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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2022年 40卷 2期
刊出日期：2022-02-25
泵理论与技术
水利水电工程
流体工程
农业水土工程
排灌装备制造技术
贯流泵站与调水工程
   
泵理论与技术
1
封面
2022 Vol. 40 (2): 1- [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 10035KB] ( 337 )
2
目录
2022 Vol. 40 (2): 2- [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 1344KB] ( 309 )
109 赵斌娟,韩璐遥,刘雨露,廖文言,付燕霞,黄忠富
混流泵叶片安放角对内涡结构及叶轮-导叶适应性的影响
转叶式混流泵的叶片安放角可以调节,当工况发生改变、叶片安放角调节后,叶轮-导叶的适应性将随之变化,进而影响到混流泵的水力性能.以一叶片安放角可取-4°,0°和4°的转叶式混流泵为研究对象,从涡结构的角度出发,探究叶片安放角改变对叶轮-导叶适应性的影响规律.研究结果表明:随着叶片安放角的增大,叶轮内部涡结构的大小在逐渐增大,且环绕在轮缘处的涡带直径逐渐增大,而导叶内通道涡数量在逐渐减少,叶轮和导叶外缘后盖板壁上的涡结构大小和强度在逐渐增大;混流泵强度较高的涡主要集中在叶片表面以及壁面附近;通过对叶片安放角的调节,转叶式混流泵能在不同的流量区间内保持高效运行,但随着叶片安放角的增大,由于涡结构逐渐增多,转叶式混流泵效率逐渐降低;导叶内通道涡的数量随着叶片安放角的降低而增加,从而导致转叶式混流泵的扬程变小;转叶式混流泵叶轮-导叶适应性在叶片安放角调节后产生变化,叶片安放角为-4°时,叶轮与导叶匹配度最好,越偏离-4°,从叶轮进入导叶的涡结构越多,叶轮-导叶适应性越差.
2022 Vol. 40 (2): 109-114 [摘要] ( 53 ) [HTML 1KB] [PDF 2491KB] ( 425 )
115 徐胜利*,张辉,金婷婷,杨成立,周演
离心泵蜗壳拓扑优化设计方法研究
为了提高离心泵的水力性能,采用拓扑优化方法对离心泵蜗壳进行拓扑优化设计,建立了优化数学模型,优化目标函数为最小化流体的总压损失,约束条件为流体域的体积约束.基于OpenFOAM,编制了优化问题分析和求解程序,通过连续伴随法求得目标函数对设计变量的灵敏度,采用移动渐近线法(MMA)求解优化问题.二维蜗壳优化结果表明,提出的蜗壳拓扑优化方法能够获得蜗壳优化设计方案,得出的蜗壳结构与用传统设计方法设计出的蜗壳结构十分接近,且拓扑优化方法下的蜗壳流场内总压损失更小,特别是在传统蜗壳设计方法不适用的情况下,该方法能够自动获得蜗壳构型.研究结果对于拓展离心泵优化设计方案具有一定的借鉴价值.
2022 Vol. 40 (2): 115-121 [摘要] ( 50 ) [HTML 1KB] [PDF 2105KB] ( 562 )
122 代翠,王照雪,董亮*,仇俊峰,陈怡平
障碍物布置位置对离心泵空化性能影响
为了研究离心泵叶片上的障碍物布置位置对离心泵空化性能的影响,将半球形障碍物布置在离心泵叶片工作面和背面的不同位置.选用Zwart空化模型和SST k-ω湍流模型,对不同位置布置障碍物的离心泵模型进行数值模拟,探究障碍物不同的布置位置对离心泵空化的抑制效果.结果表明,在叶片工作面进口1/3位置处布置障碍物对离心泵的空化性能提高最为明显.在叶片工作面进口1/3位置处布置半球形障碍物时,离心泵扬程升高1.14%,扬程下降3%的点迟于原始泵的程度最大;较其他位置,在该位置布置障碍物可显著降低叶轮内部的空泡体积分数,空化严重的时候效果更加明显,在空化数为0.166时,空泡体积分数较原始泵下降69.7%.所选方案能够减小叶轮进口处低压区域,使叶轮进口处较不易发生空化.
