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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 9期
刊出日期：2022-09-25
泵理论与技术
水利水电工程
流体工程
农业水土工程
容积泵设计及应用
   
泵理论与技术
1
 封面
 
2022 Vol. 40 (9): 1- [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 29242KB] ( 301 )
2
 目录
 
2022 Vol. 40 (9): 2- [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 1349KB] ( 301 )
865 王玥,芦鑫,王凯*,刘厚林,谈明高
离心式消防泵内流特性
为了研究离心式消防泵外特性、内流特性及空化特性,基于RNG k-ε湍流模型对某一比转数为24.7的离心式消防泵不同工况下的内部非定常流动进行数值模拟.结果表明:在关死点工况下,离心泵消防泵叶轮内部产生大量的失速旋涡,尤其在叶轮出口位置出现面积较大且极高湍动能的涡核分布,严重影响流道的通流能力,且造成较大的能量损失;随着流量增大,流道内的旋涡逐渐消失,流场趋于稳定,涡核分布基本保持稳定且对称;随着流量持续增大,离心式消防泵轴向力逐渐增大,在极小流量和极大流量工况下的轴向力波动相对较强;随着流量增大,径向力逐渐降低,且不同工况下径向力的矢量分布均呈现六齿形分布;随着流量的增大,离心式消防泵扬程特性曲线受空化的影响更加明显,随扬程曲线开始下降时的NPSHR也逐渐增大,但下降速度相对较慢.
2022 Vol. 40 (9): 865-873 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 9666KB] ( 347 )
874 雷刚*,徐雪汉,谭巍,杨联林,王虎银
基于STARCCM+的离心式冷却水泵叶轮优化设计
为解决汽车冷却水泵叶轮在设计优化中存在设计周期长、优化方法不明确等问题,基于离心泵设计与计算流体动力学(CFD)理论,设计一种半开式叶轮并进行优化.首先确定叶轮各项结构参数并通过三维建模软件CATIA V5对水泵进行实体的初步建模,然后利用CFD计算软件STARCCM+对水泵设计模型进行性能仿真分析,得到水泵截面的绝对压力云图、相对速度矢量图以及湍动能分布图,最后通过MATLAB遗传算法工具箱以水泵总的能量损失最小为目标对叶轮进出口宽度、进出口直径、进出口角度等主要结构参数进行优化,从而得到水泵叶轮最佳设计参数.研究结果表明:通过对多个工况点下优化前后冷却水泵性能仿真对比,MATLAB遗传算法工具箱在对水泵的优化过程中起到重要的作用,在寻找叶轮结构参数最优组合具有明显优越性,且结果合理可靠,经叶轮优化后的水泵性能优良,额定工况下水泵效率提高了2.3%.
2022 Vol. 40 (9): 874-879 [摘要] ( 22 ) [HTML 1KB] [PDF 1934KB] ( 1252 )
容积泵设计及应用
880 曹文斌*,刘雨聪,白桂香,曹泽钰
主动减震系统摆线泵卸荷槽的流场特性
针对传统摆线泵转速恒定且转速低,应用于主动减震液压悬架系统宽转速运行工况时,存在压力脉动大、容积效率低的问题,从摆线泵配流副结构参数的角度,研究宽转速工况下配流副齿形圆卸荷槽对其流场特性的影响.通过建立不同结构形式的齿形圆卸荷槽配流副三维模型,研究不同齿形圆卸荷槽在变负载及变转速工况条件下的压力脉动及容积效率.研究结果表明:负载条件一致时,高转速工况下齿形圆卸荷槽可提高摆线泵容积效率、降低输出压力脉动,同时增大摆线泵入口压力能够有效提高其容积效率;当转速为5 000 r/min时,无卸荷槽的容积效率为91.8%,全齿形圆卸荷槽摆线泵的容积效率为92.3%;全齿形圆卸荷槽摆线泵输出压力脉动小于无齿形圆卸荷槽摆线泵压力脉动,2种结构对应的摆线泵在宽转速范围内的压力脉动最大差值为0.71%;恒转速时,负载压力越大,摆线泵容积效率越小,压力脉动值越小.
