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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2021年 39卷 5期
刊出日期：2021-05-25
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
1
封面
2021 Vol. 39 (5): 1- [摘要] ( 19 ) [HTML 1KB] [PDF 2642KB] ( 321 )
2
目录
2021 Vol. 39 (5): 2- [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 1136KB] ( 338 )
433 赖喜德*,程海,叶道星,杜江,陈小明
核主泵四象限特性曲线的数值预测
为实现在核主泵产品开发过程中对四象限特性进行预测与设计方案快速可靠评估,采用全流道内流场数值模拟方法,针对某轴封式核主泵在定转速下的四象限运行特性进行预测,研究基于数值模拟预测四象限特性曲线的可靠性.与试验曲线对比结果表明:在正转逆流及反转逆流工况下预测结果与试验结果一致性好,其扬程和转矩曲线的偏差大部分点在±3%以内,个别点在±5%以内;在反转正流工况预测结果与试验的各曲线变化趋势相同,但预测值与试验曲线之间的偏差较大,其扬程和转矩曲线偏差大部分点在±10%以内,个别点在±20%以内.证明采用基于数值模拟的预测方法能够替代大部分运行区域的试验来获得可靠的特性曲线, 在设计过程中可以采用该方法对设计方案快速评估,但对主泵在反转正流工况的准确数值模拟还需要进一步研究.
2021 Vol. 39 (5): 433-438 [摘要] ( 42 ) [HTML 1KB] [PDF 2741KB] ( 474 )
439 何秀华,杨航*,杨嵩
附壁射流无阀压电微泵的多场耦合模拟
为了研究在多场耦合影响下的压电微泵的输出性能,提出了一种新的数值模拟方法,以附壁射流无阀压电微泵为对象进行数值计算,并通过试验验证了数值计算方法的正确性,同时对压电泵的外特性进行了研究.结果表明:随着频率的增大,压电泵的流量和背压都呈现先增大后减小的趋势;当电压为200 V,频率为62.5 Hz时,压电泵的流量和背压都达到最大,分别为0.703 mL/min和0.672 kPa;提取压电振子的位移分布和压电泵瞬时流量的数据,显示压电泵的出口瞬时流量滞后于瞬时电压的原因是耦合作用的影响;随着喉部高度H的增大,压电泵的流量呈现先增大后减小的趋势,当电压为200 V,频率为50.0 Hz,喉部高度H=0.4 mm时流量达到最大,为4.023 mL/min;结合压电振子的最大位移曲线和压电泵内部流场的速度矢量图分析,表明压电振子的最大振幅决定于从泵腔泵出的总流量,而内流场形成的旋涡尺寸和位置决定了进口管和出口管之间流量的分配.
2021 Vol. 39 (5): 439-444 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 2207KB] ( 445 )
445 常书平*,姚丁元,李昆鹏,方先进
轮毂轮缘对混流泵叶轮三元反问题设计的影响
为提高叶片设计可控度,开展轮毂与轮缘对混流泵叶轮三元反问题设计的影响研究.基于一种无黏与有黏迭代的叶片三元反问题设计方法,以某比转数ns=449的混流泵为研究对象,在保持叶片载荷分布、进口环量、出口环量等控制参数不变的基础上,通过改变轮毂与轮缘形状设计出系列叶轮.基于剪切应力输运(SST)湍流模型和SIMPLEC算法,对叶轮内流场特性进行数值计算.结果表明:轮毂与轮缘对叶片几何造型与流场特性具有重要影响;通过轮毂与轮缘调节可优化叶轮高效区范围,过流通道面积增大使大流量工况效率有所提高;轮毂形状对轮毂流面的压力分布影响较大,轮缘形状对整个叶片压力分布有较明显影响,叶轮出口过流通道面积过小将造成轮毂流面出现压力波谷现象.三维反问题设计和三维正问题数值模拟相结合的方法可在混流泵设计中发挥重要作用,具有一定的工程应用价值.