2022 Vol. 40 (2): 122-127 [摘要] ( 73 ) [HTML 1KB] [PDF 3556KB] ( 428 )
128 毕智高*,曹保卫,王金玺,王战辉,高勇,马亚军
工质黏度对导叶式液力透平压力脉动特性的影响
为探究液力透平内压力脉动受工质黏性的影响,基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,以带导叶的离心泵反转作液力透平为研究对象,选取清水及2种黏油作为对比工质进行三维瞬态数值模拟,并对模拟结果进行时域及频域分析.结果表明:清水工质下叶轮部分流道内存在和叶轮同向的非定常涡,而黏油工质下叶轮及尾水管内流场结构显著改善,黏性作用下,动静叶栅的相干作用仍是透平内压力脉动的主因.导叶内的平均压力脉动最强,叶轮内次之,尾水管内相对最弱,且此规律不受工质黏度影响.随着工质黏度的增大,各监测点的压力脉动峰峰值及最大压力脉动幅值均减小,且与导叶、尾水管内各测点主频及次主频幅值的变化趋势均同步,而与蜗壳、叶轮内各测点主频及次主频幅值的变化趋势差异较大,但与二者之和趋势吻合.同时,工质黏度越大,蜗壳、导叶和叶轮内各测点的时均静压越低.
2022 Vol. 40 (2): 128-135 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 5681KB] ( 467 )
贯流泵站与调水工程
136 张仁田*,朱峰,刘雪芹,梁云辉
变频调速灯泡贯流泵性能与控制方式
变频调速作为灯泡贯流泵的一种工况调节方式已经运用于南水北调东线工程的多座泵站.为了研究变速工况下的灯泡贯流泵水力性能和控制模式,指导泵站优化运行和推广应用,针对淮阴三站和泗洪泵站这2种典型型式的机组分析和研究了其变频变速性能及不同转速的模型试验结果,并根据有、无旁路的电气主接线2种方式,研究在考虑变频装置和电动机不同转速下的效率影响时不同扬程段的运行控制方式.结果表明:变频调速的灯泡贯流泵性能受到水泵叶轮性能和流道性能两方面的制约,在一定变速范围内可以采用效率不变的相似定律进行预测;在确定灯泡贯流泵机组运行性能时必须考虑变频装置的损耗、同时应分析随着频率改变引起的变频装置及电功机效率变化;以泗洪站为例,综合考虑机电设备损耗后发现,在(40%~80%)供水设计扬程范围内可以切除变频装置,直接工频运行效率更高.
2022 Vol. 40 (2): 136-143 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 3328KB] ( 385 )
144 阚阚*,张清滢,黄佳程,李昊宇,郑源,陈龙
基于IBM-LES的贯流泵湍流特性
为充分了解贯流泵运行工况下的内部流动特性,通过基于浸没边界法的大涡模拟(IBM-LES)方法,研究了圆柱坐标系下某贯流泵在设计工况的三维非定常湍流流场.模拟基于三维笛卡尔网格坐标系,空间离散采用有限差分格式,时间推进采用二阶龙格库塔法,大涡模拟采用动态亚格子应力模型.采用水平集法描述流体中流道、叶轮、导叶等固体区域边界.结果表明:靠近叶轮叶片根部圆周截面的整体湍动能较弱,而在中等跨度圆周截面区域湍动能最大的位置位于叶轮叶片尾流区域,两处湍动能均主要由流向方向分量提供.叶轮叶顶间隙涡区域湍动能强度较大,且3个方向分量贡献相当.而在后置导叶尾流中,随着流向距离的增大和湍流的耗散与发展,尾流会逐渐发展而表现出均匀的圆管流动特性.研究结果可为改善贯流泵运行稳定性提供理论参考和工程应用支撑.