2022 Vol. 40 (9): 880-886 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 2463KB] ( 495 )
887 李少年*,杨攀,包尚令,李毅
高压大排量径向柱塞泵滑靴副流固热耦合数值模拟
针对高压大排量径向柱塞泵滑靴副油膜的摩擦与润滑失效问题,在充分考虑油液的弱可压缩性以及黏温、黏压特性基础上,对滑靴副流场及固体域结构展开流固热耦合数值模拟,探讨不同工况对滑靴副油膜的支承特性以及滑靴、定子结构强度变化的影响规律.研究结果表明:随着径向柱塞泵工作压力的升高,滑靴副油膜压力有较大幅度的上升,油膜的速度场与温度场基本不变;随着径向柱塞泵转速的增大,滑靴副油膜内油液的速度及温度均有较大幅度的上升,油膜的压力场基本不变;滑靴的最大变形与应力均出现在滑靴副中心油腔底部的阻尼孔出口边缘,该部位几何结构较薄,且承受中心油腔高压油压力载荷与温度载荷,是整个滑靴结构中强度最薄弱的部分;同时,黏性摩擦产热导致的油膜温升对滑靴副的结构强度有较大影响,也是限制柱塞泵转速提升的一个重要因素.研究结果可为高压大排量径向柱塞泵滑靴副优化设计提供一定的参考.
2022 Vol. 40 (9): 887-894 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 4306KB] ( 1142 )
895 潘诗洋,赵利壮,李雪琴,王君*,赵胜,王增丽,耿茂飞
双螺杆泵多点啮合型转子设计与内部流动特性
针对传统双螺杆泵螺杆转子螺旋面啮合区磨损严重、内泄漏大等问题,根据啮合原理,建立椭圆弧及其共轭曲线的啮合模型,构建传动比为2∶3的主从螺杆端面型线,提出一种新型多点啮合型螺杆转子结构.应用计算流体动力学方法对新型双螺杆泵内部流场进行数值计算,研究了泵内部流动特性.研究结果表明:所提出的新型螺杆转子在轴截面上可实现三点啮合,在双螺杆转子上形成多重密封;采用V形凹槽的主螺杆转子齿顶压力分布均匀,采用传统结构的从螺杆转子齿顶处压力分布呈阶梯状;从螺杆转子周向啮合间隙处泄漏速度为主螺杆转子的1.8倍,表明主螺杆转子齿顶V形凹槽两侧的光滑顶棱与泵腔内壁面形成的类迷宫密封可有效减小周向啮合间隙处的泄漏;新型螺杆转子较大改善转子的磨损适应性,有效减小了双螺杆泵的内泄漏,对提高双螺杆泵的高压环境适应能力具有重要意义.
2022 Vol. 40 (9): 895-901 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 6359KB] ( 427 )
水利水电工程
902 康俊锋,胡祚晨,陈优良*
基于布谷鸟搜索算法优化LSTM的大坝变形预测
对大坝变形进行合理分析和准确预测是确保大坝安全运行的重要手段.大坝变形监测数据具有趋势性、周期性、随机性和非线性等特性,现有的机器学习模型大都基于大坝变形监测数据的非线性特点进行构建,而忽略了监测数据还具有趋势性和周期性的线性特征.提出了一种大坝变形预测模型,通过采用布谷鸟搜索算法(CS)对长短期记忆人工神经网络(LSTM)进行优化,再基于物联网传感器的实时监测数据,使用局部加权回归的周期趋势分解方法(STL)将数据分解成趋势分量、周期分量和余项分量,采用优化后的LSTM模型对趋势分量和余项分量分别进行预测,并通过简单周期估计方法进行计算,将3个分量的预测结果求和后得到最终变形预测结果.试验选取浙江利山水库开展变形预测研究,结果表明:STL-CS-LSTM模型的水平和沉降变形预测精度都高于其他模型,水平位移预测精度由高到低依次为LSTM模型、支持向量回归模型SVR和人工神经网络模型ANN,沉降预测精度由高到低依次为ANN模型、LSTM模型、SVR模型.
