排灌机械工程学报

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泵理论与技术

离心泵进口回流流场特性的数值模拟及试验

袁寿其, 梁赟, 袁建平, 张金凤, 骆寅

2011, 29(6): 461-465. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.001

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基于有限体积方法,采用标准k-ε湍流模型,应用ANSYS CFX软件对不同工况下低比转速离心泵进口处的三维湍流流场进行了数值模拟.通过在进口流场中设置大量监测点,采集速度变化数据,对回流发生和发展过程中进口处的回流旋涡形态和流场速度分布进行了分析.提出了采用有机玻璃进水管,利用注入的空气气泡作为示踪粒子的可视化试验方案.使用高速摄影仪拍摄气泡的运动轨迹,从而分析不同工况下进水管流场的速度分布.结果表明:模型泵回流发生的关键流量点为0.7Qd;回流发生后,随流量的减小,回流强度增大,回流旋涡的体积变大,旋涡中心向进水管内移动,堵塞部分流道;进口回流会同时在叶轮和进水管内造成与主流方向相反的轴向速度和预旋,随回流强度的增大,轴面回流速度、进水管内的预旋强度增大,预旋在进水管中的影响距离最远到达距叶轮进口10倍叶轮进口直径处;当离心泵关阀运行时,在进水管内将形成柱状涡带.

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泵理论与技术

基于流动控制技术的低比转速离心泵叶轮研发

陈红勋, 刘卫伟, 见文, 魏培茹, 朱兵

2011, 29(6): 466-470. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.002

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低比转速离心泵由于叶轮直径大,出口宽度小,流道扩散严重等原因,导致其效率偏低且很难改善.在计算流体动力学数值模拟和模型泵性能试验基础上,分析了低比转速离心泵效率与内部流动特性之间的关系,为改善泵内流动结构和提高效率提供依据.基于以控制边界层分离为目的的流动控制技术,提出了两种新型的离心泵叶片结构,研制了新的叶轮.为便于比较分析,对新叶轮在保证原模型泵叶轮直径、出口宽度和安装尺寸等主要几何参数不变的前提下进行加工制造,并分别将常规设计的叶片、分流叶片和两种新型叶片的叶轮在同一泵体内进行试验.试验结果表明：分流叶片提高了泵在大流量区域的效率但不能拓宽流量范围,引流叶片使水泵在更大流量范围内运行,并且在整个流量范围内都显著地提高了泵效率.流动控制技术成功地改善了低比转速离心泵内部流动结构并提高了泵性能.

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泵理论与技术

密封泵中无轴承永磁同步电动机的试验研究

朱熀秋, 左文全, 吕艳博, 付向东

2011, 29(6): 471-476. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.003

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为解决密封泵系统中泵体的密封性问题,提出采用无轴承电动机替代传统电动机构成新型无轴承密封泵方案,研制无轴承电动机成为其关键.阐述了无轴承密封泵中永磁型无轴承电动机转子悬浮原理,并给出电磁转矩和径向悬浮力数学模型.根据无轴承永磁同步电动机控制系统功能框图,构建无轴承永磁同步电动机数字控制系统,为了使控制系统软件与硬件之间互相配合,设计并使用人机交互界面对无轴承永磁同步电动机控制系统中转速、PID控制器等参数进行实时在线调试和控制.样机试验结果表明:使用人机交互界面进行试验调试,能够快速地达到预期目标,转子转速为1 200 r／min,转子轴心在平衡位置中心(0,0)附近振动,径向偏心位移振动幅值控制在50 μm范围之内,满足对无轴承永磁同步电动机数字控制系统进行实时在线调试和控制的要求,对无轴承密封泵的研制与应用具有重要的理论意义和实用价值.

