排灌机械工程学报

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泵理论与技术

核电站离心式上充泵多工况水力设计

袁寿其, 付强, 朱荣生

2010, 28(3): 185-189. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.001

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离心式上充泵为多级双壳体结构,根据核电站系统要求,其水力性能需同时满足5个工况点.为实现上充泵多工况水力设计,在系统总结离心泵非设计工况研究进展的基础上,提出了多种叶轮水力设计方案优化组合与叶轮多工况水力设计相结合的技术,并进行了上充泵多工况水力设计实践.利用多级离心泵叶轮组合原则对上充泵所要求的多工况点进行拆分,得到不同叶轮性能曲线优化组合设计方案,分别进行首级叶轮、2-4级叶轮和5-12级叶轮水力设计.按照设计方案制造4级泵样机(转速2 950 r／min),并进行性能试验.试验结果换算到4 500 r／min与规定值对比表明,有4个工况点满足要求,大于规定值2.6％;仅最大流量工况扬程偏低,低于规定值11.8％,实现了多工况水力设计目的.

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泵理论与技术

双腔体四振子压电泵设计及试验

程光明，姜德龙，孙晓锋，杨志刚

2010, 28(3): 190-193. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.002

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为提高压电泵的输出流量和输出压力，增强自吸性能，采用四片压电振子构建两个工作腔体的新型压电泵结构，即双腔四振子压电泵.在对该新型压电泵进行结构设计的基础上，分析了其工作原理和工作特性，给出了输出流量和输出压力的计算方法，并加工制造了四振子压电泵样机.对四振子压电泵在单腔体双振子、双腔双振子和双腔四振子工作方式下进行了试验对比，结果表明，采用腔体串联能够提高压电泵的输出流量和输出压力，双腔四振子压电泵在驱动电压为150 V AC，频率为120 Hz时，最大输出流量为1 160 mL/min，而双腔双振子最大输出流量为650 mL/min（138 Hz），单腔双振子最大输出流量为250 mL/min（160 Hz）；双腔四振子压电泵自吸高度可达到55 cm.

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泵理论与技术

自吸泵内部流场的数值模拟及性能预测

李红，王涛

2010, 28(3): 194-197. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.003

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基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型，应用三维无结构四面体网格及SIMPLEC算法建立自吸泵内部流场的数值模型，利用计算流体力学软件Fluent对设计工况及多个非设计工况下自吸喷灌泵叶轮和蜗壳的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟，得到其内部流场的速度分布和压力分布情况，揭示了泵自吸过程中流体的运动规律，最后预估该泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.结果表明，在相同半径处，叶片工作面压力比背面压力大；在回流孔处存在较大的压力梯度和速度梯度，并且由于分离室边壁的影响形成了大小不同的旋涡；数值模拟性能曲线与试验曲线基本一致.

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泵理论与技术

喉管长度对环形射流泵性能影响的数值模拟

龙新平, 鄢恒飞, 张松艳, 姚鑫

2010, 28(3): 198-201. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.004

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基于有限体积法和Realizable k-ε紊流模型,应用Fluent软件对环形射流泵内部流场进行数值模拟,并对计算的可靠性进行验证.由射流泵内部流场可以看出,环形射流泵射流的扩展混合在喉管和扩散管中均存在.针对不同喉管长度下环形射流泵内部射流扩展和壁面压力分布情况,模拟分析了不同喉管长度对环形射流泵性能和效率的影响.结果表明,喉管长度对喉管内射流扩展、环形射流泵性能和效率均有一定影响.喉管越长,射流扩展混合程度越好,但过长的喉管会带来较大的摩阻损失.根据效率最高原则,环形射流泵喉管长度应符合 =2.17～2.89,其中当喉管长度为喉管直径2.69倍时效率最高,可达到35.6％.

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泵理论与技术

离心泵内泄漏流计算及其对转子振动的影响

蒋庆磊，戴维平，吴大转，王乐勤

2010, 28(3): 202-206. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.005

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为研究泄漏流对离心泵转子振动特性的影响，建立了离心泵内泄漏流流场数值模型并对其可靠性进行了验证，验证基于加州理工学院RFTF装置试验结果，验证结果显示数值计算结果与试验结果吻合较好.通过在泄漏流流场与转子系统间进行数据传递，实现了流场模型与基于节点单元法建立的转子系统的耦合计算，得到了泄漏流流体力作用下的转子系统响应结果，结果显示泄漏流的存在明显提高了转子系统刚度并进而增加了其稳定性.该方法可以略去流体力环节从而直观了解到泄漏流道参数变化对转子系统振动特性的影响，对优化离心泵相关参数，提高转子系统稳定性具有重要意义.

