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排灌机械工程学报
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排灌机械工程学报
 
2023年 41卷 6期
刊出日期：2023-06-25
泵理论与技术
水利水电工程
流体工程
农业水土工程
封面及目录
应急供水技术与装备
   
封面及目录
1
封面
2023 Vol. 41 (6): 1- [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [PDF 25849KB] ( 267 )
2
目录
2023 Vol. 41 (6): 2- [摘要] ( 8 ) [HTML 1KB] [PDF 1259KB] ( 174 )
泵理论与技术
541 李正贵,王冬*,李德友,李琪飞
基于熵产-涡量的水泵水轮机转轮能量损失特性
为探究水泵水轮机组因频繁改动活动导叶开度而引起的机组不稳定运行机理,基于熵产理论与涡量理论,采用数值模拟与试验相结合的方法,针对水泵水轮机小流量、高效率和大流量这3种工况开展能量损失特性分析.结果表明:随着活动导叶开度的增加,转轮区域总涡量值增大,高涡量值分布区域及主流区熵产率先减小后增大,壁面熵产率增大;能量损失与流态紊乱程度呈正相关,转轮区域的旋涡流、冲击、摩擦等现象是引起能量损失的重要原因.对相同工况模型进行试验,其结果与数值模拟结果类似,此研究结果为水泵水轮机的设计与效率提升提供了重要依据.
2023 Vol. 41 (6): 541-548 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 7531KB] ( 177 )
549 王希坤,张曼*,张德胜
高扬程双吸泵交错叶片的压力脉动及流固耦合数值模拟
为探究高扬程双吸离心泵交错叶片的压力脉动规律和流固耦合作用,基于DFES4-350型中开式双吸泵,分别对其原始叶轮和两侧叶片呈0°,30°交错分布叶轮进行研究.通过试验测试得到泵的外特性数据;利用ANSYS CFX对3种叶轮的流场进行定常计算,预测双吸泵的性能;通过非定常计算分析蜗壳流道内静压分布;采用ANSYS Workbench进行流固耦合计算,分析不同叶片布置结构对叶轮的变形与应力影响.结果表明:数值模拟结果和试验结果之间的误差在可接受范围内,验证了数值模拟的准确性;在各个工况下,采用原始叶轮和0°交错叶片叶轮蜗壳内压力脉动较大,采用30°交错叶片叶轮蜗壳内压力脉动大幅度降低,同时脉动主频向2倍叶频转移;当叶片交错0°时,叶轮加装了中间盖板,降低了叶轮的集中应力值,同时变形量较原始叶轮也有所降低;当叶片交错30°时,应力进一步降低,但由于两侧叶片不对称,使得叶轮变形较原始叶轮稍微有所增加.
2023 Vol. 41 (6): 549-555 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 6121KB] ( 190 )
556 李亚林,*,尤晓柏,徐慧,郑峰
基于正交设计方法的复合式叶轮优化设计
为了提升新型洗碗机用开放式水泵的水力性能,基于正交优化设计方法对新型开放式水泵核心部件复合式叶轮进行优化设计.选取叶片出口宽度、叶片数和后盖板高度作为设计参数,基于L25(56)正交表的极差分析对正交试验的结果进行对比,获得不同参数对开放式水泵扬程和效率的影响规律.研究结果表明:参数因素对扬程和效率的影响主次顺序依次为叶片数、叶片出口宽度和后盖板高度;正交优化的最优方案是叶片数为8,叶片出口宽度为16.33 mm,后盖板高度为8.5 mm;优化后方案与原方案对比,设计工况下水泵扬程提高了14.84%,效率提高了15.25%;模拟结果表明,优化后的叶轮内部流动得到明显改善,流道内压力变小,叶轮出口流速有所降低,流动损失减小,旋涡减少.研究结果揭示了3个参数影响规律,为开放式水泵复合式叶轮水力设计提供了参考依据.
