排灌机械工程学报

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泵理论与技术

射流自吸式液气两相流喷射泵引射性能试验

张强，童明伟，刘彬

2010, 28(6): 461-464. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.001

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针对截面比的大小这一影响射流式喷射泵性能的最重要的因素，通过试验，对不同系统压力下截面比与喷射泵引射性能的关系进行研究.对不同喷嘴尺寸下，不同截面比的喷射泵随进口水压改变时的水流量、引射空气量、引射系数进行试验测试，获得了不同工况、不同结构参数的喷射泵的引射空气试验值.试验结果表明，喷嘴出口直径为5.5 mm的喷射泵在0.40 MPa的系统压力下，系统水流量最大为1 940 L/h，引射空气量最大为1 090 L/h；喷嘴出口直径为4.0 mm的喷射泵在0.60 MPa的系统压力下，系统水流量最大为
1 240 L/h，引射空气量最大为1 280 L/h；引射系数随着压力的升高而增大，当增大到一定值后保持不变.在0.40 MPa的系统压力下，喷嘴出口直径为5.5 mm和4.0 mm的喷射泵引射系数分别为0.56和1.07.在射流自吸式液气两相流喷射泵的设计和实际应用中，不仅要提高引射空气量，更要提高引射系数.

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泵理论与技术

离心泵内部四面体网格的优化算法

刘厚林, 路明臻, 巫进, 谈明高, 董亮, 任芸

2010, 28(6): 465-469. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.002

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归纳了四面体全自动网格生成时产生的畸形单元的类型,提出通过数值计算判断不同的畸形单元类型的准则，并分析了离心泵模型网格剖分后产生的畸形单元的类型、分布及原因.通过对现有网格质量函数的研究并考虑边质量约束推导出错误函数,采用错误函数作为基于优化算法光顺的目标函数,通过应用变尺度法(BFGS)求解错误函数最小值问题对四面体网格进行光顺.将改进的基于优化算法的光顺与智能Laplacian光顺和交换技术相结合,用以解决前沿推进法(AFT)和Delaunay三角化方法产生的畸形单元问题.通过某离心泵算例进行验证,结果表明,优化后的网格质量趋近于0的最差单元基本被消除,同时网格的整体质量也得到显著提高,该算法可以很好地应用在离心泵内部四面体网格的优化中.

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泵理论与技术

大功率高压离心泵的优化设计

王乐勤，平仕良，吴大转

2010, 28(6): 470-473. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.003

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针对大功率高压离心泵高扬程、大流量、高转速以及高运行可靠性的要求，从水力模型设计、转子动力学设计、高压承压元件安全设计3个方面对大功率高压离心泵进行研究.在水力设计上，应用CFD技术对泵的过流部件进行优化并考虑泵内间隙流动对整个转子系统的动力学影响，完成泵的水力模型设计；在转子动力学设计上，通过对机组轴系扭振特性和临界转速分析并考虑泵的实际工况引入“湿”临界转速以保证转子的刚性化设计和机组的运行可靠性；在高压壳体设计中，引入压力容器的设计理论，采用基于应力分类的大型高压离心泵承压件的优化设计并进行三维数值模拟完成高压壳体的安全设计.在3 800 kW高压泵上运用以上技术，结果表明，所设计的泵符合要求，该技术对国内研发大功率高压泵具有参考意义.

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泵理论与技术

旋流自吸泵突台结构数值模拟及对性能的影响

王春林, 丁剑, 史亚婷, 吕亚云, 李长军

2010, 28(6): 474-478. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.004

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基于大涡模拟方法,设定适当的边界条件,利用三维非结构四面体网格进行网格划分,采用有限体积法对控制方程进行离散,应用CFD软件Fluent对旋流自吸泵的内部三维湍流流场进行数值计算,得到泵内部流场的分布情况以及突台附近区域的流动情况.为了研究突台结构对性能的影响,对应不同突台结构,分别计算了不同工况下的流动情况,预测旋流自吸泵的宏观性能并绘制了性能曲线.通过对数值模拟结果的分析和对比,在获得旋流自吸泵宏观性能曲线的基础上,分析突台附近区域的内部微观流场与宏观外部特性之间的关系.结果表明,突台结构对扬程、效率影响较大,而对于功率影响较小.基于CFD辅助设计,通过对突台尺寸参数不同方案的性能的对比分析,获得突台尺寸参数的最佳值,从而为泵的改进设计提供参考.

