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• 2012年, 30卷, 第5期
  刊出日期：2012-09-30

    

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  泵理论与技术
  水利水电工程
  流体工程
  农业水土工程
  

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泵理论与技术
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  泵理论与技术

  中比转数离心泵多工况设计

  袁寿其, 胡博, 陆伟刚, 李彤, 黄志攀

  2012, 30(5): 497-502. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.001

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  为了实现TS65-40-125型中比转数离心泵在实际运行中的水力性能需同时满足多个工况点的要求，借鉴在低比转数离心泵多工况设计中广泛应用的加大流量设计法，对其叶轮进行3次改进.采用Ansys Workbench 12对整个计算域进行结构化网格划分，并对网格无关性进行了分析，利用商业软件CFX进行数值模拟，进口边界设定为均匀来流，出口边界设定为压力出口，采用SST k-ω模型，分析了不同设计方案下叶轮内的压力、湍动能、速度分布，并对泵的外特性进行了预测，最后选取一个最优方案进行试验.结果表明：采用加大流量设计法，恰当的选取叶轮几何参数，可以有效地增加中比转数离心泵的扬程、提高水泵效率，拓宽水泵高效区.TS65-40-125型中比转数离心泵叶轮采用加大流量设计法改型后，设计点水泵扬程比原型对应工况点最多提高了5 m，在5个工况点效率基本满足国家标准要求.研究结果可为中比转数离心泵的多工况设计提供一定的参考.
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  泵理论与技术

  基于CFD技术的双吸式离心泵转轮副叶片优化

  钱忠东, 郜元勇, 谢华, 王志远

  2012, 30(5): 503-507. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.002

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  应用Fluent软件,基于RNG k-ε湍流模型和欧拉-拉格朗日多相流模型,对双吸式离心泵内的水流和泥沙颗粒运动进行了模拟,分析了不同长度、不同相对位置的副叶片对口环保护和水泵效率的影响．结果表明:选择的模型可准确地模拟双吸式离心泵内部流场和口环部位泥沙质量浓度,口环附近流速较低,对泥沙颗粒的挟带能力较弱,造成口环附近泥沙质量浓度远远高于水中平均泥沙质量浓度,导致了口环处快速磨损;缩短副叶片长度,能有效减小水泵装置效率的降幅,副叶片长度为1／4叶片长度时,靠近口环区域水流的相对速度的径向分量比较小,副叶片不能有效减小泥沙对口环的磨损;副叶片数由4减为3时,水流的挟沙能力得以保持,对口环的保护效果仍然明显,同时还能有效减小水泵装置效率的降幅;通过对比分析,方案7中的副叶片既能减小泥沙对口环的磨损,还能有效地减小由于副叶片的存在导致的圆盘摩擦损失,因此,选择方案7为最终优选方案．
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  泵理论与技术

  潜水轴流泵内部固液两相流动的数值模拟

  施卫东, 龙飞, 张德胜, 冷洪飞, 王国涛

  2012, 30(5): 508-512. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.003

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  为分析潜水轴流泵流道内部固液两相流动特征,采用Mixture多相流模型,RNG k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用Fluent软件对一污水处理厂用潜水轴流泵中固液两相流动进行了数值计算．并与清水单相流数值计算结果进行了对比,揭示了不同颗粒固相体积分布和颗粒直径条件下潜水轴流泵流道内的固液两相流动规律．结果表明:在叶轮流道内,固体颗粒主要分布于叶轮压力面上,而在叶轮吸力面的分布较少;在叶片压力面上,固体颗粒主要集中于叶片进口处和靠近轮毂处;当颗粒固相体积分布不变时,随着粒径的增大,会出现颗粒由压力面向背面迁移的趋势,而在背面会向出口处迁移;当粒径不变时,随着颗粒固相体积分布的增大,在叶片压力面上颗粒逐渐向进口和轮毂处靠拢,而在叶片吸力面上颗粒不断向着出口及靠近轮毂处迁移．
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  基于CFD的分段翼型控制研究