2022 Vol. 40 (2): 144-149 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 2691KB] ( 489 )
水利水电工程
150 姚占全*,刘紫玫,吴晗晗,王宗熙
双掺陶瓷抛光粉-矿粉对混凝土抗冻性的影响
为研究陶瓷抛光粉与矿粉复合掺合料对混凝土性能的影响,等量替代25%,30%,35%的水泥,其中矿粉掺量为20%,陶瓷抛光粉掺量分别为5%,10%,15%.对混凝土的试验研究分为宏观和微观试验,宏观试验包括抗压强度试验和冻融循环试验,微观试验包括核磁共振(NMR)测试和扫描电镜(SEM)分析.结果表明:养护龄期达到28 d时陶瓷抛光粉-矿粉混凝土的抗压强度优于单掺矿粉混凝土,其中双掺20%矿粉与10%陶瓷抛光粉时,混凝土的抗压强度最高.核磁共振(NMR)测试显示陶瓷抛光粉和矿粉的加入,使得混凝土孔隙半径减小,内部大孔隙向小孔演变,孔隙度降低;在冻融循环后,有害孔数量减少,孔结构得以细化,从而改善了混凝土的孔隙结构,提高了混凝土的抗冻性.SEM图像显示陶瓷抛光粉-矿粉火山灰效应生成C-S-H凝胶,填充在水泥石孔隙中,提高内部结构致密性,二次水化反应消耗Ca(OH)2,降低CH晶体的取向性,改善微观界面黏结强度,提升混凝土宏观性能.
2022 Vol. 40 (2): 150-156 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 2795KB] ( 396 )
157 李欢欢,陈帝伊*,许贝贝
水力发电灵活性对混合电力系统的调节影响
鉴于风功率的随机性造成电网净负荷在多时间尺度上波动的特点,从时-频角度出发,基于风-水联合发电仿真模型,采用形态学滤波方法提取了风-水联合发电系统中净负荷的高、中、低频信息,通过建立的灵活性评价指标有效反应电力系统的上行和下行灵活性的供需关系.同时,为解决系统灵活性不足的问题,研究了风电渗透比例和水电机组备用接入比例对改善系统灵活性的影响规律,确定了最适宜的风电渗透比例和备用接入比例.研究显示:风-水联合系统在中、低频尺度上只存在下行灵活性不足的问题,其灵活性不足容量在49%风电渗透比例下最大可达4.961 MW;而在高频尺度上同时存在上、下行灵活性不足的运行风险,相应的上、下行灵活性不足容量最大可达0.125 2 MW和4.279 1 MW.此外,针对文中互补发电系统,其最适宜的水电备用接入比例为85%.
2022 Vol. 40 (2): 157-163 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 2261KB] ( 427 )
流体工程
164 周领*,刘静,欧传奇,钱苏平,卢坤铭
水力瞬变中动态摩阻的改进加权类模型
有压输水管道系统中,由于阀门的启闭或水力元件的不当操作等因素常会发生水锤现象,从而可能会影响水力系统的正常运行甚至发生危险事故.因此,针对上述管道水锤现象进行有效的数值模拟预测具有重要意义.在管道水力瞬变过程模拟计算中,Zielke提出的加权动态摩阻模型可以较好地模拟压力波动过程,是一维水锤模拟中计算结果最接近试验值的数学模型.由于加权函数与历史流速及历史加速度相关,模型计算时需保存每一时步的流速值,占用计算机内存大,故计算效率较低.为提高模型计算效率,尝试利用Matlab 的LSQNONLIN函数模块对Zielke加权函数进行3个指数函数之和型式的近似拟合,得到新的近似加权函数的各系数值,并通过与Zielke加权函数曲线及已有的改进加权函数曲线对比验证新函数的优越性,以及利用试验数据验证新模型的准确性和高效性.结果表明,模型在一定程度上提高了加权类动态摩阻模型的计算效率.
2022 Vol. 40 (2): 164-169 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 2410KB] ( 467 )
170 杨阳,贾云超,荆腾,曾培,陆建飞,贺照明,
冷冻储藏对心肌力学性能的影响
为了研究冷冻贮藏对心尖组织力学性能的影响,将心尖组织冷冻48 h并对冷冻后的组织样本和新鲜无冷冻的样本分别进行双向拉伸,讨论并分析在纤维方向和交叉纤维方向上新鲜无冷冻样本和冷冻样本的力学特性有无显著性差异.试验研究的力学参数有在纤维方向和交叉纤方向上的峰值拉伸比、力学拉伸比、预加载拉伸比、低应力区域的弹性模量、高应力区域的弹性模量、各向异性指数和延展性指数.研究结果显示,新鲜无冷冻的样本组织与冷冻组织的峰值拉伸比、力学拉伸比、预加载拉伸比、低应力区域的弹性模量、高应力区域的弹性模量、各向异性指数和延展性指数均无统计学差异.另外,试验发现冷冻组织比新鲜组织的各向异性略强,但新鲜无冷冻组织比冷冻组织略硬.冷冻贮藏对心尖组织的力学性能无显著影响.