2023 Vol. 41 (6): 556-561 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 4948KB] ( 219 )
水利水电工程
562 张城芋,陈四利*,江双双,段新超
干湿与冻融耦合作用下稻壳灰水泥土疲劳特性
针对水泥土路面基层在反复荷载作用下疲劳性能的问题,利用全试验方法研究了稻壳灰水泥土疲劳寿命随不同稻壳灰掺量、干湿循环次数、冻融循环以及干湿循环与冻融循环耦合作用下的变化规律,并借助扫描电镜对稻壳灰水泥土内部微观结构变化及机理进行了分析.研究结果表明:稻壳灰水泥土的疲劳寿命随稻壳灰掺量及干湿循环次数的增加均呈现先变长后变短的趋势,干湿循环次数为7次时,疲劳特性最优,稻壳灰最优掺量为12%;而稻壳灰水泥土的疲劳寿命随冻融循环次数增加而逐渐变短.在干湿与冻融环境耦合作用下,稻壳灰水泥土疲劳寿命随作用次数的增加而逐渐变短.微观分析表明,稻壳灰中大量活性物质SiO2与水泥水化反应生成的Ca(OH)2发生二次水化反应,生成更多胶凝物质C-S-H,其对盐溶液中SO2-4的侵蚀有抑制作用.研究结果为稻壳灰水泥土在实际工程中的应用提供了坚实的理论基础.
2023 Vol. 41 (6): 562-567 [摘要] ( 8 ) [HTML 1KB] [PDF 16011KB] ( 165 )
568 刘伟,邹春霞*,薛慧君,郭晓松,孙浩然,宋育鑫
渠道衬砌混凝土冻融风蚀耐久性能及寿命预测
为探究内蒙古河套灌区渠道混凝土衬砌在冻融循环与风沙吹蚀不利环境下的耐久性能,采用固体废弃物粉煤灰和硅粉替代部分水泥制备渠道混凝土试样,利用快冻法和气流挟沙法模拟野外服役环境,借助超景深三维显微镜观测风沙吹蚀面破坏形态,运用核磁共振探究孔隙结构变化.结果表明:风沙吹蚀混凝土,表层浆体脱落严重,黄河水及盐离子易进入混凝土内部孔隙中,冻融循环加速冻胀和盐侵,有害孔和多害孔逐渐形成贯通裂缝,质量和动弹性模量损失严重,加速了混凝土的冻融破坏.双掺合料有助于增加表面密实度,提高了内部胶凝性,使渠道混凝土抗冻融和冻融-风蚀耐久性显著提高.基于物质衰变理论,以相对动弹性模量为评价指标建立混凝土冻融-风蚀作用寿命预测模型,计算得出复掺粉煤灰硅粉的F15S4较单掺粉煤灰服役寿命提高1.3倍.研究结果为灌区周边固体废弃硅粉-粉煤灰在渠道混凝土中的推广应用提供了理论基础,为配制适合河套灌区特殊服役环境的渠道衬砌提供基础研究.
2023 Vol. 41 (6): 568-575 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 6835KB] ( 167 )
流体工程
576 代元军,*,郭程,李保华,姜金榜,王聪
离心力和气动力载荷对风力机叶片应变特性的影响
以小型水平轴风力机为研究对象,基于三维数字散斑相关法(3D-DSCM,3D digital speckle correlation method)对风力机叶片进行了切应变测量.试验主要解决了风力机叶片在高速旋转和高频振动下叶片表面微小形变产生应变不利于测量的问题;从可靠性来看,试验采用高帧率数字散斑法利用的高帧率相机连续采集照片,对分析叶片在连续工况下的离面位移精度可达到0.002 9 s内叶片的位移变化的测量.结果表明:叶片结构应变集中区域为距离叶根半径0.7R处,其应变值超过其他位置9.5%~19.3%;随着离心力载荷、气动力载荷增大,叶片应变都增大,而离心力载荷是引起叶片应变增大的主要因素;叶轮发生共振时,共振策动效应使叶片产生交变应变,其交变循环规律恶化、应变幅值成倍增加;另外,共振策动力在叶根部位产生震源效应,引起叶片应变沿弦展方向逐渐增大.