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泵理论与技术

深井离心泵的水力设计和二次回归正交试验

王洪亮, 施卫东, 陆伟刚, 周岭, 王川

2010, 28(6): 479-483. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.005

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根据研发新型井泵节能节材的要求,将水力设计与计算流体动力学技术和二次回归正交试验方法相结合,进行提高井泵效率的试验研究.试验选择深井离心泵的叶轮出口安放角和出口宽度两个几何因素,按二次回归正交试验方案,设计了10副叶轮.通过计算流体动力学技术对包含叶轮、导叶在内的两级新型深井离心泵的全流场进行了设计工况下的三维流场数值模拟,得到了10组设计方案额定点的效率值.通过二次回归正交试验法研究了叶轮出口安放角、出口宽度对效率的影响规律,根据计算结果对新型深井离心泵效率提出了二次回归约束方程.结果表明,采用叶轮极大直径设计法对提高新型深井离心泵的水力效率具有一定的参考价值.

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泵理论与技术

冷却塔中新型混流式水轮机设计

郑源，张丽敏，尹义武，李玺

2010, 28(6): 484-487. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.006

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通过数值模拟和试验两种方法，开发出一种新型高比转速混流式水轮机，配备相应变比的减速器，代替冷却塔中的风扇电动机，以达到节能的目的.根据冷却塔水轮机工作环境的特点，为尽量减小水轮机尺寸，在结构设计方面提出了金属梯形蜗壳和单列环形导叶.通过数值模拟，分析了不同的导叶形式、转速、叶片安放角对水轮机性能的影响.通过对比，选取负曲度导叶形式，选择最优单位转速及叶片安放角，确定最优性能的水轮机数模方案.通过物模试验证明所开发的高比转速混流式节能水轮机尺寸能够满足冷却塔要求，其效率高，性能稳定，可以在有条件的地方推广应用.

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泵理论与技术

空间导叶式离心泵的数值计算及优化设计

丛小青, 王光辉, 袁丹青, 贾自强

2010, 28(6): 488-491. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.007

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基于Navier-Stokes 方程和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLEC算法对一空间导叶式离心泵进行全流道三维湍流数值计算,分析了导叶式离心泵在设计工况下整个流道、环形空间及其空间导叶内部的流场分布,并进行试验验证计算结果.结果表明, 叶轮叶片吸力面靠近进口区域压力最小,出现负值,该区域将有可能发生空化;液体流经叶轮和空间导叶之间的环形空间时将产生较大的冲击损失;液体由叶轮出口高速旋转流出经过环形空间流入空间导叶,空间导叶进口附近流速较大,在空间导叶吸力面的入口处存在二次流.试验结果和计算结果吻合较好,在相同流量下数值计算结果和试验数据的最大误差基本小于15％,在可以接受的范围之内,证明了数值计算的有效性.该研究结果为空间导叶的几何参数优化提供了一定的理论参考.

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泵理论与技术

迷宫螺旋泵气液两相流场的数值模拟及试验

张有忱, 杨春玲, 黎镜中

2010, 28(6): 492-496. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.008

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基于混合物多相流模型、RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC 算法,应用CFD 软件Fluent对迷宫螺旋泵内气液两相流场进行数值模拟并通过试验进行验证.通过分析流道内不同截面上的压力、速度以及含气率分布,研究泵内气液两相流场的流动情况.模拟结果表明,压力分布从进口到出口沿螺旋槽逐渐升高,增压效果明显，速度分布在环形腔的外侧比在内侧稍大,螺旋部分含气率分布比较均匀,进出口处出现含气率分布不均匀现象,局部含气率较高,在此要防止气堵现象的发生.试验结果表明所采用的计算模型基本符合泵内部流动的实际情况,这说明模拟结果一定程度上揭示了迷宫螺旋泵内部气液两相流场的流动规律,可为迷宫螺旋泵气液两相流研究提供理论依据,试验结果同时表明迷宫螺旋泵进行气液混输时具有良好的曝气效果,可作为传统曝气设备的替代产品.