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泵理论与技术

双吸式双蜗壳泵隔板优化设计

肖若富, 吕腾飞, 王福军, 刘竹青

2011, 29(6): 477-482. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.004

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双蜗壳可减小离心泵的叶轮径向力,但数值模拟及试验结果均表明,不合理的隔板设计会导致双蜗壳泵较单蜗壳泵在原设计工况点处的扬程、效率分别相对下降21.8％和41.3％,不能满足实际工程需要.对隔板重新进行优化设计,取隔板起始位置、曲线方程中的常数、蜗壳第Ⅷ断面至隔板末端的长度3个参数为影响因素,每个因素各取两个水平,制定L (2 )标准正交试验,并对每一试验方案进行数值模拟,试验结果表明隔板起始位置(因素A)对泵的水力性能和径向力影响最为显著.由正交试验得到隔板的最优方案,并对其构成的双蜗壳泵进行内部流场分析和试验验证.结果表明:最优隔板应为隔板起始位置旋转至与蜗壳隔舌成180°对称结构、曲线方程中的常数为蜗壳基圆半径、隔板终止位置与隔舌处于同一铅直线,由此隔板构成的双蜗壳泵在保持泵原有的水力性能的同时,平均削减1／2的叶轮径向力.

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泵理论与技术

新型自吸离心泵数值模拟及试验研究

马栋棋

2011, 29(6): 483-486. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.005

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应用计算流体动力学软件Fluent对带导流器的射流式自吸离心泵内部流场进行了定常数值模拟，对泵内部流场的速度矢量、静压、总压分布及流动规律进行分析,预测了泵的效率，并与试验结果比较.数值模拟结果表明：带导流器的射流式自吸离心泵的内部流场速度矢量分布趋于平稳，新型导流器的两个出口压力分布均匀,各流道内的压力近似对称分布，泵在设计点数值模拟计算扬程比试验扬程提高6.9%，数值模拟计算效率比试验效率提高0.5%，数值模拟预测的性能曲线与试验性能曲线趋势一致.试验结果表明：带导流器的射流式自吸离心泵的性能曲线稳定、平坦，高效率区范围宽，各项技术指标满足设计要求，该泵的效率比国外同类型相同参数泵的效率提高了16.34%，同时泵体采用铝合金压铸,大幅度减轻了泵的重量，降低了泵的成本，设计合理，结构新颖，体积小，重量轻，运行可靠，操作方便.

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泵理论与技术

基于工业CT的水泵叶轮体绘制法三维重建

蒋小平, 施卫东, 李伟, 刘厚林, 谈明高

2011, 29(6): 487-491. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.006

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在水泵叶轮的逆向工程中为了完成三维模型的重建，需要预先获取叶轮原型的全部内部结构信息.利用工业CT分别获取了2个典型的离心泵叶轮原型的367个高精度断层切片图像，编程实现了切片图像由裸数据RAW文件到BMP格式文件的转换.在VC+[KG-*2]+ 6.0平台上，应用MFC，OpenGL，ADO，VTK等开发工具，通过断层图像预处理、二维图像处理等数字图像处理技术去除了图像的噪声并显著提高了图像清晰度.编程实现了基于叶轮断层图像序列的体绘制法三维重建，并能进行重建叶轮在任意方向上的实时检查.开发了具有多个数据输入输出接口的水泵叶轮逆向工程软件ReImpeller3D，为叶轮的数值模拟、有限元分析、快速成形、产品数字化加工制造以及产品再设计等提供了直接的几何模型支持.重建实例表明，应用体绘制法进行水泵叶轮的三维重建是可行的.

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泵理论与技术

水泵启动时间对灌溉水力旋流器性能的影响

刘竹青, 郭聪, 严海军

2011, 29(6): 492-496. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.007

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为解决在水泵启动阶段圆锥型水力旋流器过滤性能较差的问题，利用变频控制技术，以DN50圆锥型灌溉用水力旋流器为研究对象，对含沙质量分数分别为0.451%，0.266%和0.124%的3种水沙混合液分别进行了5，15，30，60和90 s 的5种启动时间，15，30，90和120 s 的4种启动时间以及15，30，60和90 s的 4种启动时间的水沙分离性能试验研究.试验结果表明：水泵启动时间越短，大粒径颗粒的分离效果变差，而启动时间越长，小粒径颗粒的分离效果变差；启动过程中水力旋流器的总分离效率及分级性能随时间均呈现先差后好最后趋于稳定的规律；在相同启动时间的同一时刻下，分级性能随颗粒粒径的增大呈现有规律的波动性变化，0.2 mm以上粒径级沙粒的分离效果最好.结合总分离效率规律，推荐DN50圆锥型水力旋流器在工作流量为15 m3/h时的水泵最佳启动时间为30 s.