2021 Vol. 39 (5): 445-450 [摘要] ( 55 ) [HTML 1KB] [PDF 1912KB] ( 470 )
451 张皓阳,袁寿其*,邓凡杰,廖敏泉,陈猛飞,司乔瑞
基于量纲一化的离心泵内部气液两相流动特性
为研究气液混输状态下离心泵内部流动及外特性的基本规律,以某一比转数ns=132.2的直联式单级单吸离心泵为研究对象,基于量纲一化方法,在不同含气率及转速下进行外特性试验和数值模拟研究.结果表明:量纲一化参数的压力系数和速度系数能够较为直观地反映离心泵气液两相流内部流动的基本规律;随着转速的增大,低压区在叶轮进口附近的半径逐渐增大,低速区占据流道的面积也逐渐增大,此时由于气体主要聚集在叶轮流道及蜗壳附近,容易堵塞流道,液相与叶轮能量得不到有效地交换与传递,这是导致气液混输状态下含气率大于3%时离心泵外特性曲线不再遵循相似定律的主要原因;结合试验和数值模拟结果验证了所采用的Eulerian-Eulerian非均相流模型的合理性,为泵的优化设计提供了一定理论基础.
2021 Vol. 39 (5): 451-456 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 4275KB] ( 403 )
457 陈建华,周晨佳,王雪*,蒋小平,潘慧山,曹玲
基于正交试验的高速井泵优化设计
为了提升高速井泵的水力性能,探讨影响其性能的主次因素,以100QJ10型高速井泵为研究对象,按照L18(37)正交表,选取叶片出口宽度、叶轮出口直径、叶片数等7个因素,每个因素选取3个水平,共设计18组叶轮,并分别与同一个导叶装配.应用CFX 15.0软件对18组模型泵进行全流场数值模拟,利用极差分析法研究影响100QJ10型高速井泵性能的主要和次要因素.结果表明:叶片出口安放角和叶轮出口边斜切角度对高速井泵的水力性能影响较大;本次优化最优方案为叶轮出口宽度b2=6.5 mm,叶轮出口直径D2=80.5 mm,叶片出口安放角β2 = 27°,叶片数Z=7,叶片进口直径D1=40 mm,叶轮后盖板与反导叶最底端轴向间距h=3.5 mm,叶轮出口斜切角度为0°.分别对初始模型和优化模型进行外特性试验并对比分析,验证了正交试验结合数值模拟方法在高速井泵优化设计方面的可行性.
2021 Vol. 39 (5): 457-463 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 2285KB] ( 412 )
水利水电工程
464 张天翔,俞晓东,贺蔚,张健,肖洋,
明渠横向取水旋涡影响因素数值模拟及试验研究
明渠岸边横向取水是一种常见的取水形式,在明渠主河道与横向取水口衔接处,横向取水易产生旋涡引起取水效率降低,其影响因素及机理有待进一步探明.基于水气两相VOF方法,以中国南方某横向取水工程为例,建立了三维数值模型,并对横向取水过程中引起的旋涡进行数值模拟,探究其产生机理.同时定量分析了衔接段圆弧半径、主河道及取水流速3个因素对旋涡的影响,并通过物理模型试验进行了验证.结果表明横向取水衔接段由于河道突然扩散,导致水流脱离边壁,极易形成旋涡.同时衔接段圆弧半径、主河道及取水流速均会对涡带的生、消和形状产生重要影响.当衔接段圆弧半径变大、主河道和取水流速变小时,单个旋涡半径变小,存在时间也会有所缩短,整个涡带的存在范围也有所缩小.研究进一步深化了横向取水的水力学机理,为横向取水口的优化设计提供技术支撑.
2021 Vol. 39 (5): 464-470 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 14581KB] ( 329 )
471 徐晶珺,郑源*,于洋,潘虹,唐魏
基于卷积神经网络的水电机组轴心轨迹类型识别
针对常规水力机组故障类型识别需要人工参与、识别效率低下的问题,借助轴心轨迹图片蕴含的丰富信息,在引入细粒度模型对故障严重程度进行区分的基础上,提出了一种基于卷积神经网络的水力机组轴心轨迹类型的智能识别方法.该方法先建立了4种故障严重程度的评判标准和对应的2种水电机组轴心轨迹细粒度数据库;利用改进过卷积层与池化层参数的卷积神经网络模型对数据库进行了模拟计算,并和全连接网络进行了对比分析.结果证明该模型对轴心轨迹故障类型的识别率达到了98.75%,对严重程度的识别率达到了98.33%,该方法提出的关于细粒度分类的有量纲指标相比量纲一指标拥有更优的状态描述能力,也符合水力机组故障诊断的发展趋势,因此基于卷积神经网络技术的轴心轨迹识别算法对于机组故障诊断具有重要价值.