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泵理论与技术

三通全扩散／收缩管无阀压电泵的流阻性能

何秀华, 王健, 杨嵩, 毕雨时, 禚虹彩

2010, 28(6): 497-501. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.009

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针对传统扩散／收缩管无阀压电泵效率低的不足,提出一种新型三通全扩散／收缩管无阀压电泵.为了寻求新型三通全扩散／收缩管流管的最佳几何尺寸参数,在有限元仿真试验方法的基础上,将新型三通全扩散／收缩管与传统扩散／收缩管进行性能对比分析.分别改变三通全扩散／收缩管的分流锥管长度L2、分流锥管夹角φ、分流锥管的锥角θ2和分流锥管宽度b2,研究分流锥管结构参数对三通全扩散／收缩管流阻特性的影响.结果表明,相对于传统扩散／收缩管,三通全扩散／收缩管的反向流阻系数与正向流阻系数之比λ在较高雷诺数下大于传统扩散／收缩管,可提高无阀压电泵的效率;在不同雷诺数流动下,三通全扩散／收缩管的最优结构参数相差较大,设计时必须要根据实际工况选用合适的结构参数.

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泵理论与技术

基于大涡模拟的水轮机内瞬态湍流场特性分析

黄剑峰，张立翔，王文全，姚激

2010, 28(6): 502-505. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.010

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基于三维瞬态N-S方程，采用大涡模拟方法中的Smargorinsky模型，应用模拟动静干扰效果较好的滑移网格技术，以标准k-ε模型稳态计算的结果作为初始条件，对某混流式水轮机全流道进行了的三维瞬态湍流数值模拟.用Fluent 6.3，采用非结构化的混合网格和压力速度耦合的PISO算法，成功地模拟了水轮机在运行中的各种瞬态细节过程，如涡旋的卷起、增长、合并、破碎和脱落.模拟结果给出了偏工况下水轮机导水机构和转轮流道内大尺度涡结构的瞬态发展演变过程.计算结果表明大涡模拟方法能较好地模拟水轮机内水流的瞬态流动特性和瞬时涡的发展演化过程，该方法可为探索研究水力机械复杂流道湍流运动状态下涡旋的形成机理提供有价值的参考.

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泵理论与技术

基于APDL参数化建模的轴系可靠性

宫恩祥，黄铭科，巫建波，丁亚娜，潘兵辉

2010, 28(6): 506-509. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.011

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运用大型通用有限元软件ANSYS提供的PDS模块，以泵轴的几何尺寸、载荷、应力、弹性模量以及强度极限等参数作为随机输入变量，根据应力-强度干涉理论，建立极限状态函数；通过APDL参数化设计语言，建立泵轴参数化三维实体模型，根据实际受载情况，对泵轴进行静应力分析，生成概率分析文件，选用蒙特卡罗有限元方法和拉丁抽样法对泵轴进行可靠度设计，得到比传统设计方法精度高、易于实现的泵轴失效概率及可靠度.以HS1K型碱泵的泵轴为例进行计算，获得了碱泵的应力概率分布特征，在置信度为95%时，该泵的可靠度为99.75%.实践表明，利用ANSYS/PDS模块对泵轴进行可靠性分析，能为生产厂家改进设计提供理论依据，具有一定的工程应用价值.

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流体工程

搅拌滚筒内非牛顿流体的流场分析

谢俊, 郭洪锍, 陈炜, 尹小琴, 匡俐辉

2010, 28(6): 510-514. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.012

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针对混凝土这种典型的非牛顿流体中的宾汉流体,建立了其本构方程和流体力学模型.以有限元为依据,应用计算流体动力学技术,基于k-ε模型,利用Fluent软件计算了预拌混凝土在搅拌滚筒内的三维流场,数值模拟搅拌叶片螺旋角为73°时流场的流线和轴向出料速度,较为真实地反映了混凝土在滚筒内搅拌的实际情况.通过与搅拌叶片螺旋角为66°和80°的搅拌滚筒内流动的模拟计算比对,表明螺旋角为73°的叶片的搅拌性能和出料速度均优于其他螺旋角的搅拌叶片,能满足搅拌运输车的搅拌滚筒对拌料匀质、送料连续和低动力消耗的要求.同时进行了相应的试验比对,验证了模拟分析的正确性.该搅拌筒内非牛顿宾汉流体混凝土流动的数值模拟,表明基于k-ε模型的CFD数值模拟方法可以用于搅拌筒内混凝土这种非牛顿流体的搅拌过程的分析.