  陈红勋, 霍聪聪, 刘文梅

  2012, 30(5): 513-516. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.004

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  为提升流体机械在非设计工况下的性能,借鉴飞行器起飞阶段通过调节前缘缝翼来提高升阻比的思想,设计了一个可调前缘缝翼的分段翼型.利用稳态CFD模拟建立输入变量(前缘缝翼的偏转角度、重叠量和缝道宽度参数)与输出变量(翼型升阻比)之间的数值模型,通过遗传算法以不同攻角下最高升阻比为目标对各个参数进行寻优,建立了来流攻角与最优缝翼位置间的对应关系,从而为实现流动的主动控制提供理论依据.对分段翼型的研究表明:应用遗传算法优化缝翼参数能提高计算效率,其计算次数仅为全部计算的40％左右.优化的缝翼参数有效地改善了翼型的气动性能,与原始翼型相比通过调整前缘缝翼位置提高了其在大攻角下的升阻比,可为设计多工况高效流体机械提供参考思路.
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  无轴承永磁薄片电动机泵原理及控制系统设计

  朱熀秋, 陈金海, 左文全

  2012, 30(5): 517-521. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.005

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  针对驱动离心泵的无轴承永磁薄片电动机,基于薄片转子悬浮原理设计了该电动机驱动离心泵样机,阐述了其工作原理,给出了电磁转矩和径向悬浮力数学模型,并采用数字信号处理器TMS320F2812 DSP设计了数字控制系统硬件,开发了控制系统软件.为使控制系统调试方便,结合系统控制要求设计了人机交互控制界面对数字控制系统进行实时控制与系统重要参数的在线调试,并进行了无轴承永磁薄片电动机薄片转子径向悬浮和运转试验.试验结果表明:通过人机交互控制界面实时在线调试可快速、便捷地确定控制系统参数使数字系统达到预定目标,满足对系统的控制要求,所设计的4 kW无轴承永磁薄片电动机驱动离心泵及数字控制系统空载情况下,薄片转子转速在0～2 000 r／min范围内连续可调并能够迅速达到稳定,转子质心在平衡位置(2 000,2 000)附近振动且沿径向的偏心位移振动幅值小于80 μm,系统具有优良的动、静态性能.
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  射流泵液固两相流特性三维大涡模拟

  周凌九, 袁玲丽

  2012, 30(5): 522-526. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.006

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  为研究射流泵的三维液固两相流动特性，应用计算流体动力学(CFD)方法模拟其内部流动特征.采用LES方法和混合模型对射流泵在输送固体颗粒时的三维流场进行了数值模拟，分析了不同的固体颗粒直径、固相初始体积分数及流量比等参数对射流泵液固两相射流的湍射流场及射流泵基本特性的影响.结果表明：在较小的流量比条件下，固液两相流射流泵的压力比和效率与清水时的差别不大；但是在较大的流量比条件下，随着固相初始体积分数的增大，基本性能曲线与效率均下降，且流量比和固相初始体积分数越大时，其下降幅度越大；在固相初始体积分数和固相颗粒直径一定时，流量比越大，充分混合后的含砂体积分数将随之增大.固体颗粒直径越大，则越容易产生局部体积分布集中的现象，易在射流泵内形成堵塞.研究结果为工程实际应用提供了一定的技术支持.
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  泵理论与技术

  螺旋离心泵轴向力的数值计算与分析

  李仁年1, 权辉1, 韩伟1, 李琪飞1, 苏清苗2

  2012, 30(5): 527-531. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.007

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  针对螺旋离心泵轴向力求解时,数学模型建立和方程难以封闭等问题,为了实现螺旋离心泵轴向力的定量求解,研究其轴向力受介质的影响和随介质的变化规律,以150×100LN-32型螺旋离心泵为研究对象,选用清水和两相流含沙水作为介质,应用计算流体力学软件Fluent,建立相对坐标系下的时均连续方程及Navier-Stocks方程,并采用标准k-ε方程湍流模型和SIMPLE算法进行数值模拟,得到螺旋离心泵内流场的压力分布后计算出轴向力,从而避开了单纯数学上定量求解螺旋离心泵轴向力的许多难题．在此前提下,通过研究在固液两相流介质中,颗粒体积分数、颗粒直径及不同的流量对轴向力的影响和变化规律,结果表明:螺旋离心泵的轴向力随两相流介质体积分数的增大而增大;随流量和颗粒粒径的增大反而减小．该结论对于提高螺旋离心泵的稳定性和延长其使用寿命具有重要意义．
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  无阀压电泵用平面锥管内部流动特性