2022 Vol. 40 (2): 170-174 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 1970KB] ( 394 )
农业水土工程
175 谈明高,云天平*,吴贤芳,刘厚林,马皓晨
光照强度对光伏抽水灌溉系统性能的影响
为掌握光照变化对无蓄电池光伏灌溉系统运行特性的影响,搭建光伏灌溉系统开式试验台,试验测量了不同光照强度下的系统性能.试验结果表明:较低光照强度下喷头工作压力、射程随光照强度增大而增大,较高光照强度下随光照强度上下波动,射程变化趋势与工作压力变化趋势一致,但旋转周期变化趋势与工作压力呈相反规律;喷头工作压力变化趋势与光伏水泵出口压力、光伏组件输出功率变化趋势一致;光照强度1 000 W/m2附近系统运行参数达到阈值,喷头射程与工作压力最大值分别为9.8 m和0.44 MPa,水泵流量与出口压力最大值分别为1.68 m3/h和0.45 MPa;未达到阈值前,影响水泵与喷头运行的主要因素是光照强度,运行参数变化幅度较大,达到阈值后影响因素主要为光照强度和温度,运行参数变化幅度较小;较低光照强度下,组合平均喷灌强度随着光照强度增大而增大;较高光照强度下,组合平均喷灌强度随着光照强度上下变化,与光伏组件输出功率的变化趋势一致;随着光照强度增大,喷头喷灌均匀系数和分布均匀系数逐渐趋近最高值,喷灌均匀系数最高达到88%.
2022 Vol. 40 (2): 175-180 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 1911KB] ( 536 )
181 王世斌,高佩玲*,赵亚东,相龙康,孟庆梅,牛晓音
微咸水对生物炭作用下盐碱土水盐运移特征影响
为了合理利用微咸水资源并结合生物炭改良剂,在节水基础上探究施用生物炭微咸水矿化度对盐碱土水盐运移规律影响.以黄三角中度盐碱土为研究对象,在室内进行一维垂直入渗试验,包括对照共设置8个处理:CK,W1,W2,W3,C1,W1C,W2C,W3C.结果表明:相同入渗时间下,累积入渗量和湿润锋运移深度随微咸水矿化度增加先增加后降低;低矿化度条件下,掺生物炭的土壤入渗性能优于未掺生物炭的,提升幅度2.16%~8.54%,且处理W2C效果最优,W1C略小于W2C,Kostiakov模型能够更好地描述微咸水矿化度对生物炭作用下盐碱土的土壤水分入渗过程.相同土壤条件下,各处理0~20 cm土层土壤含水率随着微咸水矿化度增加先增加后降低,掺生物炭的土壤含水率比未掺生物炭高2.53%~3.95%,且处理W2C增幅显著,W1C略小于W2C.各处理的土壤含盐量随着微咸水矿化度增加而增加,生物炭处理的脱盐效果略小于未掺生物炭的,其中2 g/L微咸水处理的脱盐效果最优,脱盐率高达47.4%.综合考虑,对黄河三角洲地区中度盐碱土,建议掺加生物炭并采用2 g/L微咸水进行灌溉.
2022 Vol. 40 (2): 181-187 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 1613KB] ( 441 )
188 刘立豪,王辉,谭帅,胡传旺,卢佳宇,童晨晖
不同覆盖方式对土壤水热及猕猴桃产量的影响
针对南方季节性干旱和夏季土壤高温胁迫所造成的猕猴桃产量与品质下降等问题,探索合理有效的覆盖措施来改善果园的土壤水热环境,从而实现南方猕猴桃产业的可持续发展.通过大田观测试验,研究黑膜(H)、白膜(B)、防草布(F)、防草布+白膜(F+B)、秸秆(J)、不覆盖(CK)6种不同覆盖处理下土壤水分、温度的变化规律,并比较相应处理的猕猴桃产量与品质差异.相比处理CK,覆盖处理保水效果较好,处理H,B,F,F+B,J 0~50 cm土壤含水率分别提高了1.1%,1.3%,2.2%,2.9%,1.6%,随土层深度的增加,土壤含水率明显提升.相比处理CK,夏季单一覆盖处理使0~25 cm土壤温度降低了0.8~2.5 ℃,而F+B组合覆盖处理土壤温度升高了0.9 ℃,同时覆盖处理缩小了温度日变化0.9~2.1 ℃,处理F尤为显著.各覆盖处理使猕猴桃单果质量提高了0.1%~7.7%,同时可提高糖酸比3.8%~33.6%.防草布覆盖既可改善猕猴桃土壤的水热环境,又能提高猕猴桃的产量与品质,是该区果园管理较适宜的覆盖方式.