2021 Vol. 39 (5): 471-476 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 2548KB] ( 424 )
流体工程
477 张征凯*,曾宪枢
基于O形密封圈磨损过程的不同工况下溢流阀寿命预测方法
为了对不同工况下的某溢流阀进行寿命预测,通过寿命试验与ANSYS仿真相结合的手段,基于溢流阀内O形圈磨损过程,首先进行溢流阀的寿命试验,通过溢流阀寿命试验得出溢流阀在标准环境下的寿命信息,然后进行O形圈磨损过程的ANSYS仿真,建立仿真模型,模拟O形圈在标准环境下溢流阀中的受力状态和材料属性,得到O形圈所受接触压力小于工作压力时的O形圈失效当量半径,该当量半径与试验所得寿命信息可视为同一点,通过Archard磨损模型计算得到该元件的磨损率,并根据O形圈不同温度下的材料常数在ANSYS仿真模型中测得该工况下的失效半径,计算出这一工况下的寿命信息,通过不同工作压力和工作温度下的多次仿真,利用所得寿命信息,建立了溢流阀在不同工况下的寿命响应面,该方法可以应用到不同工况下的溢流阀寿命预测领域,为不同工况下液压元件寿命预测提供了参考.
2021 Vol. 39 (5): 477-482 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 2921KB] ( 418 )
483 张海晟,郑源*,张智,阚阚,莫旭颖
不同安放角度对污水搅拌器水力特性的影响
为深入对比污水处理池中搅拌器不同安放角度对其水力特性的影响,文中基于Fluent对搅拌器在不同安放角度下的水力特性进行数值模拟,得出适合搅拌器工作的较优工况.利用标准k-ε湍流模型及 SIMPLEC 算法对不同工况进行模拟,对比相应的流速分布和搅拌器中心所在平面的速度分量.结果表明:当搅拌器安放角度为-15°时,处理池内平均流速较高该工况下处理池内平均流速较高且搅拌器消耗的功率较小.通过分析搅拌器安放位置中心横断面的速度分量发现,经过搅拌器的水体呈现螺旋状向流向方向发展;在直角坐标系中3个方向速度分量各不相同.在搅拌器安放角度为-15°时,水体流速在轴y,z分量较大且不与墙体冲突.因此,在实际应用中适当改变搅拌器的安放角度,可以有效改善水体循环流动,优化搅拌器的搅拌效果,研究结果可为潜水搅拌器的实际工程提供参考.
2021 Vol. 39 (5): 483-487 [摘要] ( 43 ) [HTML 1KB] [PDF 3789KB] ( 436 )
488 张赫铭,李文昊,何新林*,刘宁宁,金瑾,
不同管径水平管道气液两相流动数值模拟
为更好了解管道中的气液两相流运动过程,揭示气液在不透明管道中的分布规律及运动形态,提高管道自压输水在实际工程中的安全性.基于已有研究成果,应用Fluent软件进行三维水平管道的数值模拟研究,并分析了不同管径、流速下两相流流态,及压力、流速等各项水力要素的变化.结果表明:三维CFD模拟可较好地展示管道气液两相分布规律;增大液相折算速度可以发生流型的转化,随着管径的增大,气泡流-塞状流的过渡表现为更高的液相折算速度,从80 mm管道中的小于4 m/s过渡到160 mm管道中的4 m/s;随着液相折算速度和管径的减小,由气团引起的压力波动随之减小,其中2.8 m位置处的最大压差由9 439.2,12 826.5 Pa减小到9 136.0 Pa;管道上壁面流速下降梯度高于下壁面,且气泡越大,差值越明显.工程上认为若无法避免输水过程中的气体存在,采用较小的液相折算速度和管径时,由气团引起的压力波动随之变小,认为此时管道更为安全.
2021 Vol. 39 (5): 488-494 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 2853KB] ( 878 )
495 侯舢舢,杨春霞*,黄富佳,郑源
旋转圆盘表面固液两相流动数值模拟及试验研究
基于DPM离散颗粒模型,研究了旋转圆盘表面在固液两相流作用下冲蚀磨损行为,重点分析了颗粒体积分数、颗粒直径、颗粒进口速度等因素对旋转圆盘表面磨损的影响.结果表明,在旋转圆盘表面,磨损量随着半径的增大而增大,磨损量会随着时间而累积增加;当颗粒体积分数由2%增加到5%,圆盘的磨损量逐渐增加,最大磨损量由5.8×10-7 kg/m2增加到1.3×10-6 kg/m2,平均磨损量由7.5×10-8 kg/m2增加到1.7×10-7 kg/m2;随着颗粒直径的减小,相同体积分数下颗粒数目越多,圆盘的最大磨损量和平均磨损量都逐渐增加,圆盘表面磨损加剧.随着颗粒进口速度的增大,圆盘的最大磨损量和平均磨损量都少量增加.同时经圆盘试验验证,在旋转圆盘表面,随着半径的增大,3种不同材料的试件磨损量都增加,结果与数值模拟相吻合.且磨损形貌由2个磨损区域发展到3个,不同磨损区域的交界线呈抛物线状.