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泵站工程与给排水

基于DPSA传统分解聚合模型的并联泵站优化

仇锦先, 程吉林, 张仁田, 张礼华

2011, 29(6): 497-502. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.008

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针对多决策变量复杂非线性系统优化问题,引入基于DPSA的传统分解聚合模型进行并联泵站叶片全调节优化运行研究.首先将大系统分解为若干个子系统,采用DPSA法对各子系统进行优化;再以各子系统分配水量作为关联变量将各子系统回归方程进行聚合,并由聚合模型确定整个系统的最优解;最后通过关联变量将系统最优解反馈到各子系统,从而得到各子系统相应优化调度过程.通过在江都并联泵站叶片全调节优化中的应用,实现了系统总费用最小时的优化调度过程,确定了各站各时段开机台数及叶片角度的最优组合方案,表明了方法的可行性.同时以单位提水费用为指标,按考虑峰谷电价与不考虑两种情况,分析了江都站不同日均扬程、不同运行负荷下,叶片全调节相对定角恒速的优化运行效果,其中考虑峰谷电价节省费用较多,在满负荷、80％负荷、60％负荷运行情况下,不同日均扬程单位费用节省率均值分别为7.52％,22.19％,25.89％.

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泵站工程与给排水

基于ZigBee和3G的多污水处理厂监控系统设计

盛平, 王玉秀, 郭洋洋, 王雷强

2011, 29(6): 503-507. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.009

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为了实现快速准确地采集多污水泵站和处理厂信息，提出了基于ZigBee和3G技术的远程多污水处理厂协同监控系统.该系统主要由污水处理厂信息监测网络节点、嵌入式ARM+DSP开发模块、3G／GPRS传输网络与Internet网络、远程服务器控制中心端组成.在污水处理厂现场，使用传感器节点采集各种所需信息，通过ZigBee无线传感网将各种信息上传到上位机，然后上位机通过网关节点集成移动通讯网络，利用3G／GPRS网络实现与Internet的信息交互，完成多泵站和污水处理厂数据的自动采集、无线传输以及Web方式下的参数远程设置和信息实时监测.采用该系统后，污水处理厂的污水处理量最少增加了5.2%，千吨水电耗最少下降了5.4%，剩余污泥量也均比采用前有明显的下降.

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流体工程

升阻混合风轮的性能规律

赵振宙, 郑源, 宋晨光, 赵振宁

2011, 29(6): 508-512. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.010

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为了研究由升力型与阻力型风轮构成升阻混合立轴风轮的部分性能规律,建立了旋转直径900 mm、高度900 mm的混合风轮数理模型,应用SST k-ω湍流模型模拟分析两种风轮的半径比、高度比对混合风轮性能的影响规律,并比较了混合风轮和纯升力风轮的性能．结果证明:阻力型风轮增大了混合风轮的力矩,对下游0°转角附近的升力叶片产生了负面影响,且当阻力风轮与升力型风轮半径比为0.3、高度比为0.5时,混合风轮的性能达最佳为0.32;在低转速范围内,组合风轮具有更高的风能利用系数;在高转速范围内,阻力风轮产生的阻尼作用效果逐渐增强,混合风轮与纯升力风轮的性能相近甚至不及．建立相同尺寸的塑料物模进行了风洞试验,采用力矩仪对模型力矩和转速进行了测试,试验结果与模拟结果的对比显示,试验测量最高效率低于模拟值0.02,误差属于允许范围之内,证明SST k-ω湍流模型对混合风轮流场计算值具有适用性．