2023 Vol. 41 (6): 576-582 [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [PDF 6158KB] ( 188 )
583 王玺,王新坤*,姚吉成,孟天舒,靳彬彬,颜海兰,黄建翔
小流量负压反馈射流喷头结构设计及试验研究
为进一步完善国产射流脉冲喷头设计理论体系,文中设计并测试了一种适用于小流量工况下射流进口宽度为2 mm的负压反馈射流喷头.首先采用单因素分析重新确定了喷头关键设计参数位差比、劈距比和侧壁倾角的有效设计区间,进一步以进口流量、出口流速和射程作为评价指标,进行九因素四水平正交试验,得到喷头内部最优结构参数,并加工样机进行试验验证.结果表明:在小流量工况下负压反馈射流喷头的重要结构尺寸设计区间变小,采用熵权法和极差分析法进行分析,确定了应用于小流量工况下负压反馈射流喷头的重要结构尺寸取值范围,发现射流进口深度成为影响其脉冲性能和水力性能最重要的因素,数值分析结果与试验高度吻合;分别与国家标准和国外产品相比,在进口流量一致的情况下射流脉冲喷头的射程同比提升17.3%~23.5%和19.1%~20.0%.文中为该型国产喷头后续研究与产品开发提供了可借鉴的思路与方法.
2023 Vol. 41 (6): 583-590 [摘要] ( 12 ) [HTML 1KB] [PDF 5959KB] ( 165 )
农业水土工程
591 仵峰,王浩宇,宰松梅,*,刘生东,罗昕,张梦瑶
秸秆复合管埋设参数
以开沟参数(深、宽)及回填土容重为试验因素,在室内进行了3因素3水平正交试验,依据剖面土壤湿润体、水分分布均匀度、土壤湿润比等,研究了秸秆复合管埋设参数的合理性.结果表明:秸秆复合管灌水后湿润体剖面形状近似为一个半椭圆形,其中,短轴为水平方向运移距离,长轴为垂直地面方向运移距离.当沟深为20 cm,沟宽为15 cm,回填土容重为1.1 g/cm3时,秸秆复合管灌溉的储水率最大;当沟深为10 cm、沟宽为25 cm、回填土容重为1.2 g/cm3时,灌水均匀度最高;当沟深为20 cm、沟宽为25 cm、回填土容重为1.3 g/cm3时,土壤湿润比最大.综合考虑秸秆复合管的灌溉储水率、水分分布均匀度和土壤湿润比可以得出,沟深对灌溉效果影响最优.当沟深为20 cm、沟宽为25 cm、回填土容重为1.3 g/cm3时,秸秆地下灌溉的灌溉效果最好,即此埋设参数较为合理.以上结论可为秸秆地下灌溉时秸秆复合管的合理埋设提供一定的参考依据.
2023 Vol. 41 (6): 591-596 [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 3766KB] ( 165 )
597 张健利,王振华,*,刘茹华,马凯,
水肥互作对滴灌红枣耗水及产量的影响
探究生物有机肥和灌水量对南疆干旱地区滴灌红枣耗水规律及产量的影响,提出适宜南疆滴灌红枣的最佳水肥(生物有机肥)组合模式.通过田间试验,设置2个灌溉水平(W1:6 000 m3/hm2,W2:6 600 m3/hm2),3个基施施肥水平(S1-S2-S3:1 200-1 650-2 100 kg/hm2),以不施生物有机肥作为对照(W1CK,W2CK),共8个处理.结果表明,同一灌溉水平下,随生物有机肥施用量的增加,红枣耗水量和0~150 cm土壤含水率、土壤有效钾、速效磷、铵态氮质量分数从大到小均表现为S3,S2,S1,CK.相同施肥(生物有机肥)水平下,各生育期红枣耗水量和0~150 cm土壤含水率从大到小均表现为W2,W1,但0~150 cm土壤养分含量从大到小表现为W1,W2,其中W2较W1灌溉水平0~150 cm土壤有效钾、速效磷、铵态氮质量分数分别减少了6.25%,6.43%,2.21%.与处理CK相比,W1和W2灌溉水平下施加生物有机肥产量分别增加了4.65%~19.83%和8.17%~19.08%.各处理对比中,处理W1S3较处理W2CK产量增加了6.21%,且收益高于处理W2CK.基于南疆地区水资源短缺,水肥易于流失的特点,W1灌溉水平下(6 000 m3/hm2)配施高量生物有机肥(2 100 kg/hm2)是适宜于南疆干旱地区滴灌红枣的节水高产水肥组合模式.