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泵理论与技术

小型气液射流泵内部流场数值模拟及优化选择

朱荣生, 燕浩, 李继忠, 苏保稳, 胡自强

2010, 28(3): 207-210. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.006

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为深入研究采用空气作为工作流体的气液射流泵性能和特征,设计了不同结构的气液射流泵试验模型.应用VOF方法,结合k-ε湍流模型,根据试验所得数据确定边界条件,对相同工作气体压力和不同参数下的气液射流泵内部流动进行了数值模拟.模拟结果表明,带有扩张式喷嘴的气液射流泵流体的速度和静压分布情况比非扩张式喷嘴的气液射流泵的好;喉嘴距为5 mm气液射流泵的速度分布情况较佳;混合室直径为6 mm的气液射流泵的速度分布情况较好.带有扩张式喷嘴喉嘴距为5 mm及混合室直径为6 mm的气液射流泵有较好的速度分布.

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泵理论与技术

高速部分流泵CFD计算和优化设计

柴立平, 潘兵辉, 石海峡, 王俊, 黄铭科

2010, 28(3): 211-214. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.007

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为研究高速部分流泵中流量系数、扬程系数和比转速三者之间的关系,对该泵主要参数进行了优化设计.在水泵性能试验的基础上,采用Matlab软件对试验数据进行数值拟合,推导出三者的函数关系式,并对主要性能参数进行了精确计算.将优化后的参数应用于Pro/E建模,运用ANSYS-CFX进行了数值计算和外特性试验.结果表明,中间截面静压呈环状梯度由轮毂向轮缘逐渐递增,出口静压满足优化要求;流线云图中虽然存在漩涡,但隔舌处的回流和涡流得到了明显的改善;从扬程-流量试验曲线也可以看到,在从小流量到设计工况点间运行非常平稳.该结果为实际工程应用提供了一定参考.

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泵理论与技术

水轮机应用蜂窝密封的吸水和减振模拟试验

何立东，尹德志，李承曦，伍伟

2010, 28(3): 215-218. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.008

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为减少混流式水轮机止漏环中流体产生的自激振动，根据止漏环各种密封结构，简化并提出密封模型，并根据模型搭建了试验台.采取直接测量转轴振动的方法，对比了简化后的密封模型与蜂窝密封在调整转子偏心程度的情况下振动幅值、波形图和频谱图的差别，以及增加转子质量不平衡块后两种密封振动幅值的变化.结果表明，蜂窝密封比普通的迷宫密封更能够抑制由于偏心和不平衡引起的振动.在最小密封间隙的上下游安置吸水装置，对比其振动情况，上游吸水可有效地降低转子振动.

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泵理论与技术

离心泵压力脉动测试关键问题分析

姚志峰，王福军，肖若富，严海军，刘竹青，王敏

2010, 28(3): 219-223. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.009

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分析了离心泵进口区域、压水室区域和出口区域压力脉动的特点，提出了用于压力脉动试验研究的测点布置方案，尤其是蜗壳隔舌区测点布置方案.分析了采样频率和采样时间对测试结果的影响，得出采样频率主导频域的频率范围，采样时间主导频域的频率分辨率.在给定频率分辨率的前提下，结合采样定理和FFT方法特点，建立了普遍适用的离心泵压力脉动测试采样频率和采样时间选取公式.比较了运用5种不同窗函数进行FFT分析时所产生的频域分辨率和频率幅值的差异，发现矩形窗函数比其他窗函数在捕捉主频脉动频率及保持频率幅值不失真方面具有一定的优势.

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泵理论与技术

主动阀压电泵阀体分析

温建明，程光明，阚君武，曾平，程明辉

2010, 28(3): 224-227. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.010

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针对无阀压电泵的截止性能和工作输出压力的不足，提出了一种新型矩形压电双晶片式主动阀压电泵.分析了主动阀压电泵的工作原理，设计、制作了两端夹持式矩形压电双晶片主动阀，建立了阀体的有限元模型，对阀体进行了有限元仿真与试验研究，分析了阀体的静态、动态特性，得到了主动阀阀体位移与不同影响因素之间的关系曲线，同时分析了主动阀阀体前四阶模态及对应的固有频率.搭建了试验测试系统并对主动阀阀体进行了相关试验测试，将试验测试结果与仿真分析结果进行了对比分析，试验验证了有限元仿真结果的可靠性.分析了影响压电泵流量的几个因素，对两端夹持式主动阀的结构参数进行了试验分析.该仿真分析及试验结果为主动阀压电泵阀体结构设计提供了理论指导.

