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• 2011年, 29卷, 第3期
  刊出日期：2011-05-30

    

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  泵理论与技术
  泵站工程与给排水
  流体工程
  节水灌溉工程
  

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泵理论与技术
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  泵理论与技术

  带诱导轮的离心泵空化条件下的效率下降规律

  李晓俊， 袁寿其， 刘威， 潘中永

  2011, 29(3): 185-189. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.001

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  为定量研究空化对离心泵能量转换过程的影响,从流道内空泡分布和叶片载荷分布两方面探讨了离心泵效率下降的规律.基于RNG k-ε湍流方程和Rayleigh-Plesset空化模型对带诱导轮的离心泵的空化流动进行了数值模拟,获得了空化条件下影响离心泵效率下降的主要因素,包括扬程、功率及装置净正吸头等,并重点讨论了功率的变化对效率的影响.通过绘制叶片静压分布曲线分析离心泵效率及功率的变化趋势.结果表明：空化对叶片进口和叶片吸力面的压力影响很大;空化发展的过程中,功率的变化可分为3个过程,即功率下降段、功率上升段及迅速下降段;由于功率的下降没有扬程下降剧烈,泵总效率呈下降趋势;根据静压分布曲线及空泡分布图可以发现,叶片靠近后盖板的区域比靠近前盖板区域的空化严重,这也是叶片上不同位置处载荷差异的原因.
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  泵理论与技术

  轴向间隙对纸浆泵性能的影响规律

  李红, 冯世峰, 王涛, 庄海飞, 王超

  2011, 29(3): 190-193. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.002

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  为研究轴向间隙对纸浆泵水力性能的影响,应用计算流体动力学软件Fluent,采用标准k-ε湍流模型及SIMPLEC算法,分别以清水和悬浮液为介质,对半开式离心纸浆泵在3种轴向间隙下,0.7Q0～1.3Q0流量范围内进行三维湍流数值计算,得到浆泵的性能曲线.计算结果表明：介质为清水时,随着间隙的增大,泵扬程和效率下降;对于不同体积分数的介质,离心泵叶轮、间隙内速度分布与介质为清水时的分布基本一致;当浆料体积分数为2%时,流道内存在大量的低速区,流动混乱,提出了适当增大叶片出口安放角的改进方法;随着间隙的增大,间隙的刚性作用消失,泵整体性能下降.由于轴向间隙的作用,叶片吸力面与压力面间的压力、速度变化较大,对于一定体积分数的浆料,小的间隙值能增加泵的输送能力.通过试验和数值计算进行对比分析,结果表明间隙为1.0 mm时泵整体性能较好,试验结果与模拟结果相一致.
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  泵理论与技术

  速度矩分布规律对混流泵叶轮设计的影响

  张勤昭, 曹树良, 王宏, 邴浩

  2011, 29(3): 194-198. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.003

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  根据Ωu=0二元设计理论,提出了采用四次多项式表示叶片速度矩沿轴面流线的分布规律,进而通过理论分析,确定用其中一个参数控制叶片速度矩的分布规律,以减小设计结果对经验的依赖程度.由此确定的速度矩分布规律包括＂S＂型、反＂S＂型和＂L＂型3类.采用不同的叶片速度矩分布规律,比较分析了对应的叶片出口边位置、包角等设计结果,并基于正问题分析,对不同叶片速度矩分布规律下的叶轮效率预测值和叶片表面载荷分布进行了比较.结果表明：对于Ωu=0的设计方法,采用四次多项式描述叶轮轮缘边速度矩分布规律是合理的;对于给定的混流泵轴面流道,部分＂S＂型速度矩分布规律能合理地满足叶片表面扭曲和混流泵结构设计的要求;采用合理的＂S＂型速度矩分布规律设计的叶轮效率最高,叶片表面载荷分布更加光滑.结果可为混流泵叶轮设计提供参考.
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  泵理论与技术

