排灌机械工程学报

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泵理论与技术

立式多级筒袋泵吸入装置的优化设计

庄保堂, 罗先武, 余伟平, 朱雷, 李映男, 许洪元

2010, 28(1): 1-6. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.001

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通过试验和数值计算,研究了立式多级筒袋泵的空化性能及泵内空化流场.为改善立式多级筒袋泵的吸入性能,分析了几种叶轮几何参数对泵空化的影响.研究结果表明:采用叶片进口断面面积较大的双吸式首级叶轮,且在首级叶轮的两侧进口加设诱导轮,大幅提高了立式多级筒袋泵的空化性能,使泵的空化比转速达1 479;基于均衡混合流假设的空化模型,可合理预测泵的平均空化性能,模拟的空化流场有助于了解水力设计诸因素对泵内空化发展的影响;在设计诱导轮及首级叶轮时,选取较大的叶片进口安放角有利于改善泵装置的吸入性能,同时有利于发挥诱导轮的功效.

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泵理论与技术

射流泵空化流动的数值模拟

龙新平，程　茜，韩　宁，蔡标华，王丰景

2010, 28(1): 7-11. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.002

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基于非稳态雷诺平均N-S方程方法（Urans），对面积比为8.16的射流泵内不同空化阶段的非定常气液两相空化流动过程进行了数值模拟，包括射流泵内空化初生、空化发展及剧烈空化等不同过程的空化流动.捕捉到了气泡从射流边界层内初生，随着主流一起向下游流动、分裂、聚合、膨胀及消失的过程，模拟结果与试验观测一致.计算所得到的初生空化数也与试验值基本一致.模拟所得到的不同出口压力下的气相体积分数分布以及汽蚀流量比的变化表明：当射流泵工作压力与吸入压力固定时，射流泵出口压力越低，汽蚀流量比越小，同时流量比越接近汽蚀流量比，空化也越严重.

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泵理论与技术

基于空化流动数值模拟的变螺距诱导轮设计

孔繁余, 张洪利, 张旭锋, 王志强

2010, 28(1): 12-17. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.003

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为了研究变距系数与变螺距诱导轮性能的关系,基于水力计算方法,通过Visual Basic 6.0对变螺距诱导轮公式编程,得出3组不同变距系数的诱导轮参数.并采用Fluent软件中的空化流动模型和混合两相流模型,实现了3个变螺距诱导轮模型内流场数值模拟,给出了其内部压力分布以及叶片吸力面空泡体积分布图.通过3组数据的比较,得到其内部流场的主要特征、螺距变化规律与诱导轮性能的关系,发现抗汽蚀性能随着变距系数的增大而变差,同时随着轴向长度的增加,产生的静压值下降.模拟结果表明,模型1抗汽蚀性能和静压值较优,并通过试验验证了配置模型1变螺距诱导轮的泵机组具有较好的抗汽蚀性能.

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泵理论与技术

基于RE/CFD带分流叶片离心泵叶轮快速开发

任乃飞，江　杰，顾佳方，许美玲，罗　艳

2010, 28(1): 18-21. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.004

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针对带分流叶片离心泵叶轮结构复杂，传统水力设计需要设计者具有丰富的经验，开发周期长，成本高，很难适应产品快速开发需求的问题，采用逆向工程技术与计算流体力学（CFD）技术相结合的叶轮快速开发方法.利用 ATOS流动式光学扫描仪对IS80-50-200型离心泵的带分流叶片叶轮进行数据测量，测量的点云导入CATIA中精确完成逆向建模，然后利用CFD软件Fluent对建立的模型进行额定工况下全流场的数值模拟来进行评价，对模拟结果中的相对速度，静压进行分析.结果表明，叶轮设计满足要求，此设计方法缩短了产品开发周期，降低了叶轮的设计成本.

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泵理论与技术

船用冷却泵的数值模拟与优化设计

刘建瑞，王董梅，苏起钦，徐永刚，张立胜

2010, 28(1): 22-24. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.005

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为了适应船用泵的发展，研制开发新型高效船用冷却泵，采用了Fluent模拟泵内流场，对CB80-65-125型船用冷却泵进行优化.模拟分析了设计工况下，叶轮优化前后，叶片背面与工作面的相对速度分布及z=0平面上的静压分布.根据模拟得到的结果，通过修改叶片进口安放角和叶片形状，对泵进行了优化设计，并对叶轮优化前后的流场进行了分析比较.对泵做了性能试验，并将试验结果与模拟结果作了对比.结果表明，叶轮内部流场和相对速度分布都得到了改善，优化后的叶轮形状更符合流动特性，泵流量和扬程都能满足要求，高效区宽，设计工况点的效率提高了3.56%.因此，结合Fluent模拟泵内流场来进行优化设计的方法是可行的.