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泵理论与技术

螺旋槽干气密封系统轴向振动响应及结构优化

张伟政, 俞树荣, 丁雪兴, 韩明君, 杜兆年

2010, 28(3): 228-232. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.011

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以密封静环为振子建立了气膜-密封环流固耦合系统轴向振动的计算模型,利用PH线性化方法、复函数分离变量法和小参数迭代法近似求解雷诺方程,求得了气膜动压近似解析式,进而求出了气膜推力.以此推力作为振动方程的激振力,建立了轴向单自由度受迫振动方程;利用龙格-库塔法求解,获得了不同螺旋角和槽深响应的振动相轨图和时间历程图,并分析了螺旋角和槽深对振动位移的影响.研究结果表明:螺旋角和槽深对振动参数均有影响,其中螺旋角对振动最为显著.改变螺旋角和槽深数值可以控制密封环的振幅,通过选择其最佳值可以保证干气密封运行的稳定性.本实例的最佳值为螺旋角74°58′48″,槽深5 μm,与试验数据基本一致.

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泵站工程与给排水

基于Fluent的贯流泵数值模拟

郑源, 刘君, 陈阳, 李玺, 杨雪林

2010, 28(3): 233-237. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.012

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为更深入研究贯流泵数值模拟的真实性与准确性,结合上海某双向贯流泵正向模型能量试验数据,选用不同的参数对模型泵进行数值模拟.对具体贯流泵模拟计算过程中参数的设定,如网格划分、计算模型选取以及边界条件设定等进行了比较和分析,观察管路内的压强、流态等特性,选出与试验数据最接近的一种方案,作为贯流泵数值模拟计算的一种参考方案.通过与试验数据比较并观察内部流场流态和压力分布,结果表明,S-A湍流模型比Realizable k-ε紊流模型计算的结果更接近模型试验值;当进口压力值选为0时,数值模拟的效果最好.

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泵站工程与给排水

泵站用行星齿轮变速传动装置的设计

鲍培德, 谢俊, 马履中, 尹小琴, 杨启志

2010, 28(3): 238-241. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.013

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基于泵站的更新改造,针对目前国内泵站采用直联传动的现状,结合泵站变速调节的优点,提出了采用行星齿轮变速的泵站传动装置.该传动装置由行星齿轮变速和齿轮减速两部分组成,行星齿轮变速由一排2X-H型行星齿轮传动及控制变速器运动输入的两个离合器和两个制动器组成.通过分析行星齿轮的运动得到了变速比.通过对行星齿轮两种配齿方案的计算和分析,确定了用于泵站的行星齿轮传动变速方案:选用转速为1 500 r／min的电动机,行星齿轮变速的两种传动比为3和1.5.经过配齿设计,得出泵站所需要的输出转速为250 r／min和125 r／min.采用行星齿轮变速传动也可以满足南水北调工程泵站流量和扬程变化大的特点.

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泵站工程与给排水

泵站前池与进水池整流数值模拟

刘新阳, 高传昌, 石礼文, 刘伟

2010, 28(3): 242-246. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.014

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针对田山一级泵站采用闸门控制前池与进水池水位形成了闸下射流的引水特点,提出了改善前池与进水池水流流态的整流工程措施.采用雷诺时均N-S方程,结合标准k-ε湍流模型,对整流前后的前池与进水池水流流态进行了数值模拟,计算中不考虑泥沙对水流运动的影响.结果表明,采用非连续底坎、非连续挑流坎与压水板等3种整流措施相结合的方式后,前池与进水池的闸底射流长度明显变短,表面回流基本消失,断面流速分布趋于均匀,且前池与进水池底部及水泵进口附近的流速明显减小.现场试验也表明,在实施整流措施后,在两种运行工况下,泵站装置效率分别提高了1.82％和5.96％,机组振动幅度分别下降了21和52 μm,且池内泥沙淤积基本消除.