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流体工程

螺旋槽端面密封的刚度特性

刘丁华, 魏超

2011, 29(6): 513-517. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.011

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为了解决螺旋槽端面密封在不同环境下的刚度设计问题,对其刚度特性进行了数值计算和影响因素分析.采用Possion方程定解的贴体坐标生成计算网格,将螺旋槽不规则曲线边界转换为规则矩形边界.将Reynolds方程转换到计算平面,采用基于贴体坐标系的有限差分方法对Reynolds方程进行数值求解,得到螺旋槽密封刚度特性数值模型,并分析了内外径比和转速对密封刚度特性的影响.结果表明:当其他参数固定,内外径比为0.5～0.6时,流体膜具有最大的刚度;随着密封外径的增大,刚度整体有所提高,内外径比对刚度的影响更为显著;流体膜刚度随转速的升高而线性增大,并且内外径比为0.5～0.6时,刚度增大幅度最大;对于窄面密封,当扰动随转速成比例提高而导致密封刚度不足时,必须提高内外径比才能保证密封的正常工作.

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流体工程

风／光／抽蓄复合系统的建模与仿真

任岩, 郑源, 李延频

2011, 29(6): 518-522. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.012

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将抽水蓄能电站与风光互补系统相结合,建立了风／光／抽蓄复合系统数学模型,其中风力发电模型采用厂家提供的特性曲线利用线性插值的方法得到,光伏发电采用Hay模型,对可逆式水泵水轮机的水泵工况和水轮机工况分别建模,对蓄电池建立充电和放电模型.利用VC 2008开发工具开发了界面友好的仿真软件,实现了对复合系统中的风力发电机输出功率、光伏阵列输出功率、可逆式水泵水轮机的水泵工况与水轮机工况的输出功率及交流直流负载的仿真.通过实例计算得知:在风力发电机和光伏阵列的总出力小于总负荷量时,可逆式水泵水轮机运行在水轮机工况,发电供给负荷;在风速最大或光照最强的几个小时内,风力发电机和光伏阵列的总出力大于总负荷量时,可逆式水泵水轮机处于抽水工况,将多余的电能以水能的形式储存起来;蓄电池一般情况下都在满容量状态,只有在瞬时负荷或负荷很大时才放电,放电后又能及时充电.

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流体工程

排灌输水隧洞正常水深的简捷算法

赵延风, 王正中, 方兴, 刘计良, 洪安宇

2011, 29(6): 523-528. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.013

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为了使标准城门洞形断面正常水深的求解具有简单的显函数计算公式,对标准城门洞形断面正常水深的基本方程进行恒等变形,将水面位于底角圆弧段和顶弧段正常水深的超越方程以及水面位于侧边直线段正常水深的高次方程,变成无量纲化正常水深与已知量综合参数的单变量函数方程.引入准线性函数的概念并将准线性函数作为标准模板,再对正常水深的单变量函数方程应用准线性函数标准模板,在工程常用范围即无量纲化正常水深y∈［0.05,1.80］范围内进行优化计算及准线性函数逼近,得到了超越方程和高次方程的替代函数方程,替代函数具有类似于线性函数形式,即正常水深的准线性显函数表达式,并进行误差分析.结果表明,在隧洞底部圆弧段正常水深的最大相对误差小于0.36％,侧边直线段正常水深的最大相对误差小于0.31％,顶弧段正常水深的最大相对误差小于0.39％,说明准线性公式在隧洞有效水深范围内计算的水深准确度较高,可为排灌输水隧洞的断面设计及实现渠道水位控制时确定均匀流水深提供参考.

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节水灌溉工程

开沟机作业功耗的正交试验分析及其优化设计

姚克恒, 刘世豪, 夏拥军, 彭卓敏, 朱继平

2011, 29(6): 529-535. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.014

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可视化

为了研究各种因素作用对开沟机作业功耗的影响规律,并实现对开沟机作业功耗的优化设计,根据传统经验和已有研究结果,对影响开沟作业功耗的主要因素——开沟深度、前进速度和土壤坚实度进行设计并实施了正交试验,再根据试验结果进行了影响作用的极差分析和方差分析,得出各个因素影响的主次顺序依次为:开沟深度>土壤坚实度>前进速度,根据正交试验结果,采用二阶响应面法建立了开沟机作业功耗的优化模型,并将实测试验数据代入到模型中,从而在试验中加以计算验证.试验结果表明:功耗响应面模型的计算值与试验值的误差在10％以内,这说明建立的功耗优化模型具有较高的工程实用性,可为开沟机产品设计人员选择节省功耗的参数组合和操作人员选择功耗匹配的拖拉机提供理论依据.