2022 Vol. 40 (9): 902-907 [摘要] ( 14 ) [HTML 1KB] [PDF 3212KB] ( 457 )
908 董伟,付前旺,刘鑫*,王栋,王雪松,计亚静
水和氯离子在风积沙混凝土中的迁移规律
为解决中国西北部地区普通河砂资源匮乏问题,利用库布齐沙漠风积沙等质量替代普通河砂作为细骨料配制风积沙混凝土.研究不同水胶比、不同浓度NaCl溶液对风积沙混凝土中水分和氯离子渗透规律的影响,通过分层钻孔取粉和化学滴定的方法测定氯离子含量,探讨毛细作用下水分和氯离子传输之间的联系.结果表明:水分作为氯离子传输的媒介,氯离子的侵入深度远小于水分的侵入深度,两者传输呈现非同步性;毛细吸收28 d后,风积沙混凝土水胶比为0.55的试块水分侵入深度约为氯离子侵入深度2倍,水胶比为0.45和0.40的风积沙混凝土试块水分侵入深度大约为氯离子侵入深度1.5倍;毛细吸收超过7 d时,水胶比为0.55的风积沙混凝土试块内部生成大量盐结晶,减缓水分侵入速率;在毛细吸盐前期阶段,风积沙混凝土试块内部水分和氯离子侵入深度近似呈线性关系,随着毛细吸收时间的推移,水分在其基体内部迁移速率减小,在高浓度梯度作用下氯离子以扩散方式继续向更深处渗透;当毛细吸盐浓度超过6%,风积沙混凝土试块内部氯离子侵入量不再随NaCl浓度的增大而增大.该研究可为风积沙混凝土在中国西北地区水利工程耐久性研究提供一定的理论依据.
2022 Vol. 40 (9): 908-914 [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [PDF 2194KB] ( 343 )
流体工程
915 洪锋,薛环铖,张帆,胡涛*
不同亚格子模型在水翼云空化数值计算中的适用性分析
为了研究不同亚格子模型在计算绕二维Clark-Y水翼非定常空化流动中的适用性,基于均相流假设及Zwart空化模型,并分别利用Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity(WALE),Smagorinsky-Lilly,Algebraic Wall-Modeled LES Model(WMLES)及Dynamic Kinetic Energy Subgrid-Scale Model(KET)4种不同亚格子模型对控制方程组进行封闭.得到了云空化时不同亚格子模型预测的翼型升阻力系数、不同位置处流场时均速度分布、空泡形态周期性变化等非定常流动特征,并与相应试验数据进行对比.研究表明:与其他亚格子模型的预测结果相比,WALE模型模拟得到的平均升力系数与试验测量值最吻合,二者相对误差仅在1%以内,且其预测的瞬时升力系数与相应试验值也呈现较为一致的震荡规律;WALE模型能更准确地捕捉云空化阶段空泡非定常演变特征,包括翼型前缘附着型空穴增长,以及在回射流作用下片状空泡的断裂和云空泡脱落行为.基于WALE模型的计算结果,采用Q准则表达了水翼空化尾迹的旋涡结构,发现空泡的脱落及云状空泡的形成诱发了旋涡产生.
2022 Vol. 40 (9): 915-920 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 2083KB] ( 692 )
921 金浩哲,段奥强,刘骁飞,王超*
直流式迷宫调节阀流道降压流动特性及临界空化预测
针对高降压、高速流的直流式迷宫压力调节阀阀芯内部流道空化损伤失效现象,基于临界空化压力预测方法进行流体力学计算,结合Mixture多相流中的Schnerr-Sauer空化模型和Realizable k-ε湍流模型,数值模拟了偶数级数2N(N=1,2,3,4)流道在不同出口压力(0.1~0.8 MPa)下的临界空化进口压力,并分析了八级流道的压力、速度、相分率等参数的变化规律.研究结果表明:除进口级数外,流体经过垂直于进口流动方向的级数后才会产生旋涡,旋涡的产生会导致能量耗散和降压;在出口近壁面处,旋涡形成的低压区低于流体的饱和蒸气压,发生了局部空化;相同流道级数递增出口压力下的临界空化压差呈现线性函数增长趋势;相同出口压力递增流道级数下的临界空化压差呈现指数函数增长趋势.因此,可根据涡流能量耗散降压原理及临界空化线性、指数趋势线方程在改进优化迷宫流道结构设计促进涡流产生的同时选择合适的工况压力和流道级数来避免空化.