2022 Vol. 40 (2): 188-195 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 1596KB] ( 483 )
196 李玥,王春霞*,金嫣婧,何新林
残膜对土壤水分渗吸过程中湿润锋的影响
采用室内水分渗吸试验,通过设置6个残膜面积水平,分别为0.25,0.50,1.00,2.00,4.00,8.00 cm2,和4个残膜密度水平,分别为60,180,300,420 kg/hm2,以无膜作对照,共25组试验处理,分析了不同残膜密度及尺寸对湿润锋的运移的影响.分析结果显示,在容重为1.53 g/cm3的黏壤土中混入残膜加快了土壤入渗过程,起到了促渗作用;且随着残膜密度的增大,入渗历时的最大值和最小值对应的单片残膜面积随之增大,促渗效应逐渐减弱;土壤中残膜密度较低时,残膜面积对湿润锋运移深度的影响程度大于残膜密度,残膜密度较高时,残膜密度的影响力增强;单片残膜面积为0.25 cm2时,随着残膜密度的增加,入渗历时先减小后增大,在180 kg/hm2处达到最小值;在土壤中均匀混入单片面积小于等于0.25 cm2的残膜后,形成了新构土壤,具有独特的物理性质.
2022 Vol. 40 (2): 196-203 [摘要] ( 53 ) [HTML 1KB] [PDF 2963KB] ( 440 )
排灌装备制造技术
204 李岩*,董笑宇,郭文峰,张影微,
面向风力机叶片的平板超声微振动除冰
为了利用超声波产生的微振动研究叶片除冰,采用仿真和试验的手段对平板超声除冰进行研究.基于ANSYS仿真分析了铝板结冰体1阶振型固有频率随冰层厚度的变化规律.谐响应分析了在不同冰层厚度条件下冰层黏着面最大剪应力随激励频率的变化情况,分析了激励电压对冰层黏着面剪应力和除冰面积的影响规律.在此基础上,设计并搭建了超声振动除冰试验系统,测量了在超声振动作用下的冰层黏着力.仿真结果表明,当冰层黏着面剪应力呈均匀且正负交替分布规律时,除冰面积比最大,适用于超声波振动除冰.试验结果表明,超声振动可以显著减小冰层黏着力,最小黏着力仅为无超声振动条件下的23.7%.研究可为超声微振动技术在风力机除冰领域的应用提供理论与试验基础.
2022 Vol. 40 (2): 204-210 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 38118KB] ( 364 )
211 张中华,孙修东,谢锦平,李华,张冬菊,蒋亭亭,吕名礼*,华琳
微喷灌稳流器流道水沙两相流数值模拟
针对微喷灌压力补偿灌水器流量调节不稳定、流态指数不达标的难题,设计一种结构紧凑,适用于微喷灌大流量的稳流流道结构,并通过数值模拟分析流道结构的消能机理和抗堵塞性能.应用ANSYS FLUENT软件,采取RNG k-ε模型获得消能流道内的压力场、速度场、涡量场以及颗粒物沉积分布情况.结果显示,流场结构的自冲洗性能优良,流道内局部沙粒浓度最高不超过8.5%,300 kPa工作压力下的抗堵塞性能最好.流道内部的涡量是反映含沙量的重要参数,涡量值与沙粒浓度成反比.W型圆弧流道及变径流道结构可以增加流体的紊动程度,有效地消能稳流,使灌水器在大流量下保证稳定良好的水力性能.研究结论为压力补偿灌水器的内部流道结构的优化提供了一定的参考.
2022 Vol. 40 (2): 211-216 [摘要] ( 49 ) [HTML 1KB] [PDF 1929KB] ( 477 )
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协办单位
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编辑出版
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