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节水灌溉工程

出口可调式变量喷头喷灌均匀性

陈超, 李红, 袁寿其, 王超

2011, 29(6): 536-541. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.015

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以喷洒域形状和水量分布均匀性为指标研究变量喷头的喷灌均匀性,分析了影响PY2系列喷头射程和水量分布的关键因素,得知改变单一参数的变量喷头喷灌均匀性较差．为提高变量喷头的灌溉均匀性,设计了出口可调式的变喷洒域喷头,使用流量调节机构改变喷头工作压力,使用出口调节机构改变喷头出口面积,通过出口面积和喷头工作压力的同步调节实现均匀喷洒．测试了出口可调式变量喷头的水力性能,对比了圆形喷嘴变量喷头和出口可调式变量喷头水量分布,出口可调式变量喷头不同射程处喷灌强度相近,喷洒性能优于圆形喷嘴变量喷头．计算了变量喷头的方形喷洒域系数和不同间距下的组合灌溉均匀性,结果显示BPY20变量喷头的方形喷洒域系数为97.8％,最佳组合间距为1.66,组合灌溉均匀性为75.4％;BPY30变量喷头的方形喷洒域系数为91.5％,最佳组合间距为1.69,组合灌溉均匀性为77.2％．

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节水灌溉工程

地下水与地表水联合调度智能监控系统

高胜国，黄修桥，贾艳辉，李中生，段福义

2011, 29(6): 542-547. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.016

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以控制地下水位在合理范围为目的的地下水与地表水联合调度智能监控系统，由相对独立的地下水与地表水联合调度数值模拟和计算机监控两部分组成，数据交换通过Access数据库实现.系统的内部体系与运行流程分为信息采集层、调度决策层和决策执行层3个层次，外部结构由一个数据分析处理中心站和若干个设置于监控现场的控制子站组成，中心站与各个子站采用无线数据传输.先由计算机监控部分采集相关数据，然后就不同的井渠配水比例和灌溉模式分别通过地下水与地表水联合调度数值模拟系统进行模拟与预测，以人机交互的方式确定最优配水方案，再通过计算机屏幕上虚拟的操作面板发出控制指令，由计算机监控部分实施具体灌溉.构成了集信息采集、数据分析、优化调度和可视化操作于一体的模块化设计、分布式、人机交互的智能监控系统.监控系统子站的CPU采用睡眠唤醒模式工作，以减少受干扰概率.触点采样施加100 V，25 mA交流电，以提高在潮湿环境下长期工作的可靠性.系统设计理念先进，结构合理.经试验，系统工作稳定、可靠，可为同类系统的设计提供借鉴与参考.

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节水灌溉工程

浑水泥沙粒径与含沙量对迷宫流道堵塞的影响

牛文全, 刘璐

2011, 29(6): 547-552. https://doi.org/10.3969／j.issn.1674—8530.2011.06.017

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可视化

为客观评价浑水中泥沙特性对滴头流道堵塞的影响以及合理选择滴灌水质处理方法，采用L (3 )的正交试验设计方法，进行了浑水间歇灌水测试，并提出了以滴头平均相对流量和灌水均匀度系数作为基本参数的滴头堵塞程度综合评价方法，比较分析了压力、含沙量以及泥沙粒径等变化对滴头堵塞比例和堵塞程度的影响规律.研究结果表明：对于粒径小于0.1 mm的泥沙颗粒，工作压力对流道堵塞的影响非常显著，其次为泥沙粒径；滴头堵塞程度的大小是由粒径、含沙量、工作压力三者相互耦合作用引起的，且相互之间不存在单调相关关系.在实际灌水过程中，当灌溉水中含有较多小于0.1 mm的泥沙颗粒时，应尽量滤除粒径小于0.048 mm的颗粒，并可加入分散剂，阻止细小黏粒的团聚絮凝作用，以提高滴头抗堵塞能力.

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