2022 Vol. 40 (9): 921-927 [摘要] ( 20 ) [HTML 1KB] [PDF 3799KB] ( 420 )
928 郭绘娟,汪昊蓝,郑源*,石俊峰,阚阚
基于正交试验法的微型管道水轮机优化设计
针对感应水龙头使用的干电池带来的环境污染问题,设计研发出了1种微型管道水轮机,初步确定其各过流部件的形状和尺寸,对该水轮机进行多目标优化正交试验,确定了最优试验方案,并进行物理模型试验研究.该微型管道水轮机通过水流和水轮机之间相互作用,将其旋转机械能传递给发电机,产生供水龙头使用的电能.基于正交试验优化理论,在设计流量下,水轮机出力为6.30 W,与初步设计方案相比提高了32.35%,效率为85.13%,提高了2.58%,优化后水轮机出力和效率均达到设计需求.极差分析结果表明:水轮机出力随着叶片数的增加先增大后减小,随着固定导叶数的增加而增大,随着固定导叶开度的增大而减小,对称导叶叶型出力最大;其效率随着叶片数的增加而增大,随着固定导叶数的增加而增大,随着固定导叶开度的增大先增大后减小,负曲度导叶叶型效率最高.研究结果为微型管道水轮机设计和优化提供一定的参考.
2022 Vol. 40 (9): 928-935 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 186 )
农业水土工程
936 杨斌环,崔宁博*,何清燕,姜守政,郑顺生,黄耀威
西南湿润区微灌猕猴桃园不同尺度光利用效率与驱动因子
为揭示中国西南湿润区猕猴桃园不同尺度光利用效率(LUE)的变化规律,探明生理、环境和植被因子对猕猴桃园不同尺度LUE的影响机理,以四川省蒲江县猕猴桃果园为研究对象,于2018—2020年采用涡度相关系统(EC)开展了连续3 a的水热碳通量综合观测,研究了猕猴桃叶片尺度瞬时光利用效率(LUEi)、冠层尺度光利用效率(cLUE)和生态系统尺度光利用效率(eLUE)的变化规律,并采用通径分析方法量化了生理因子［净光合速率(Pn)、气孔导度(gs)］、气象因子［总辐射(Rg)、光合有效辐射(PAR)、空气温度(Ta)、H2O浓度(CH2O)、CO2浓度(CCO2)、2 m处风速(U2)、水汽压差(VPD)］、土壤水分因子(土壤体积含水率(SWC)］和植被因子［叶面积指数(LAI)］对猕猴桃园不同尺度LUE的总影响.结果表明:猕猴桃LUEi随PAR增大而降低,变化范围为0.006~0.026 μmol/μmol;猕猴桃cLUE和eLUE月平均日内变化均呈先减后增的“U”形,月累积cLUE与eLUE变化幅度分别为0.77~2.67和0.58~1.63 g/MJ, 两者变化趋势基本一致且未呈现明显的季节性变化.叶片尺度LUEi主要受气象因子(PAR)和生理因子(Pn)影响并具有统计学意义,PAR和Pn对LUEi分别具有显著的直接影响(量化值为-0.99)和间接影响(量化值为-0.81);冠层尺度cLUE和生态系统尺度eLUE均受气象因子(Rg,Ta和VPD)以及植被因子(LAI)影响并具有统计学意义,其中Rg和VPD主要通过影响光吸收过程以影响eLUE和cLUE,而Ta和LAI则通过碳同化过程以影响eLUE和cLUE.
2022 Vol. 40 (9): 936-944 [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 1968KB] ( 372 )
945 李国齐,吴汉*
免耕与秸秆还田对直播稻产量及水分利用的影响
于2017—2018年连续2年设置了翻耕+秸秆不还田(CT+NS)、翻耕+秸秆还田(CT+S)、免耕+秸秆不还田(NT+NS)、免耕+秸秆还田(NT+S)4种处理,研究免耕与秸秆还田对直播水稻的产量及水分利用的影响.试验结果表明,NT+S下直播水稻的产量为9.08~9.63 t/hm2,与CT+NS和CT+S的差异不具有统计学意义,而较NT+NS显著增加了10.05%~13.36%.与CT+S相比,NT+S的需水量显著下降了5.17%~7.24%,达到555.0~576.7 mm.2年间均以NT+S的水分生产率最高,分别为1.63和1.67 kg/m3,较NT+NS显著增长了12.90%和11.56%.与NT+S相比,CT+S的水分生产率无显著变化;CT+NS的水生产率在2017年显著低于NT+S,而在2018年差异不具有统计学意义.