  何秀华1, 禚洪彩1, 杨嵩1, 邓志丹2, 李富1

  2012, 30(5): 532-537. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.008

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  为了研究锥管的流阻特性，采用数值模拟的方法对最小截面宽度为150 μm，高度为150 μm的平面锥管进行分析，得到雷诺数在100~2 000范围内，收缩方向流阻系数与扩散方向流阻系数的比值λ随锥角θ及流管长宽比l/w变化的规律.结果表明：流管锥角越小，θ及l/w对λ值的影响越大，且流管的流阻特性随θ和l/w的变化发生了转换；在Re=100与Re≥500两种工况下，流管扩散方向流阻系数ξd随θ及l/w的变化趋势相反；Re=100时，流管多呈沿扩散方向流阻较小的Ⅰ类流管特性， θ=20°,l/w=20的流管的λ值最大达到1.22；Re≥500时，流管多呈沿收缩方向流阻较小的Ⅱ类流管特性，θ=20°,l/w=1的流管的λ值最小达到0.63.说明不同雷诺数流动下流管的流阻特性相差较大，不同工况下可通过选用合适的流管结构参数提高无阀压电泵的工作效率.
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  泵理论与技术

  导叶参数对混流泵水阻系数及效率的影响

  杨从新, 杜媛英, 黎义斌

  2012, 30(5): 538-542. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.009

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  以某混流泵为研究对象，基于Fluent软件，建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S方程，并采用RNG k-ε湍流模型、非结构四面体网格和SIMPLEC算法对该混流泵内部三维流动进行数值模拟，在分析网格无关性的基础上，研究叶轮叶片和导叶叶片的静压及绝对速度分布规律，并对在不同的导叶数和不同导叶进口安放角下分别模拟了其在静态时的水阻系数和动态时的性能参数，发现在其他参数不变只改变导叶数时，导叶数为3时该混流泵水阻系数最低，导叶数为9时扬程和效率最高；在设计工况下其他参数保持不变只改变导叶进口安放角，冲角为0°时该混流泵的水阻系数最低，扬程和效率最高，但总体变化不明显.结果表明：在特殊应用环境下、为保证设计所要求效率的情况下，导叶数应尽量少；在设计混流泵的空间导叶时，导叶进口安放角在5°左右的范围内改变，混流泵的性能无明显变化.
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  泵理论与技术

  并联压电泵腔体初始容积设计

  孙晓锋1, 杨志刚2, 姜德龙1, 何丽红1, 姜斌3

  2012, 30(5): 543-547. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.010

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  为探究腔体初始容积对压电泵性能的影响,设计了双腔体并联压电泵.通过理论分析,确定了双腔并联压电泵能够工作时泵腔初始容积的取值范围,根据理论公式设计制作了6种不同腔体初始容积的双腔并联有阀压电泵样机,对泵腔初始容积的变化与泵工作性能关系进行研究.在110 V工作电压下,工作频率小于400 Hz范围内,用压电双晶片进行驱动,分别以液体水和空气为介质,对不同压缩比(压电振子振动产生的泵腔容积变化量与泵腔初始容积的比值)下的并联泵进行了试验测试.结果表明,当泵送液体水时,压缩比为1／18时泵的整体输出流量最好,最大输出流量可达1 330 mL／min,压缩比越大,泵的输出压力和自吸能力越好,最大输出压力和自吸高度分别为585 kPa和69 cm;当泵送气体空气时,压缩比越大,泵的输出能力越好,最大输出流量和压力分别为850 mL／min和65 kPa,当压缩比小于1／32时,泵已经失去了输出气体能力.
水利水电工程
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  水利水电工程