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泵理论与技术

两段变曲率叶型离心泵设计研究

王　洋，蒋其松

2010, 28(1): 25-30. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.006

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基于Fluent泵内部全流场数值模拟及性能预测，对IS65-40-200型泵进行了两段变曲率叶型改型尝试.分析了加短叶片前后两段变曲率叶型离心泵性能的变化规律，发现加短叶片后泵的扬程明显提高且效率基本相同.对比了具有不同改型比例的两段变曲率叶型离心泵的性能，分析改型比例对泵性能的影响，确定了改型比例范围.分析了改型前后泵性能的变化规律，总结了两段变曲率叶型离心泵改型方法.提出了两段变曲率叶型离心泵的设计方法：先设计一台基础离心泵，且基础泵最高效率点的流量在小流量区域，再在此基础上改型设计.通过样机试验，验证了此设计方法的可行性.研究表明：两段变曲率叶型离心泵比同设计参数的普通离心泵尺寸小，轴向力低.

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泵理论与技术

螺旋槽流道微泵的数值模拟方法分析

唐学林, 李林伟, 苏砚文, 王福军, 黎耀军, 时晓燕

2010, 28(1): 31-37. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.007

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分别在无滑移边界条件和滑移边界条件下,采用不同的双方程湍流模型以及层流模型对微型泵内部流动进行数值模拟,研究适合微型泵的计算模型和边界条件．分别使用了3种湍流模型(标准k-ε，RNG k-ε，Realizable k-ε)和层流模型进行了数值模拟,通过对流场的速度分布和压力分布的分析发现:与无滑移壁面条件的模拟结果比较,滑移壁面条件时速度分布比较均匀,但两者压力分布趋势相同．在压力与流量间的性能曲线方面,计算结果和试验结果的比较表明,在无滑移壁面边界条件时,各种模型的计算结果与试验结果总体相差很大,同时,层流模型的计算结果较好；而在滑移壁面边界条件时,所有模型的计算结果与试验结果的误差都很小,同时,标准k-ε湍流模型和RNG k-ε湍流模型的计算结果总体要比使用层流模型稍好一些,并且当泵在高转速下趋势更明显．

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泵理论与技术

离心泵叶轮非设计工况下内部湍流流场的模拟

张　伟, 余运超, 陈红勋

2010, 28(1): 38-42. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.008

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采用ANSYS CFX 11.0软件、标准k-ε湍流模型及SST湍流模型封闭雷诺平均方程，对低比转速离心泵叶轮在非设计工况下内部流场进行了三维定常湍流数值模拟，获取了离心泵叶轮内部流场结构，此两种模型所计算出的内部流场图案与参考文献中的PIV试验结果以及大涡模拟(LES)的计算结果基本一致，获得了文献中出现的“交替失速”这一特殊的流动现象.此外，对不同直径处将本计算所得到的速度轮廓的形态与文献中的PIV及LES结果进行了比较，结果显示采用标准k-ε湍流模型及SST湍流模型能够对离心泵内部流动进行比较精确的模拟，但是在局部上与PIV试验结果有一定的偏差，并进行了初步分析，但仍需要对湍流模型进行进一步的探索和研究.

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泵理论与技术

万吨级反渗透海水淡化高压泵级数的优化选择

胡敬宁, 江　伟, 叶晓琰, 刘三华

2010, 28(1): 43-46. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.009

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反渗透海水淡化高压多级离心泵为新型轴向吸入节段式多级泵．为了提高其效率以及转子系统的稳定性,利用ANSYS有限元分析软件,对不同级数的海水淡化多级泵转子-轴承系统进行了模态分析,计算了转子系统的临界速度,研究了临界转速与级数的关系以及对数衰减率与级数的关系,并结合多级泵效率与级数的关系,讨论了海水淡化高压泵级数的最优选择．综合转子系统的稳定性和效率两方面因素,海水淡化用高压多级泵选用6级较为合适．可为设计过程中对参数的合理选择提供一些参考依据．

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泵理论与技术

半开式旋涡泵空化分析及试验

丛小青, 张晓炜, 陈向阳, 王冠军, 袁丹青

2010, 28(1): 47-50. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.010

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半开式旋涡泵采用新型的半开式叶轮,为研究其空化特性,采用基于雷诺时均方程和RNG k-ε湍流模型的单相模型对其内部流场进行数值模拟,得到了叶片表面速度和压力的分布规律,半开式旋涡泵的叶片根部是发生空化的危险区域.在对空化监测方法进行总结分析的基础上,针对半开式旋涡泵的具体特点,选择能量和噪声结合的方法进行了试验研究,结果表明,半开式旋涡泵工作性能稳定,半开式叶轮改善了旋涡泵的空化性能.在同等条件下半开式旋涡泵比闭式旋涡泵的性能有较大改善,对深入研究半开式旋涡泵的理论计算和设计提供了依据.