2022 Vol. 40 (9): 945-951 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 2343KB] ( 451 )
952 吴克倩,肖让,赵文举*,张永玲,邓浩亮,俞海英,邱振鑫
降解地膜对河西干旱区土壤水热及制种玉米产量的影响
以制种玉米为供试材料,研究了诱导期分别为2,3,4个月的白色(WD1,WD2,WD3)和黑色(BD1,BD2,BD3)降解膜以及普通白膜覆盖(CK)对制种玉米土壤水热及产量的影响.结果表明:相同诱导期下,黑色降解膜的降解等级高于白色降解膜;土壤贮水量在灌浆期和成熟期,降解膜覆盖处理比CK低2.2%~7.5%和2.3%~7.0%,吐丝期BD2的土壤贮水量比CK高8.0%;可降解地膜覆盖在拔节期、吐丝期、灌浆期和成熟期,土壤日最高温度比CK低0.1~1.5,0~1.2,0.1~1.3和0.9~1.9 ℃,并且降解地膜诱导期越早,对地温影响越大;BD3成熟期的冠部湿基含水率比CK高3.2%;不同降解膜覆盖作物的产量和水分利用效率与CK相比较,BD3具有增产效应,产量和水分利用效率分别比CK高6.8%和4.7%.
2022 Vol. 40 (9): 952-958 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 2099KB] ( 390 )
959 游琪,杨启良
不同排水体对三七生长、土壤养分及根区土壤微生物的影响
为探究适宜三七种植的排水体,通过大田试验,设计了3种排水体处理:桉树皮(SP)、玉米秸秆(YM)、烟杆(YG),研究了排水体埋设深度为20 cm时,三七各生育期的生长、土壤微生物数量及养分含量状况.结果表明,与对照组CK相比,不同排水体处理下三七的生长指标、土壤速效养分含量及土壤微生物数量均显著增加;排水体对埋设深度附近的土壤具有一定的增肥保肥作用,灌后1 d和7 d在0~40 cm土层,土壤含水率按处理排序由大到小均表现为CK,YG,SP,YM;添加排水体对降低三七发病率作用更明显,与对照组CK相比,处理YM下三七发病率显著降低了34.67%;经综合比较,玉米秸秆作三七田排水体为试验条件下的最佳方案.
2022 Vol. 40 (9): 959-965 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 2170KB] ( 358 )
966 杨睿,范军亮*,赖珍林,许新宇
河西地区滴灌春玉米对不同灌溉决策方法的响应
基于3种灌溉决策方法(土壤水分、蒸散量、土水势),设置10个灌溉处理(CK,W1,W2,EP100,EP80,EF100,EF80,P25,P45,P65),研究不同灌溉决策方法对河西地区春玉米生长、产量及水分利用效率WUE的影响.结果表明:基于土壤水分、蒸散量、土水势调控灌溉下产量最高的处理分别为CK,EP100和P25;处理CK的产量比EP100和P25分别增大6.90%和8.28%.CK的春玉米生长和干物质积累最优,但是耗水量最大,为718.54 mm,比EP100增大26.13%和11.57%.处理EP100的产量显著低于CK,但WUE显著高于CK.处理P25较CK和E P100灌水次数多,产量和水分利用效率表现均不突出.处理EP80和EP100的产量和WUE差异不具有统计学意义.综合考虑产量、水分利用效率和灌溉决策方法的适用性,基于过去蒸散量调控灌溉,每周灌水定额为80%ET0(EP80)是最适合河西地区春玉米高效稳产的灌溉决策方法.
2022 Vol. 40 (9): 966-972 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 1711KB] ( 364 )
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