  超短竖井式进／出水口的水力控制

  程伟平, 章军军, 陈益民, 高悦

  2012, 30(5): 548-552. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.04.011

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  弯道后的水流调整不好,可导致进／出口存在严重偏流和水头损失增大．为了保证竖井式进／出水口的配水均匀性和水力稳定,采用三维RNG k－ε 紊流模型,对某抽水蓄能电站上水库盖板竖井式进／出水口进行了数值模拟,并进行了模型试验验证．重点对比研究了竖井扩散段采用椭圆曲线与渐扩锥管两种形式在抽水工况出流时的流动特性．计算结果显示,渐扩锥管的配水均匀性和稳定性均好于椭圆曲线扩散管的．对比分析了弯道后渐扩锥管扩散角分别为43°,5°和7°时的配水均匀性,计算结果显示竖井式进／出水口应尽可能控制扩散段的扩散角,防止出现偏流;在弯管段后的扩散段的扩散角宜小于45°．采用物理模型对推荐体型进行了验证,模型试验显示按照推荐体型设计的进／出水口配水均匀,双机抽水工况下总水头损失系数为048;双机发电工况下,总水头损失系数为033．
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  水利水电工程

  渠道防渗防冻胀复合型保温塑料板的试验研究

  何武全, 郑水蓉, 沈长越

  2012, 30(5): 553-557. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.012

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  提出了一种填充玉米秆碎粉的复合型聚氨酯泡沫保温塑料板,初步确定了其配方和制备工艺,通过试验研究了不同玉米秆碎粉粒径(0＜D≤045 mm,045 mm＜D≤150 mm,150 mm＜D≤4.00 mm等3种规格)和填充量对聚氨酯泡沫塑料的密度、压缩强度和导热性能的影响,以及不同的填充量及粒径对聚氨酯泡沫塑料的发泡时间、发泡成型效果的影响．结果表明,当玉米秸秆碎粉粒径一定时,随着填充量的增加,填充玉米秸秆碎粉的聚氨酯泡沫保温材料的密度增大,但压缩强度下降；当玉米秆碎粉粒径为045 mm＜D≤150 mm、填充量为30％时,制备的复合型聚氨酯泡沫塑料板的压缩强度(10％压缩变形)为85 kPa,导热系数为0038 W／(m·K),尺寸变化率(-40～+70 ℃)为±1％,能够满足渠道衬砌防渗工程中防冻胀破坏的性能要求．经测算,与不填充玉米秆碎粉的聚氨酯泡沫塑料板相比,复合型泡沫塑料保温板的成本可降低约25％,而且能够充分利用农业生产的废弃物,减少丢弃或焚烧这些废弃物对环境造成的污染．
流体工程
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  流体工程

  水泵水轮机水轮机工况大流量区数值分析

  张梁, 郭雷, 尹俊连, 王乐勤, 吴玉林

  2012, 30(5): 558-562. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.013

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  为了研究水泵水轮机水轮机工况大流量区域的流场特性,依据某抽水蓄能电站水泵水轮机模型机进行建模,分别采用结构化和非结构化2套网格,基于剪切应力传输模型SST k-w和SIMPLEC算法对该区域流场进行了模拟,并与试验结果进行了比较验证,详细分析了大流量下转轮内部流动特性．结果表明：水泵水轮机进入大流量区后,由于流体相对转轮速度的不断提升,转轮流道内生成了周期性分布的涡结构并且涡结构不断增大,向流道出口边延伸,引起能量损失，导致转轮叶片压力面上流体速度的上升,进而对数值计算的网格质量提出了较高的要求,揭示了大流量区计算难度高的内在原因．结论可为水轮机工况大流量区域的数值计算和流场分析提供了理论依据．
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  流体工程