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节水灌溉工程

轻小型喷灌机组能耗计算与评价方法

王新坤, 袁寿其, 刘建瑞, 涂琴

2010, 28(3): 247-250. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.015

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为客观评价轻小型喷灌机组的能量消耗,应用水力机械能效计算基本方法,根据喷灌机组构成特点与运行特性,推导出喷灌机组与水泵的能耗计算公式,确定喷灌机组能耗评价指标与方法.借鉴多孔出流管道水力计算方法,采用退步法进行输水管道水力计算,应用迭代法求解喷头的流量和压力,提出喷灌机组水力计算步骤与方法.实例分析表明计算与评价方法简单实用、计算方便,进行喷灌机组能耗分析与评价具有可比性、可操作性和可靠性强的特点,计算与评价结果符合喷灌机组工程实际.研究结果能够为水泵的合理选型、管路装置优化配置与设计及喷灌机组产品的开发提供理论依据,对于提高喷灌机组装置效率、降低运行能耗,具有重要的理论意义和实用价值.

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节水灌溉工程

微灌系统文丘里施肥器吸肥性能试验

严海军，初晓一，王敏, 马泽远

2010, 28(3): 251-255. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.016

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为了研究微灌系统文丘里施肥器吸肥性能与结构参数的关系，对4种组合式喉管规格的某文丘里施肥器分别在0.10，0.15，0.20，0.25和0.30 MPa进口压力下进行了吸肥性能试验.研究结果表明，文丘里施肥器临界压差和最大压差与进口压力呈线性正相关关系，进口流量随着进口压力或进出口压差的升高而呈增大趋势；当出口与进口压力之比低于0.4时，随着喉管直径的减小、收缩角和扩散角的增大，吸肥流量与出口流量之比逐渐上升；而当压力比高于0.4时，吸肥流量与出口流量之比则呈相反的变化趋势.建立了吸肥性能与喉管几何尺寸及工作参数之间关系的回归模型，可为文丘里施肥器的设计和运行提供技术依据.

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节水灌溉工程

喷灌和软管灌溉两用轻小机组洒水车稳定性分析

范永申, 黄修桥, 李金山, 汪唐锦, 段福义

2010, 28(3): 256-259. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.017

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针对喷灌和软管灌溉两用轻小机组洒水车具有高度可升降、喷幅可调、喷灌和软管灌溉两用等特点,为了提高洒水车爬坡和抗翻倾能力,对该机组洒水车纵、横向稳定性进行了分析．采用理论分析的方法分析了机组在纵横向坡度上作业时影响其稳定性的因素,并给出了其稳定性与各影响因素之间的关系．结果表明,地面粘附系数越高,对洒水车的稳定性越有利;适当增大轮距、增大两轮中轴线至供水管触地点的距离、降低洒水车质心高度,可提高洒水车的稳定性;增大牵引力和减小洒水车自重可提高洒水车的爬坡能力．

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流体工程

冰蓄冷中央空调预热泵流量模糊控制

徐今强，冯自平，肖睿，黄冲

2010, 28(3): 260-264. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.018

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为了解决冰蓄冷中央空调存在的板换堵塞问题，提出了以制冰板换回水温度为控制变量，采用模糊控制预热变频泵流量的方法，以实现制冰快速性和可靠性的解决方案.设计了预热泵流量模糊控制器，研制了制冰板换防堵塞的预热回路；采用离线计算与在线查询相结合的方法，对基于西门子可编程逻辑控制器（PLC）的冰蓄冷中央空调系统进行了试验研究，给出了制冰板换回水温度控制结果，并对该模糊控制结果与传统的PID控制结果进行了比较.试验结果表明：在环境温度为28 ℃时，采用模糊控制调节制冰板换回水温度，其下降时间为90 min，调节时间为158 min，稳态误差为0.26 ℃.该方案为智能化冰蓄冷中央空调稳定运行提供了依据.

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流体工程

细水雾大空间局域环境调节系统的设计及应用

王军锋, 屠欣丞, 黄继伟, 黄俏梅

2010, 28(3): 265-270. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.019

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流体工程

多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟

金文，张鸿雁，何文博

2010, 28(3): 271-276. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.03.020

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利用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元，建立了一种新的微尺度化流场的数值模拟方法.多孔介质模型厚度由微通道壁面相对粗糙度折算，多孔介质的阻力系数由该区域内的流态及阻力计算；配合采用k-ε和k-ω多种形式的湍流模型，对边长为600 μm的方形断面微通道流场在雷诺数分别为100和300的情况下进行了数值模拟计算.通过模拟结果与Micro-PIV测量数据的对比分析发现，采用realizable k-ε湍流模型，搭配多孔介质微尺度化模型进行数值计算，能够有效地模拟微尺度流场的流动状况，而标准k-ε湍流模型和RNG k-ε湍流模型的微尺度模拟计算结果虽接近试验测量值，但仍有偏差；标准k-ω湍流模型和SST k-ω湍流模型的微尺度模拟效果较差.

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