  轴流泵流动噪声数值模拟

  王宏光， 徐小龙， 杨爱玲， 王凤华， 谭永学

  2011, 29(3): 199-203. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.004

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  为了研究轴流泵内部压力脉动和流动噪声在不同工况下的变化规律及其关系,采用数值模拟方法,应用计算流体动力学软件Fluent和声学软件LMS Virtual Lab分别模拟轴流泵流场和声场分布,并进行时域和频域分析.取叶片非定常脉动力作为声源,运用边界元法对比分析了有泵壳振动影响和无泵壳振动影响下泵壳体边界声场分布的不同.结果表明：叶轮叶片、导叶叶片和动静交界面处监测点的静压均表现出明显的离散频谱特性,叶片通过频率（BPF）是压力脉动和流动噪声的主频,这是由叶轮和导叶之间的动静干涉引起的;而流动噪声在2倍谐频（133.4 Hz）和3倍谐频（200.1 Hz）处也有明显峰值,这是由叶轮叶片和泵壳壳体振动引起的.忽略泵壳振动影响的情况下,噪声水平偏大,考虑声振耦合的噪声情况更接近于实际,所以结构振动是噪声辐射分析的重要因素.噪声指向性分布图表明了叶片噪声辐射具有明显的偶极子特性.
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  泵理论与技术

  搅拌罐内纸浆悬浮液内部流动数值模拟

  潘中永， 李帅， 张华，施卫东

  2011, 29(3): 204-208. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.005

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  对搅拌罐内纸浆悬浮液的两相流场进行研究,分析搅拌罐内液相流场的流动规律.应用计算流体动力学软件Fluent对搅拌罐内纸浆悬浮液的混合进行数值模拟,采用非结构化四面体网格,利用多重参考系法,选用标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法,分别模拟了搅拌器5种不同安装高度下的搅拌流场,并分析了搅拌器的速度流线分布、搅拌器叶片表面的压力分布规律、搅拌罐内固体体积分数的分布和搅拌功率.模拟结果表明：搅拌器形成一个较大的搅拌流场,主体循环较好,由固体体积分数分布图和漩涡所在平面固体体积的分布规律明确了倒锥体区域和漩涡区的位置.由搅拌器的功率系数对搅拌器的性能进行判定,根据此判定依据可知,所设计的搅拌器性能优良,研究结果对搅拌器的优化设计具有一定的参考价值.
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  Halbach阵列磁力联轴器传动转矩的数值计算

  袁丹青， 李建萍， 张贺，何有泉，白滨

  2011, 29(3): 209-213. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.006

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  为提高磁力泵磁力联轴器的传动转矩,对Halbach阵列的特点和制造方法进行阐述,并分析了Halbach阵列的磁场分布情况及磁体的磁化规律.基于ANSYS求解磁传动转矩的基本原理,应用ANSYS软件对24极式Halbach型磁力联轴器的气隙磁场进行有限元分析,研究转角差、气隙厚度、永磁体厚度以及轭铁厚度对磁力联轴器传动转矩的影响.计算结果表明：Halbach型磁力联轴器的传动转矩随转角差呈正弦周期性变化,且在转角差为磁极张角一半时取得最大值;在满足结构要求的前提下应尽量减小工作气隙厚度以提高其传动转矩;随着永磁体厚度的增大,其传动转矩值变化较大且在使用较大尺寸永磁体时更能充分体现Halbach阵列的单边聚磁特性;随着轭铁厚度的增大,传动转矩呈下降趋势但影响很小,因此,在设计Halbach型磁力联轴器时可以取消轭铁结构以降低转动惯量,从而增强联轴器的传动性能.
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  泵理论与技术

  鼠笼异步磁力联轴器在耐高温磁力泵中的应用

  杨超君，李直腾，芦玉根， 蒋生发， 郑武

  2011, 29(3): 214-218. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.007

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  为了对耐高温磁力泵进行设计和研究,保证磁力泵能够顺利启动和正常工作,对磁力泵中鼠笼转子异步磁力联轴器和泵的机械性能进行了对比分析.根据泵的基本性能公式,推导了泵的转矩与转速之间的关系.利用Ansoft Maxwell软件对鼠笼转子异步磁力联轴器进行有限元瞬态分析,得到转矩和转差率之间的关系,并分别对磁力联轴器的启动和正常工作两个阶段的磁场、扭矩进行了研究.通过将泵与磁力联轴器的性能进行综合分析,得出不同的磁力泵在不同转速下的扭矩、转差率等参数,并得出特定参数条件下泵与磁力联轴器的最优组合.试制出耐高温磁力泵样机进行试验验证,试验结果表明：在泵达到最高效率时,磁力泵的试验扭矩与理论分析得到的扭矩误差较小,说明磁力泵达到了最优化的设计结果,并验证了理论分析的正确性.
泵站工程与给排水
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  泵站工程与给排水