2023 Vol. 41 (6): 597-604 [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [PDF 4957KB] ( 193 )
605 侬文莲,李秀芳,吴世清,邵光成*,高阳
咸水灌溉下生物炭对玉米光合特性及产量的影响
为充分利用咸水资源,采用避雨棚桶栽玉米试验,研究了淡水,4,5,6 g/L这4个灌水矿化度和0%,2%,5%这3个生物炭施用量对玉米叶片叶绿素含量、净光合速率和荧光参数等光合特性指标,以及植株籽粒产量和水分利用效率的影响.试验结果表明:与淡水灌溉相比,咸水灌溉下,玉米叶片叶绿素含量降低了4.07%~19.62%,净光合速率降低27.23%~57.46%,叶片初始荧光产量F0逐渐增大,而Fm和Fv/Fm逐渐减小,光合作用受到抑制,玉米单株籽粒产量降低8.42%~36.03%,水分利用效率降低4.81%~33.96%;施加生物炭可以缓解咸水灌溉带来的盐分胁迫影响,促进玉米叶片光合作用,提高作物的CO2和光能利用潜力,增加玉米籽粒产量、干物质质量及水分利用效率.综合考虑其增益效果和经济性,处理B2S4的缓解效果最佳,可为咸水灌溉的实际生产提供参考.
2023 Vol. 41 (6): 605-613 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 6151KB] ( 171 )
应急供水技术与装备
614 邓凡杰,司乔瑞,李方忠,王鹏,杨海龙,袁寿其*
山区和边远灾区应急供水系统提水装备发展现状
为提升中国山区和边远地区应急供水保障能力,针对山区和边远灾区应急供水中“提水”环节所需的各套装备的国内外发展历程进行了论述,介绍了目前应急装备供水体系和主要工作原理,总结了水泵、车载系统及二次加压泵站等具体救援装备的发展现状:应急提水装备涉及多个泵产品,性能与国外差距逐渐缩小,产品性价比高、型号丰富,但受限于加工制造精度和成本要求,可靠性还有待提升;基于柴油机驱动的“机-泵-管”平台针对提水泵的运行、驱动动力源的运行稳定性及高效的运行过程,不断提高车架的疲劳强度、可靠性和轻量化,但受限于繁多的零件与复杂的布置,整机的优化还有所欠缺,悬置系统从单一目标优化过渡到多目标优化,改善了乘坐体验、车厢的振动; 管道水击和管道泄漏监测都依靠于更加周全的算法和更高的求解精度,数字孪生是应急提水管网控制的趋势,依靠于物联网、5G、大数据和云计算等新技术,完成从基础数据到数字化模拟,再到指挥调度和决策支持,实现由自动化、信息化、数字化到智慧化的升级,将大大提高应急救援的效率.