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泵站工程与给排水

大型轴流泵装置模型试验的压力脉动

郑　源，刘　君，周大庆，茅媛婷，刘美琴

2010, 28(1): 51-55. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.011

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为了研究轴流泵内部压力脉动在不同叶片安放角度和扬程下的变化规律及特性，结合南水北调某新建泵站，采用物理模型试验方法，在叶轮进口、叶轮出口和出水流道壁面上布置了3个压力脉动测点，通过改变模型泵的扬程进行试验，采集了转轮模型叶片安放角为±4°及0°的压力脉动信号，并进行了幅值和频谱分析.结果表明，叶轮进口处比叶轮出口处压力脉动大；随着叶片安放角度的增大，3个测点的压力脉动均有所增加，但在叶轮进口和叶轮出口，增加幅度不大.在小扬程工况下,压力脉动的频率值仍以叶片通过频率为主;在高扬程工况下,低于1倍叶片通过频率的低频脉动会随着流量的减小,幅值越来越大,并占据主导地位.

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泵站工程与给排水

供水泵站优化运行的混沌算法

鄢碧鹏，成　立

2010, 28(1): 56-58. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.012

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以机组开机状态为变量，抽水流量和调速泵调速范围为约束条件，泵站总耗能最小为目标,采取直接优化的方法，建立了供水泵站优化运行的数学模型.利用混沌优化技术，通过对定速泵的变量取整以及判断调速泵转速是否在调速范围，形成泵站开机状态变量，对等式约束采取增加惩罚函数、不等式约束通过变量尺度变换和平移办法解决.应用Matlab语言编制优化计算程序，对泵站一天实际运行数据进行优化计算，总消耗功率比经验操作可减少3.67%左右.该方法简单易行，求解精度和可靠性较高，是解决既有定速泵又有调速泵泵站优化运行的有效方法.

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节水灌溉工程

自压滴灌支管灌水单元设计方法

朱德兰, 吴普特, 李岚斌, 张　琛, 王　剑

2010, 28(1): 59-62. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.013

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摘　要：为了解决山地自压滴灌支管灌水单元水力设计问题,以滴头制造偏差、水力偏差和微地形偏差产生的综合流量偏差率作为灌水均匀度衡量标准,计算出支管灌水单元不同压力区允许水压力偏差和最大水压力,根据不同压力区支管水压力递推关系,确定出支管压力偏差分配系数,将支管单元设计转变为支管设计和毛管设计;支管设计采用两阶段设计法,计算出支管各节点水压力,根据该水压力和不同压力区允许最大水压力,对支管进行压力单元的划分,在不同压力区选择不同类型的滴头,使滴头额定工作压力与地形高差提供的工作压力相匹配．研究结果可直接用于山地支管灌水单元设计,计算可在Excel表格中完成,设计方法简单实用．

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流体工程

数值仿真在泵阀参数优化中的应用

高希彦, 王　燕, 方　武

2010, 28(1): 63-67. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.014

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采用RNG k-ε湍流模型、动网格技术以及用户自定义程序,对往复泵泵阀的启闭过程进行了非定常数值仿真,得出了不同弹簧因素下、阀门从开启到关闭的过程中,阀芯的升程随时间的变化规律、阀的迟滞关闭时间以及阀芯落座的瞬时速度.仿真结果表明,在同时保证阀芯有较大的开启度和较短的滞后关闭时间时,弹簧刚度和预紧力因素之间存在着最佳组合:k=10 N／cm,f=15 N;同等地改变预紧力比改变弹簧刚度,对阀门的运动影响更大.设计了往复泵泵阀试验台;通过对往复泵进行性能测试,对不同弹簧预紧力下阀门升程进行了测定,验证了仿真结果的合理性.该仿真方法对往复泵泵阀参数优化具有一定的借鉴意义.