  水面蒸发对南水北调江苏段调水效率的影响

  仇宝云，王斐，冯晓莉， 黄海田，杨兴丽

  2011, 29(3): 219-223. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.008

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  为了掌握南水北调东线江苏境内工程输水河道和调蓄湖库水面蒸发损失水量,及其所造成的泵站机组损失功率,了解水面蒸发对工程调水效率的影响,分析比较了适用于工程所在地区的水面蒸发量计算模型和计算公式,计算了工程沿线输水河道和调蓄湖库的水面蒸发量,分析了工程水面蒸发量的时间和空间分布特征.通过积分,计算了水面蒸发造成的各梯级泵站的流量损失和输入功率损失,求解并分析了水面蒸发对整个江苏段工程调水效率的影响.结果表明：工程沿线水面年蒸发量自南向北、西北方向逐渐递增;蒸发量夏季最高,冬季最低;全线平均水面年蒸发量为862.2 mm.洪泽湖、骆马湖、白马湖和输水河道蒸发损失水量分别占总蒸发损失水量的77.7%,13.3%,3.6%和5.4%,蒸发损失水量约占源头泵站抽水量的17.46%,使工程平均调水效率降低10.33%.调水工程可以考虑采用管道输水,从而避免蒸发损失.
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  泵站工程与给排水

  证据理论在泵站老化评价中的应用

  陈坚， 徐艳茹， 于永海，王建明， 张后文

  2011, 29(3): 224-229. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.009

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  为了提高泵站老化等级确定的可信度,建立基于证据理论的泵站老化评价模型.以2座典型泵站为例,提取各项老化指标信息,请3位专家按照老化评价标准,对指标体系中的最底层指标,在每个老化等级上进行单独评分,并且经可信度归一化处理,每个评分作为一条证据,按照Dempster合成法则计算,得到每个最底层指标在识别框架上的可信度分配;然后,每个最底层指标在识别框架上的可信度分配作为一条证据,按照Dempster合成法则及带权重的证据理论合成公式层层计算,得到泵站的综合管理、机电设备、建筑物、金属结构以及泵站整体在识别框架上的可信度分配;最后按照给定公式,计算评分并确定老化等级.与应用模糊层次综合评价模型计算的结果比较,在识别框架上,除了出现难以解决的证据冲突的情况外,同一指标的最大可信度平均是最大模糊隶属度的2.4倍,且两者对应的老化等级相同,应用证据理论可以提高泵站老化等级确定的可信度;合成证据前,对每条证据进行归一化处理,可以较好地解决合成过程中出现合成信度大于1的异常情况 .
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  泵站工程与给排水

  并联泵站群日优化运行方案算法

  龚懿， 程吉林， 张仁田， 张礼华

  2011, 29(3): 230-235. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.010

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  提出了并联泵站群日优化运行数学模型,该模型以并联泵站群日提水费用最少为目标函数,以各时段机组叶片角或转速为决策变量.考虑站间不同工况调节方式,采用大系统二级分解-动态规划聚合法进行求解.首先以泵站日提水耗电费用最少为目标,泵站提水量的分配为协调变量,将该模型分解成若干个泵站多机组日优化运行一级子模型;再以单机组日提水耗电费用最少为目标,机组提水量的分配为协调变量,将一级子模型分解为若干个单机组日优化运行二级子模型.该二级子模型以机组叶片安放角或机组转速为决策变量,机组提水量的离散值为状态变量,采用动态规划方法求解.构造的聚合模型以各机组提水量为决策变量,并联泵站群提水量的离散值为状态变量,同样采用动态规划方法求解.该方法可以解决不同工况调节方式、不同时段划分及不同日均扬程下并联泵站群的日优化运行问题.以淮阴一、三站并联运行为例,作了日优化运行计算,结果表明：各日均扬程下满负荷、80%负荷、60%负荷优化运行单位费用,较定角恒速运行分别平均节约10.53%,26.54%,34.40%.
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  泵站工程与给排水