  室内置换通风与混合通风的效果对比

  袁建平, 王龙滟, 何志霞, 刘晓凡

  2012, 30(5): 563-566. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.014

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  通过采用试验验证了的计算流体动力学模型开展数值模拟,从热舒适性和室内空气品质两方面,研究在商业厨房环境采用置换通风方式和混合通风方式的性能差异．研究发现,使用置换通风系统能够在不增大空调系统工作负荷的情况下,降低室内温度．在同样室内条件下,混合通风系统气流速度平均约为置换通风速度的2倍左右,并且上升下降气流相互交叉运动,气流相对不均匀．置换通风系统温度分布有明显的分层现象,从下到上逐渐递增,且大概在人呼吸的高度有较合适的温度值．其次,置换通风在呼吸区的空气质量,通常比在一个同样气流速度运行的混合系统要好．且在厨房环境中,呼吸区的平均空气年龄均小于100 s．通过适当的设计,置换通风能保持良好的热舒适环境,空气流速一般低于03 m／s,头和脚踝的温差小于2 ℃,呼吸区不满意百分数小于15,可以在人体所在区域提供更好的空气质量．
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  流体工程

  直叶片达里厄风轮流场非定常数值计算

  赵振宙, 原红红, 郑源, 黄娟, 赵振宁

  2012, 30(5): 567-572. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.015

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  为了提高达里厄风轮复杂内部湍流流场的认知程度,采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,对采用NACA0012翼型的直叶片达里厄风轮的空气动力流场进行二维数值研究,分析叶片流场、叶片动力矩特性、转速对风轮流场的影响规律．叶片流场研究结果给出了叶轮不同时刻、不同位置的流场,揭示叶片攻角随方位角的变化规律为非简单地遵循正弦曲线．动力矩特性曲线揭示叶片在90°方位角时产生最大力矩值,在下盘面动力矩极小并接近于0甚至为负值,证明攻角均极小．比较同一风速、不同转速下的流场发现,随着转速增大,内流场风速逐渐减小;比较动力矩曲线发现,随着转速增大,上盘面动力矩最高值先增大后减小,存在最大值;下盘面动力矩极低值逐渐减小且范围变广．计算结果与试验结果的对比证明,滑移网格技术和湍流模型的模拟计算能够较好地反映直叶片立轴风轮流场特性．
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  流体工程

  高压核电平板闸阀的设计与数值模拟

  刘建瑞, 李昌, 刘亮亮, 何小可, 向宏杰

  2012, 30(5): 573-577. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.016

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  针对核电工业的需要设计了公称压力为25 MPa、公称直径为150 mm的高压电动平板闸阀,介绍了其主要结构的设计及计算方法.分析了阀门开启状态下流动压力损失的产生原因及分布区域.对阀门进行了流固耦合计算,以研究介质载荷对其结构产生的影响.建立了闸阀及水体的三维模型,利用CFX软件对模型进行网格划分并定义边界条件,计算后得到了介质流动状态下的压力、速度分布,并指出了产生压力损失的主要部位.利用Ansys软件将介质载荷施加到闸阀上进行流固耦合分析.结果表明,介质在阀座区产生涡流损失,阀座区之后静压值明显下降,流道壁面处流速减小,闸阀中腔上部的压力降和速度都很小.闸阀的流阻系数为0093,闸阀的最大变形为194 μm,最大应力值为708 MPa,分别位于阀座出口端的顶部和侧面;开启状态下闸阀的变形及应力均在允许范围内.
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  流体工程

  环状U型隔膜应力分析和结构优化设计

  邓鸿英, 张生昌, 郑英臣

  2012, 30(5): 578-582. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.017

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  为了降低新型液压隔膜泵用环状U型隔膜总体应力，满足应力均匀分布的设计要求，提高隔膜设计效率，结合有限元法与参数优化法，对环状U型隔膜进行了应力-应变分析和结构优化设计.利用Ansys软件的非线性分析工具，通过对不同位移载荷作用下的环状U型隔膜应力分布图的分析研究，总结了环状U型隔膜应力分布形状以及应力最大和最小位置等规律，并据此对应力最大的隔膜固定、运动支撑端和自由挠曲半圆过渡段进行了结构优化.应用Ansys一阶参数优化方法基本原理，以隔膜的最大应力值作为状态限制变量，以隔膜的单元应力之和作为目标函数，计算出了环状U型隔膜的优化结构相关参数.有限元分析结果表明，经优化设计后的环状U型隔膜在不同位移载荷作用下，最大应力值由0.083 MPa降至0.027 MPa，整体应力值下降，内外表面应力分布均匀，两端支撑部位应力集中趋于缓和.
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  流体工程