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流体工程

弹性水击下非线性水轮机的哈密顿模型

曾云, 张立翔, 徐天茂, 郭亚昆

2010, 28(6): 515-520. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.013

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为了将水轮机及水力系统纳入广义哈密顿框架下研究其运行控制的动力学机制,对非线性水轮机的哈密顿建模问题进行了研究．将增量形式的传递函数所描述的弹性水击水力动态,改写为相对值形式的一阶微分方程组,并与导叶开度微分方程一起构成扩展的水轮机仿射非线性系统．构造水轮机的哈密顿函数,应用哈密顿正交分解实现方法将其转化为哈密顿系统形式,进而通过结构矩阵分解和反馈耗散设计转化为耗散哈密顿模型．对所建立的水轮机哈密顿中耗散结构的变化、反馈等价以及能量流等问题进行了分析,所获得的哈密顿系统的广义能量流的物理概念与实际系统是一致的．结合实例的仿真表明,所选择的哈密顿函数包含了水轮机暂态中能量变化的主要信息,是合适的．

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流体工程

多孔扇形分布端面机械密封的结构优化

彭旭东, 吴朝辉, 孟祥铠, 卢碎榜

2010, 28(6): 521-525. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.014

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以微型多孔扇形分布光滑端面机械密封为对象,建立了表征密封端面运行状态的物理方程,并采用有限单元法求解了端面流体膜压力的控制方程,即二维稳态Reynolds方程;给出了流体膜刚度、端面开启力、泄漏率和流体膜刚漏比等主要密封性能参数的计算表达式;在给定操作参数条件下,分析研究了这些密封性能参数受微型多孔端面扇形区的数量k,周向开孔比α与径向开孔比β,以及微孔半径r p与深径比ε等微孔几何参数影响的规律,提出了获得优良密封性能的几何参数优选原则和优选范围.结果表明,在给定操作参数和密封介质性质的条件下,扇形区块数和微孔径一定时,微孔深径比对机械密封性能的影响最明显,其次是周向开孔比和径向开孔比,且当ε=0.003～0.007,α=0.3～0.5,β=0.45～0.85时,多孔端面密封可获得最佳综合性能.

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流体工程

熔盐泵轴承润滑冷却系统稳态热计算与分析

单春贤, 杨敏官, 王欣

2010, 28(6): 526-530. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.015

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影响熔盐泵轴承润滑冷却系统温升的因素,主要来自轴承自身的摩擦发热和高温熔盐介质传入的热流量.通过节点热流网络法建立了轴承润滑冷却系统的热平衡方程组,通过计算轴承的摩擦生成热以及润滑冷却系统的导热热阻和传热量,获得了轴承温度与泵转速、熔盐介质温度、润滑油流量以及进油温度之间的变化规律:泵的转速以及熔盐介质温度对轴承温升影响较大,泵转速越高,轴承的发热量越严重,当泵转速从500 r／min升高到1 500 r／min,可使轴承温度升高20 ℃左右;当熔盐介质温度低于400 ℃时,对润滑系统的影响不大,当熔盐介质温度超过550 ℃时,轴承温度迅速升高,必须采取强制冷却措施;将润滑油进油温度控制在40 ℃左右、流量控制在1.5～2.5 L／min范围内,可取得最佳的润滑冷却效果.

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泵站工程与给排水

轴流泵装置三维非定常湍流流场的数值模拟

冯卫民，宋立，左磊, 袁波

2010, 28(6): 531-536. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.016

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为了分析轴流泵内部流场的瞬时特性,结合非定常不可压牛顿流体的控制方程和RNG k-ε双方程湍流模型，考虑各过流部件之间的相互干涉作用，在Fluent软件中应用SIMPLEC算法和滑移网格技术，在一个完整的转动周期中对4000ZLQ53.5-6.6JS型立式轴流泵全流道内的三维湍流流场进行了数值模拟.给出了在叶片角为0°，设计流量工况为53.5 m3/s时叶轮进出口干涉面的压力、速度与涡量云图，直观地显示了一个转动周期内叶轮干涉面的干涉情况.对干涉面物理量云图进行对比分析，得出了轴流泵内部流场瞬时特性的数值模拟计算结果.引入动态特性预测方法，对瞬时计算结果时均化，将动态特性预测结果与泵站的现场测试数据进行对比，证明了该数值模拟方法的可行性.这表明，计算所采用的轴流泵装置非定常三维湍流流场的数值模拟方法，是人们认识轴流泵流场流动与干涉机理的有效理论手段.

