产量及水氮利用效率的田间试验研究.试验设置了3个总施氮量:N200(200 kg/hm2),N160(160 kg/hm2)和N120(120 kg/hm2),其中播种时统一埋施氮肥60 kg/hm2,苗期统一喷施氮肥10 kg/hm2,其余在拔节期和灌浆期按照3种施氮比例T1(1∶0),T2(2∶1)和T3(3∶1)通过水肥一体化喷施施入.结果表明:T1获得了最高的氮肥偏生产力、氮素收获指数和水分利用效率.增加施氮量能够促进产量的增加,但N200和N160的平均产量差异不具有统计学意义(P>0.05).所有处理中T1N200的产量最高,为12 489 kg/hm2;T1N160处理的氮收获指数最大,为74.98 kg/kg.施氮量增加,氮肥偏生产力随之降低,0~100 cm土壤内的硝态氮残留量随之增多.T1处理的平均硝态氮残留量最少,降低了氮素淋失的风险.综合考虑,推荐该地区采用总施氮量160~200 kg/hm2,其中播种期施基肥60 kg/hm2,苗期追施10 kg/hm2,其余在拔节期全部追施的施氮管理模式.
2020 Vol. 38 (12): 1277-1283 [摘要] ( 40 ) [HTML 1KB] [PDF 2118KB] ( 561 )
1290 张福娟,崔宁博,*,赵璐,蔡焕杰,胡笑涛,张念,肖璐,虎海波,杨德文
西北地区冬小麦腾发量估算模型适用性评价
为实现对西北地区冬小麦腾发量(ET)的准确估算,在对不同生育期ET的影响因子进行分析后分别采用双作物系数模型、单作物系数模型和Priestley-Taylor(PT)模型模拟ET,并以大型蒸渗仪实测ET为标准值对比其精度.结果表明:气象因子是播种—返青(Ⅰ期)和抽穗—乳熟(Ⅲ期)ET的主导因子,作物因子是乳熟—收获(Ⅳ期)ET的主导因子,2种因子对返青—抽穗(Ⅱ期)和全生育期ET的驱动作用相近;Ⅰ期双作物系数模型、单作物系数模型和PT模型的R2分别为0.511 8,0.239 3,0.374 2,RMSE变化范围为0.284 6~0.366 3 mm/d,总体评价指标GPI排名分别为1,3,2;Ⅱ期3个模型的R2均在0.700 0 以上,RMSE为0.540 9~0.844 0 mm/d,双作物系数模型模拟效果最好;Ⅲ期各模型的R2均高于0.600 0,RMSE为0.828 8~1.258 7 mm/d,双作物系数模型GPI排名第1;Ⅳ期3个模型的R2分别为0.799 1,0.671 6,0.270 8,RMSE为0.968 1~1.946 2 mm/d,作物系数模型模拟精度明显高于PT模型;全生育期各模型RMSE为0.551 5~0.893 6 mm/d,双作物系数模型的R2达到0.902 2.
2020 Vol. 38 (12): 1290-1296 [摘要] ( 33 ) [HTML 1KB] [PDF 6159KB] ( 666 )
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