  基于动网格的上游泵送机械密封性能参数分析

  陈汇龙, 刘玉辉, 刘彤, 王强, 刘志斌, 张珈彬

  2012, 30(5): 583-587. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.018

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  为了准确获得上游泵送机械密封的液膜厚度,采用Pro／E软件建立螺旋槽上游泵送机械密封的三维参数化模型,应用Fluent软件的动网格技术,同时考虑空化的影响,对机械密封微间隙内流场进行了数值模拟．将得到的液膜厚度与有关文献的测试结果进行对比分析．在同时考虑空化模型和动网格技术的基础上,计算分析了工况参数对液膜刚度和泄漏量的影响．结果表明,应用动网格计算的液膜厚度与测试结果所获得的结果基本一致,最大相对误差为196％,最小相对误差为0,平均相对误差为8％,从而验证了动网格技术在机械密封内流场模拟中的可行性;机械密封内流场计算应当考虑空化问题,才能得到比较真实的内流场特性;液膜厚度、泄漏量和液膜刚度随着转速、介质压力的增大而增大,端面螺旋槽在产生泵送效应的同时也产生动压效应．
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  流体工程

  自清洗网式过滤器排污流量的计算

  骆秀萍, 刘焕芳, 宗全利, 易平

  2012, 30(5): 588-591. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.019

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  对影响自清洗网式过滤器排污流量大小的因素进行分析,发现过滤器排污流量Qp由流量系数μ决定.为了探讨排污流量系数的变化规律, 主要进行了过滤器吸沙组件相对入流面积对排污流量系数影响的试验研究, 发现流量系数随着吸沙组件相对入流面积的增大而增大,但当相对入流面积增大到一定程度后, 流量系数就不再发生变化, 而是趋近于某一恒定值.建立了排污流量系数关系式,分析排污流量系数关系式发现:当吸沙组件相对入流面积大于015,即当吸沙组件入口长度l大于500 mm后(吸沙组件入口宽度b等于300 mm,为定值),吸沙组件开口面积对排污流量的影响已不到05％,即过滤器排污系数几乎不随吸沙组件开口面积的增加而改变,该变化规律与试验所作出的分析结果定性一致.根据排污流量系数关系式,进而建立了自清洗网式过滤器排污流量计算公式,对建立的公式进行均方差ERMS检验,得到均方差ERMS为0001 74,说明该公式具有很高的拟合度.
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  流体工程

  基于动量定理的气举提升系统建模与分析

  胡东, 唐川林, 廖振方

  2012, 30(5): 592-597. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.020

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  为了寻求气举提升系统理论建模的新方法,基于动量定理构建气举管内混合流体控制方程,应用线性化处理手段并结合理论分析及相关经验公式,数值计算得出气、液和固体体积通量三者的函数关系．为了试验验证理论模型的可靠性,选用中等粒径普通河沙为测试颗粒,建立室内扬沙系统,得出了排液量、排沙量随气量值的变化规律,并与理论值进行对比．结果表明:影响该模型的因素较为复杂,但其计算结果由于采用线性化处理手段而较易实现．该模型对排液量的预测精度较高,其相对误差大部控制在8％以内,而对排沙量的预测精度较前者稍低．当只对气液两相输送时,其理论模型预测精度更高,其相对误差基本在6％以内．另外,对应中等气量范围内,理论值与实测值吻合较好,而对应其他工况下两者吻合程度有所下降,且在峰值处吻合程度最差．研究成果为更好地理解和优化气举各参数提供重要的参考．
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  流体工程