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流体工程

荷电喷雾两相流场的试验

王贞涛，罗惕乾，岑旗钢

2010, 28(1): 68-72. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.015

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为研究荷电喷雾两相流动中雾滴在静电力与流体力的共同作用下运动特性和湍流脉动特性对其传热传质的影响，采用相位多普勒粒子动态分析仪（Particle Dynamic Analyzer，PDA）对荷电喷雾两相流场进行了测量.将荷电两相流动中粒径小于10 μm的雾滴作为连续相，其余粒子作为离散相，实现了荷电喷雾两相流动的测量.获得了不同液气比下雾滴粒径、两相速度与湍流脉动强度等随荷电电压的变化关系.试验结果表明：雾滴粒径随着荷电电压的增大而明显减小；不同的荷电电压下气液两相流动速度趋于一致，荷电雾滴具有良好的跟随性；荷电喷雾两相的湍流脉动强度差异较大，雾滴本身在静电力作用下产生较大的脉动.

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流体工程

HF烷基化装置中的旋塞阀的设计与强度计算

柴立平，曹敏红，江　伟，刘三华，许万国

2010, 28(1): 73-76. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.016

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为了解决旋塞阀在氢氟酸烷基化装置中容易腐蚀泄漏的问题，研究了多层和多结构密封形式，并对旋塞和阀杆采用连体铸造方式以减少设计步骤和加工工艺；采用适合的Ni-Cu合金作为过流部件的材料，用PTEE/F46和Ni-Cu合金膜片作为静密封材料；利用ANSYS有限元分析法对阀体进行强度计算，可知在设计时应避免应力集中.结果表明，在具有较强的腐蚀性和毒性的氢氟酸条件下，该阀减小了内部泄漏和完全防止了外部泄漏，并具有防火功能，这种旋塞阀抗腐蚀和抗泄漏的能力强，能够安全可靠地应用在氢氟酸烷基化装置中.

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流体工程

接触式机械密封端面微凸体变形特性研究

魏　龙, 顾伯勤, 冯　飞, 冯　秀

2010, 28(1): 77-82. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.017

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依据分形理论,考虑摩擦作用的影响,分析了接触式机械密封摩擦副端面微凸体的变形特性;得到了端面微凸体临界弹性变形微接触面积和临界塑性变形微接触面积,端面间微凸体弹性接触面积、弹塑性接触面积、塑性接触面积以及弹性接触面积比的数学表达式.用数值仿真方法得出了GY70型机械密封摩擦副端面间的弹性接触面积比.研究表明,弹性接触面积比随着分形维数的增大先增大后减小,随着特征尺度系数的增大而减小,随着端面摩擦因数的增大而减小.对于机械密封摩擦副接触端面,存在一个最优的分形维数值,使得弹性接触面积比最大,摩擦副端面间的磨损最小.对于GY70型机械密封,其软质环端面最优分形维数在1.6左右.

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流体工程

基于扬程定义的密封端面螺旋槽泵送效应分析

陈汇龙，李亚南，赵斌娟，翟　晓，黄建平，袁寿其

2010, 28(1): 83-87. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.018

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基于水泵的扬程定义，结合端面机械密封的特点对扬程定义式进行了简化修正，给出了描述端面螺旋槽液体机械密封泵送效应的表达式，揭示了泵送效应与端面静压分布的关系.应用Fluent软件对密封环端面间的流场进行了数值模拟，根据模拟的结果验证了泵送效应表达式的准确性和适用性；结合数值模拟的结果和上述表达式，对比了在旋转环和静止环两种情况开槽时数值模拟的结果，分析了密封端面螺旋槽开槽端面的不同对螺旋槽泵送效应的影响，发现在旋转环端面开槽时螺旋槽产生的泵送效应优于在静止环端面开槽的情况，且在旋转环端面开槽有利于减小密封环端面间的摩擦.

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流体工程

电磁轴承在立式高速泵中的应用

王其磊, 杨逢瑜, 杨　倩, 关红艳, 陈君辉

2010, 28(1): 88-92. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.01.019

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为了改善传统高速泵轴承极易损坏,寿命短,噪音大,转速低等缺点,将目前具有优越性能的电磁轴承应用于立式高速泵.对电磁轴承的基本结构、工作原理、控制系统、电磁力、刚度特性及其在立式高速泵中的安装结构进行了研究,并且对安装电磁轴承后高速泵的运行特性进行了分析.结果表明:电磁轴承由于无接触、无需润滑、无摩擦,可有效解决高速泵中轴承失效的问题,能有效延长高速泵的使用寿命,解决了困扰高速泵多年的密封问题.电磁轴承的控制系统与轴承承载力完全能够满足在高速泵上应用的要求且具有较好的刚度特性.安装电磁轴承后,有效提高了高速泵的运行稳定性、转速及扬程.但是由于转速的提高,汽蚀现象更加严重,造成了对叶片的损坏,这就需要对叶片形状做进一步的改进.

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