2021 Vol. 39 (5): 495-500 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 3844KB] ( 434 )
农业水土工程
501 汪顺生,陈春来,王爱滨,傅渝亮*
宽垄沟灌土壤水分累积入渗特性试验研究及模拟
为了探究宽垄沟灌土壤水分累积入渗变化特性,在大田试验的基础上,利用HYDRUS-2D软件模拟并结合理论分析和数值模拟的方法,重点研究了单宽入沟流量为0.5 L/(s·m),灌水15 min后,宽垄沟灌不同沟宽(40,50,60 cm)与沟深(20,25,30 cm)对宽垄沟灌土壤累积入渗量随时间变化的影响.结果表明:沟深一定时,沟宽60和50 cm时累积入渗量较沟宽40 cm时分别增加了21.88%和7.88%,即沟宽越大,累积入渗量越大;沟宽一定时,沟深30和25 cm时累积入渗量较沟深20 cm时分别减少了3.80%和2.05%,即沟深越大,累积入渗量越小.在电容充电模型基础上建立了宽垄沟灌不同沟宽与沟深条件下的累积入渗量计算模型,累积入渗量与时间呈指数函数关系,并利用试验数据对计算模型进行了验证,模型的计算精度较高.研究结果可为改进宽垄沟灌灌水技术提供参考.
2021 Vol. 39 (5): 501-508 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 2608KB] ( 452 )
509 吴宗俊,崔宁博*,胡笑涛,龚道枝,王耀生,冯禹,邢立文,朱彬,邹清垚
基于改进Makkink模型的四川盆地参考作物蒸散量估算
为了有效提高四川盆地参考作物蒸散量ET0的预报精度,选取四川盆地16个代表性气象站点1961—2019年逐日气象数据,基于差分进化算法(DE)对辐射模型的经验参数校准改进Makkink模型并估算四川盆地ET0,在日、月尺度上对改进的Makkink模型(M1—M6)和Jennsen-Haise(JH)及Irmak(IK)模型评价.结果表明:在日尺度上,改进的Makkink(M1—M6)模型(R2为0.77~0.87)模拟结果比JH和IK模型(R2为0.74~0.76)更精确,改进的Makkink模型中,M4模型估算精度最高,综合性指标GPI中位数为1.05;在月尺度上,改进的Makkink模型模拟结果(误差为3.59~15.71 mm/月)也优于JH和IK模型(误差为6.84~25.31 mm/月),其中M4模型估算精度最佳,综合性指标GPI为1.72.总体而言,推荐以温度和相对湿度作为输入数据的M4模型模拟四川盆地ET0.
2021 Vol. 39 (5): 509-516 [摘要] ( 40 ) [HTML 1KB] [PDF 1825KB] ( 477 )
517 杨璐,周蓓蓓*,侯亚玲,王全九,陈晓鹏
枯草芽孢杆菌菌剂对盐胁迫下冬小麦生长与土壤水氮分布的影响
为了研究枯草芽孢杆菌菌剂在盐胁迫下对冬小麦生长与土壤水氮分布的影响,以盆栽冬小麦种植为试验手段,在8 g/kg的盐分质量比下,设置枯草芽孢杆菌菌剂质量比为0(CK),1(G1),3(G3),5(G5)和7(G7)g/kg等5种施加梯度处理,分析了冬小麦株高、叶面积、生物量以及土壤水分和硝态氮含量的变化情况.结果表明:(1) 盐碱地中添加枯草芽孢杆菌菌剂可明显促进冬小麦株高叶面积生长,添加该菌菌剂处理的株高增加2.67%~17.20%,叶面积指数增加9.10%~34.80%;(2) 枯草芽孢杆菌菌剂对地下部分生物量的促进作用大于地上部分,处理G1,G3,G5,G7的根冠比与CK相比分别增加了28.53%,39.23%,15.91%,25.66%;(3) 枯草芽孢杆菌菌剂能提高产量,与CK相比,处理G1,G3,G5,G7的冬小麦产量分别增加7.49%,15.35%,8.41%,4.57%;(4) 枯草芽孢杆菌菌剂提高了冬小麦的水分利用效率,施加该菌菌剂的水分利用效率为26.94~31.06 kg/(hm2·mm),与对照相比增幅为9.00%~25.67%;(5) 枯草芽孢杆菌菌剂对土壤剖面固氮保水具有促进作用.添加枯草芽孢杆菌菌剂处理的硝态氮累积量减少了21.70%~30.40%,较处理CK的硝态氮累积量减少量明显降低.加菌剂处理后的土壤水分散失较少.综合各指标分析结果,枯草芽孢杆菌菌剂施用量为3 g/kg时对于盐胁迫环境下冬小麦的种植促进作用最显著.