  任意曲线坐标系下二维浅水方程的数值模拟

  吴卫国, 薛世峰

  2012, 30(5): 598-602. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.021

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  采用拟合边界曲线的方法来构造天然河道、湖泊、港口河口以及海湾的复杂边界问题,建立任意正交曲线网格以克服由于复杂边界而引起的计算困难．在此基础上,推导出任意曲线坐标系下的二维浅水方程、湍流动能方程和湍流动能耗散方程;应用有限差分方法对该方程组进行数值离散,并用交错方向隐式格式实现在计算区域内对任意曲线坐标系下的二维浅水方程进行数值求解．为了验证在任意曲线坐标系下二维浅水方程数值求解方法的可靠性、正确性,以De Vriend的180°平面弯道水槽试验物理模型为例进行数值模拟,结果表明,数值计算的结果和De Vriend的试验结果相当吻合,最大绝对误差值约为10-2,因此,数值计算方法合理可行,可为任意复杂边界的天然河道、湖泊等水域的水动力研究提供有效的计算方法．
农业水土工程
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  平移式喷灌机同步行走控制雨量分布仿真

  苑严伟, 张小超, 吴才聪, 范云涛

  2012, 30(5): 603-608. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.022

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  通过单喷头雨量分布室内试验,获取雨量分布信息及出水轨迹信息．利用三维建模、粒子系统等虚拟现实技术,结合实际的雨量分布数据及出水轨迹,模拟出喷头喷洒水雾的三维动态模型．研究喷灌机各跨同步行走时前进方向喷灌雨量分布均匀性,实现前进速度的最优化．分析喷头配置间距和喷头高度对横向灌溉均匀度的影响,优化平移式喷灌机喷头配置．在进行单喷头雨量分布室内试验的基础上,建立了雨量分布仿真模型．仿真结果和现场试验表明:改变驱动电机的频率可以实现纵向的变量灌溉,横向的灌溉均匀度取决于喷头的型号和压力,田间与仿真试验得到的水分分布数据最大相对误差为339％,证明仿真模型的可信度．为平移式喷灌机同步行走控制条件下变量控制对灌溉效果的影响和优化研究提供了手段．
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  生态沟-湿地系统对稻田排水中氮素的去除效果

  和玉璞, 彭世彰, 徐俊增, 张剑刚, 焦健, 於家红

  2012, 30(5): 609-613. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.023

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  为研究灌排调控下生态沟-湿地系统对稻田排水中氮素的原位削减效果,探讨低碳氮比对于系统氮素去除效果的影响．依据大田试验观测资料,分析了控制灌排模式下生态沟-湿地系统水体中氮素质量浓度变化规律和碳氮比分布特征．结果表明,控制灌排模式下生态沟-湿地系统对稻田排水中氮素去除效果显著,施肥后排水中TN， NH+4-N和NO-3-N质量浓度出现峰值,在农沟拦蓄后质量浓度大幅下降,氮素平均去除率分别为639％,678％和832％．进入湿地再次净化后,氮素质量浓度进一步降低,平均去除率分别为477％,443％和820％．控制灌排模式下系统水体中有机质对水环境影响较小,水体碳氮比水平总体偏低．控制灌排模式下生态沟-湿地系统很好地实现了对氮素的原位削减,低碳氮比对于系统氮素去除效果的影响不大．
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  基于供需水量平衡分析的灌区机井布局模式

  李彦刚, 魏晓妹, 蔡明科, 许义和, 胡国杰

  2012, 30(5): 614-620. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2012.05.024

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  针对机井布局缺乏合理科学规划,造成的北方灌区地下水采补失调问题,以宝鸡峡灌区为研究区,在灌区地下水资源综合评价的基础上,划分地下水开发利用类型区;以充分灌溉和非充分灌溉条件下的灌区供需水量平衡分析为依据,拟定不同的井灌地下水开采规模方案,并通过地下水数值模拟计算,确定合理的地下水开采规模;运用传统计算方法和基于遗传算法的优化方法计算灌区规划机井数,单井灌溉面积及井距,确定灌区机井合理布局模式．计算结果表明:开采方案Ⅱ(采补平衡)条件下,灌区地下水位埋深年内变幅最小,且呈微小上升趋势,地下水采补基本平衡,缺水率可控制在1％左右,利于涵养地下水源．针对现有机井数量,灌区需做如下调整:塬上灌区需新建机井53眼,塬下灌区需减少机井242眼,以利于灌区合理开发利用地下水资源．