2023 Vol. 41 (6): 614-624 [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [PDF 8057KB] ( 197 )
625 谢萍,张双喜,金涛勇,韦瑜,蔡剑锋,许晨
武汉市GRACE水储量变化与气象干旱关联趋势分析
通过GRACE时变重力异常反演等效水高,对比武汉站的降雨数据,估计武汉市区域水储量变化和气象干旱趋势.研究发现等效水高变化与降雨数据存在相关性,1 a周期吻合,仅相位滞后;在长周期2 a和4 a也有较好的一致性,表现为相位超前,而短周期短相关性较差.GRACE数据提炼的干旱指标GRACE-DSI反映了土壤水、层间水、地表水等陆地水的综合变化;标准化降雨指标SPI则主要反映了降雨和地表干旱情况,两者的结合更全面地反映了气象干旱程度.研究发现GRACE-DSI 指标与SPI指标在2002.8—2020.4期间的相关性可以分为3个阶段:低相关性、高相关性、再降到低相关性的阶段.特别是在2013.6—2020.4期间,GRACE-DSI 指标显示武汉市陆地水储量增加,干旱程度不断缓解,而SPI指标显示该期间多次发生降雨少、地表重度干旱的情况.
2023 Vol. 41 (6): 625-629 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 3229KB] ( 180 )
630 郭勇胜,陈红军,司乔瑞,白小榜,王鹏,袁寿其*
基于正交试验的高压应急提水泵优化设计
为了提高高压应急提水泵的水力性能,分析叶轮几何参数对泵效率的影响顺序,对BB4型多级离心泵首级叶轮和次级叶轮分别进行正交试验设计.首级叶轮需考虑抗汽蚀性能,故选取叶片前盖板流线进口安放角、中间流线进口安放角、后盖板流线进出口安放角、叶轮进口直径、叶轮外径和叶片包角等7个几何参数作为设计因素.次级叶轮选取叶轮前盖板流线进出口安放角、中间流线进出口安放角、后盖板流线进出口安放角和叶片包角等7个因素,每个因素取3个水平,共设计18组方案.采用Star-CCM软件对单级叶轮进行数值模拟,分析了叶轮内流场变化,并通过极差分析得到各几何参数对叶轮效率的影响显著.将优化后首级叶轮和次级叶轮替换成三级泵模型初始叶轮,通过数值模拟得到优化后多级泵外特性参数.结果表明:在一定范围内适当增大包角和叶片进口安放角、减小叶轮外径能提升叶轮效率,改善叶轮抗汽蚀性能;在叶轮基本尺寸不变时,适当减小叶轮进口安放角,增大包角能提高叶轮效率;分析对比优化前后外特性参数,验证了正交试验设计方法结合数值模拟能对高压应急提水泵进行优化设计.
2023 Vol. 41 (6): 630-637 [摘要] ( 8 ) [HTML 1KB] [PDF 7097KB] ( 182 )
638 曹凯,朱勇,高强*,刘金华
深度强化学习在自动控制领域研究现状与展望
针对深度强化学习在自动控制领域的成功应用以及其在泛化性、鲁棒性、可靠性等方面存在的不足,综述了深度强化学习算法的研究进展以及其在自动控制领域的应用概况.首先,简要阐述了深度强化学习算法的发展历程与基本原理;其次,将深度强化学习算法分为基于值函数和基于策略梯度2类算法,分别对这2类算法的基本原理、数学模型以及改进方法进行了系统的论述与分析;再次,综述了深度强化学习算法在无人机飞行控制、移动机器人轨迹控制、车辆自动驾驶控制以及液压伺服控制等控制领域的应用,在此基础上归纳总结了深度强化学习算法在不同控制问题中的优势与不足;最后,针对深度强化学习算法在自动控制领域面临的挑战与发展趋势进行了总结和展望,根据近年来自动控制领域前沿研究成果提出优化解决深度强化学习关键问题的研究思路并做出相应论证.
2023 Vol. 41 (6): 638-648 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 8319KB] ( 213 )
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 江苏省教育厅
主办单位
 江苏大学
协办单位
 中国农业机械学会排灌机械分会
 国家水泵及系统工程技术研究中心
 中国农业工程学会农业水土工程专业委员会
主　　编
 袁寿其
编辑出版
 《排灌机械工程学报》编辑部
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