2021 Vol. 39 (5): 517-524 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 1836KB] ( 461 )
525 丁宏伟,王振华*,李文昊,张金珠,贾浩,温越,邹杰,
极端干旱区降解膜对滴灌棉花土壤水热及产量的影响
为了探明降解膜在哈密盆地滴灌棉花种植的应用效果,选取降解膜M1,M2,M3,M4及普通塑料地膜PE(CK)开展对照试验,研究降解膜的降解性能及其对滴灌棉花土壤水热变化与产量的影响.结果表明:M2在覆膜80 d左右最早出现降解、180 d左右进入残存期,生育期末仍有小块地膜残片存在;而降解膜M1与M3于生育期末才进入崩解期,降解相对缓慢;普通塑料地膜始终没有降解.苗期和蕾期各种降解膜尚未开始降解,保温保墒性能与CK相似;花期以后各种降解膜出现了不同程度的降解,花期降解膜与普通塑料地膜覆盖的土壤平均温度差异最大,降解膜M1,M2,M3及M4的土壤平均温度分别比CK低11.62%,10.02%,7.67%及10.45%,而铃期和吐絮期土壤温度差异较小,降解膜土壤平均温度比CK仅低2.05%~5.52%;花期到吐絮期降解膜M1,M2,M3及M4处理的土壤平均质量含水率分别比CK低5.92%,8.09%,7.14%及12.41%,保墒性能差异较大;降解膜处理的籽棉产量较CK减产2.05%~13.72%,其中降解膜M2产量仅次于CK,且与CK之间无统计学意义.因此,无色透明氧化-生物双降解膜M2替代普通塑料地膜用于哈密盆地等极端干旱区棉花生产实践具有可行性.
2021 Vol. 39 (5): 525-532 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 2812KB] ( 411 )
533 武剑飞,康银红*,宋鑫,梁友鹏
基于NARX模型的参考作物蒸散发预测
为了实现气象资料缺失情况下参考作物蒸散量(ET0)精确计算和预测,以攀枝花站点为例,构建非线性自回归滤波器(NARX)模型预测ET0.以Penman-Monteith模型计算的ET0作为预测标准,将日最高温、日最低温、日照时数、风速和相对湿度作为模型的输入参数,建立11种不同气象因子组合的NARX模型,并与Hargreaves-Samani模型、Irmak-Allen模型、Makkink模型、Priestley-Taylor模型的计算结果进行比较.结果表明:不同气象因子输入下的NARX模型模拟精度表现出明显的差异.其中,基于全部气象因子的NARX-1模型的RMSE,MAE和MBE分别为0.425 mm/d,0.320 mm/d和0.069 mm/d,NSE为0.920,GPI排名第11,精度最差;而基于风速的NARX-9模型精度最高,其RMSE,MAE和MBE分别为0.285 mm/d,0.237 mm/d和0.019 mm/d,NSE为0.964,GPI排名第1.在输入相同气象参数情况下,基于温度和日照时数的NARX-4模型模拟精度优于Irmak-Allen,Makkink,Priestley-Taylor模型;基于温度的NARX-7模型模拟精度明显高于Hargreaves-Samani模型.因此,可将NARX模型作为四川西南山地缺失较多气象资料情况下计算ET0的推荐模型,为农田精准灌溉提供科学依据.
2021 Vol. 39 (5): 533-540 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 2460KB] ( 476 )
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