  大型低扬程泵装置nD值的选取

  梁金栋， 陆林广， 徐磊， 陈伟

  2011, 29(3): 236-240. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.011

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  从水泵选型、能量性能、汽蚀性能等3个方面,讨论了减小nD值对大型低扬程泵装置水力性能的影响;提出了减小nD值的低扬程泵装置水泵选型设计思路;借助于叶片泵相似律,推导了减小nD值与增径降速的一致关系,在设计流量一定的条件下,若叶轮直径增大5%,则水泵转速和nD值将分别下降13.6%和9.3%;从叶轮直径对流道水力损失的影响上,分析了减小nD值对提高泵装置流道效率的作用;根据nD值与水泵扬程的关系,低扬程泵装置选型时,宜适当减小nD值,以便在较低扬程下选用到更优秀的轴流泵水力模型;根据叶片泵汽蚀相似律,分析了减小nD值对低扬程泵装置汽蚀性能的影响;同时,还讨论了泵装置汽蚀性能的考核指标,以及增径降速对流道控制尺寸及设备投资的影响等问题.结果表明：对于平均扬程为4 m、单泵设计流量为33.5 m3/s的泵站,若将叶轮直径由2.9 m增大至3.1 m,则流道效率可提高2.9%;在设计流量一定的条件下,若将nD值由435降为387.5,由水力模型TJ04-ZL-06换算的原型泵高效区扬程可由5 m左右降为4 m左右,水泵必需汽蚀余量可降低20.6%;对于年运行时数较长的大型低扬程泵站,宜采用较小的nD值.
流体工程
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  流体工程

  半立方抛物线形渠道正常水深算法

  赵延风， 王正中，方兴， 刘计良， 洪安宇

  2011, 29(3): 241-245. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.012

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  为了给半立方抛物线形渠道断面正常水深的计算提供一种简捷、通用、精度较高的显函数计算公式,根据迭代理论并采用优化计算确定初值函数的方法进行分析研究.通过引入断面特征水深的概念,对半立方抛物线形渠道正常水深的基本方程进行变换处理,推导出收敛速度较快的迭代公式,并证明了公式的收敛性;在断面特征水深范围即无量纲正常水深H∈[0.025,40]范围内,对迭代公式进行优化计算,取得合理的迭代初值函数;合理初值与迭代公式的配合使用,得到半立方抛物线形渠道断面正常水深的显函数直接计算公式,并对公式进行了误差分析以及用工程实例进行了验证.结果表明：在工程常用的断面特征水深范围内,正常水深的最大相对误差小于0.3%,计算公式具有形式简单、精度高、适用范围广的优点,该研究为排灌渠道的断面设计以及渠道流量控制时求解均匀流水深提供了简捷方法.
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  流体工程

  垂直轴风力机塔柱结构的分析及优化

  郑源， 司佳钧， 黄建军， 赵振宙； 丁遥

  2011, 29(3): 246-250. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.013

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  为了避免风力机系统的共振而导致的系统损坏和噪声污染,通过系统动力特性分析和动力学响应计算分析,得到了风力机塔柱的低阶固有频率和谐响应的数据,以及风轮和塔柱之间的动态关系与整个系统的动态特性,为结构动态设计以及优化提供科学依据.首先确定对风力机塔柱系统结构动态性能影响最大的模态频率,提取该阶模态频率作为动态优化的目标,最后分析塔柱结构与风轮之间的动态干扰.结果表明：原设计在风轮以设计额定转速160 r/min运行时,其产生的简谐荷载对风力机塔柱具有十分严重的破坏性,通过增加主轴钢管的壁厚并提高其刚度等优化工作,经计算证明,在激振力不变的情况下,第一阶固有频率得到提高,塔柱的各阶固有频率下的最大位移大幅减小,优化效果明显,达到结构动力设计的目的.
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  流体工程

  气力辅助静电雾化的PIV试验研究

  王军锋，黄继伟， 黄俏梅， 王贞涛，张娟娟

  2011, 29(3): 251-254. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.014

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  为了研究气力辅助作用下静电雾化的流场特性,采用粒子图像测速技术（PIV）对风速、荷电电压及通气管与喷头间距等参数影响下的喷雾流场进行测量,并结合Tecplot后处理软件对所储存图片进行处理和分析,获得了不同参数下的静电喷雾流场特性.结果表明：通气管和喷头的间距以及风速一定时,不同的荷电电压形成不同程度的卷吸,且电压越大,卷吸现象越明显,卷吸区域沿着喷雾的轴向逐渐向下延伸;通气管和喷头的间距以及荷电电压一定时,随着风速的增大,气动力的主导作用越来越明显,在气流区的卷吸程度逐渐减弱,卷吸现象逐渐消失,卷吸区域逐渐向喷雾核心区收缩;风速以及荷电电压一定时,随着通气管与喷头间距的拉大,雾滴的漂移现象越来越严重,同时喷雾流场的卷吸现象越来越明显并逐渐向喷雾核心区靠近.
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  流体工程