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泵站工程与给排水

竖井式抽水蓄能电站进/出水口的水力特征

程伟平, 胡云进, 章军军, 毛根海

2010, 28(6): 537-542. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.017

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采用小孔扩散方式所建立的轴对称二维切片模型和二维轴对称数值模型，对抽水工况的出流特性和尾流的水流摆向进行了研究.试验与数值模拟结果显示，抽水工况下出流可视作射流，水流摆向与水位有一定关系，高水位时摆向河床，低水位时摆向水面；三维模型对比试验显示，抽水工况下采用防涡板结构时的进/出水口水头损失系数可达0.61，而无防涡梁、阶梯防涡梁和水平防涡梁等3种结构的水头损失系数范围为0.44～0.48；发电工况下水头损失系数均接近0.40.试验结果显示，竖向扩散段的扩散角小于9°时能保证配水均匀.采用2～3倍发电流量观察发电工况时漩涡的形成，试验显示漩涡的变化特征随水位发生变化：高水位时在进/出水口顶盖上部形成单一的漩涡；当水位降低到一定程度后，大环流转化为若干个漩涡，漩涡数量与导流墩数量相同.两个进/出水口同时运行时，环流之间相互干扰，可能形成一顺一逆环流.

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节水灌溉工程

加氧灌溉对菠萝根区土壤呼吸和生理特性的影响

陈新明, Jay Dhungel, Surya Bhattarai, Manouchehr Torabi, David J Midmore

2010, 28(6): 543-547. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.018

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通过大田试验，研究了加氧灌溉对菠萝根区土壤呼吸作用、生理特性、生物量积累、果实产量、品质和水分利用效率的影响.采用Mazeei(空气注射器)给地下灌溉系统加入空气，设计了加氧和不加氧灌溉2种处理方式，7次重复.设计滴头埋深10 cm.研究表明，与对照相比，菠萝根区30 cm以内土壤水分质量分数和CO2质量分数没有明显差异，但是加氧灌溉使得土壤呼吸增加了100%；菠萝的果实鲜重、生物量鲜重、干物质重和收获指数明显增大，差异有统计学意义(p≤0.05)；加氧灌溉提高了菠萝的水分生产率，与对照相比增加了17.2%；同时，加氧灌溉明显改善了菠萝单果尺寸和重量，使得单果重量增加了17.3%，田间产量增加了4.3%，增加了果实的糖质量分数，减少了果实的透明物.研究结果为加氧灌溉技术的推广应用提供了理论依据.

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节水灌溉工程

灌溉用压力调节器性能试验与受力分析

严海军, 姚培培, 王敏

2010, 28(6): 548-552. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2010.06.018

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为了研究灌溉系统压力调节器的工作特性与结构参数的关系,对7种内置弹簧式规格的低流量压力调节器进行了调压特性试验,对压力调节器的弹簧参数与出口预置压力的关系以及内部运动部件的受力情况进行了分析.结果表明,压力调节器的出口预置压力越低,调压性能越优良,测得的临界工作压力与出口预置压力之差随着出口预置压力的增大而增大,并非常数0.034 MPa;随着出口预置压力的上升,内置弹簧丝直径越粗,弹簧自由长度越短,其弹簧刚度系数越大;压力调节器调节组件所受的初始弹簧力和最大弹簧力与出口预置压力存在近似的线性关系,而且在向压力调节器进口端运动的过程中,调节组件所受的弹簧力占其出口所受水压作用力从57.9％逐渐增大至66.5％,而密封圈摩擦力和橡胶膜片变形力之和占出口所受水压作用力则从39.9％下降至31.3％.

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