  齿形微通道内流流场数值模拟及试验研究

  金文， 张鸿雁， 何文博

  2011, 29(3): 255-259. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.015

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  以断面尺寸800μm×800μm的齿型微通道为研究对象,在雷诺数为100和300流动条件下对微通道内流进行试验测量和数值模拟.利用Micro-PIV技术,获取了微通道内流流场速度矢量分布图和流线图,试验结果发现微通道内流在各齿之间流动结构具有重复性,齿内流场包含高速区和低速区,且低速区在转向内侧和左顶角区域存在回流,内附一个完整的涡旋.数值模拟采用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元、配合realizable k-ε湍流模型的数值模拟方法,对微通道几何结构单齿建模,利用周期性边界条件模拟计算得到了微通道内流流场分布,模拟流场与试验结果特征相同;在微通道内流特定截面上进行流速定量分析,分析结果为模拟值与试验值吻合程度高,证明该模拟方法在较大雷诺数范围内均适用于复杂结构的微通道内流流动模拟计算.
节水灌溉工程
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  节水灌溉工程

  涌泉根灌土壤湿润体特性试验

  费良军，曹俊， 聂卫波

  2011, 29(3): 260-265. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.016

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  为了进一步探明涌泉根灌土壤湿润体特性的变化规律,通过在陕北山地枣树微灌示范基地进行的大田涌泉根灌入渗试验,研究了不同流量条件下涌泉根灌土壤湿润锋运移距离和水分分布的变化规律,结果表明：湿润体水平扩散半径、向上入渗距离、向下入渗深度等随灌水器流量的增大而增大,且均与入渗时间之间呈显著的幂函数关系,其相关系数均高于0.97.提出了涌泉根灌土壤湿润锋运移距离计算式,经试验验证：湿润锋运移距离预测值和实测值的相对误差均小于5%.在上述研究的基础上,建立了涌泉根灌湿润体内土壤平均含水量的计算式,经试验验证：灌后土壤平均含水量预测值和实测值相对误差均小于8%.根据农田灌水的实际需要,假定在涌泉根灌垂向入渗深度与所设定的计划湿润层相等的条件下,建立了涌泉根灌水平扩散半径与计划湿润层之间的计算式,试验结果表明：水平扩散半径计算值与实测值误差小于10%.
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  节水灌溉工程

  管网特性对水泵变流量运行能耗的影响

  葛凤华，于秋生， 胡自成

  2011, 29(3): 266-271. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.017

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  在暖通空调的水系统中,管网型式与阻力的变化对水泵运行特性产生重要的影响.通过实例对水泵变流量运行进行计算与分析,并采用管网阻力调节、水泵台数控制及变频控制方法调节系统流量.探讨了管网变化对水泵变流量运行能耗的影响;分析了管网性质与水泵运行工况的关系,以及各种流量调节方式与水泵运行能耗的关系.计算结果表明：管网特性对水泵变流量运行的能耗影响较大.通过增加管网的阻力调节流量,通常会使水泵的能耗降低;水泵变频控制方式对开、闭式管网的运行能耗影响有较大的区别,静压值越大,节能效果越小;在闭式循环管网中,水泵台数控制与变频控制是两种有效的节能调节方法,由于管网发生变化,水泵的运行工况变化不满足相似律;水系统通过采用压差控制流量时,最不利环路可能发生变化成为次不利环路,所以末端压差控制因管网变化而形成水力失调,最小阻力控制比定压差控制有显著的节能效果.
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  节水灌溉工程

  变量喷药自适应神经模糊控制器设计与仿真

  陈树人， 尹东富， 魏新华， 裴文超

  2011, 29(3): 272-276. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.03.018

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  为了减少除草剂用量,采用变量喷施除草剂方式进行除草.根据分别建立的杂草面积、喷药机械行驶速度与喷药量关系模型,得知杂草面积和喷药机械行驶速度是影响变量喷施效果的主要因素.为了获取喷药量与车速及杂草面积关系试验数据,设计了室内变量喷药试验台,使用DSP处理器及编码器分别得到杂草面积及喷药机械前进速度信息.结合所获试验数据,设计了一种基于自适应神经模糊推理（ANFIS）的双输入、单输出控制器.对控制器设计过程中输入输出变量的选取、隶属函数的选择及控制器的训练等进行了研究,数据经过30次训练后误差为1.47×10^-5.对控制器的速度采集、串行通信、电磁阀驱动等硬件电路及模糊控制软件流程,进行了设计.在Matlab中建立了自适应神经模糊控制仿真模型,仿真结果表明：在喷头打开时间为0.2 s,喷药机械速度为0～1 m/s,杂草面积在0～100 cm^2时,控制器可自动调节喷药量在0～4 mL变化.与采用传统模糊控制方式相比,该控制器自适应性强,具有较好的应用前景.