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• 2013年, 31卷, 第09期
  刊出日期：2013-09-25

    

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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

  基于流固耦合的轴流泵叶片应力特性

  施卫东, 王国涛, 张德胜, 蒋小平, 徐燕

  2013, 31(9): 737-740. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.001

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  为计算轴流泵叶片的应力及变形情况,在Workbench平台上,采用Ansys和CFX软件对轴流泵内部流场和叶轮结构响应进行双向顺序流固耦合联合求解,其中流场计算基于RANS方程,采用RNG k-ε双方程湍流模型,结构计算采用弹性体结构动力学方程.对叶轮叶片在流固耦合作用下的变形和应力分布进行了计算,分析了流固耦合作用对轴流泵扬程和效率的影响.计算结果表明:在流固耦合作用下轴流泵叶片的最大位移发生在叶片进水边轮缘处,叶片出水边及根部位移较小;叶片根部与轮毂接触处靠近进水边一侧存在明显的应力集中现象;叶片的应力和变形均随轴流泵流量的增大而逐渐减小;与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用的数值计算得到的轴流泵扬程和效率均有所下降,但下降幅度较小.
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  泵理论与技术

  斜式轴流泵装置进水流道的正交优化设计

  黄健勇, 张飞珍, 张浩, 杨晓霞, 张睿

  2013, 31(9): 741-746. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.002

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  为改善小流量工况下大型斜式轴流泵装置的水力性能,利用J-Groove流动控制手段对泵装置进水流道进行结构改进.利用正交试验设计方法,确定J-Groove的厚度、长度、个数以及分布角等4个几何因素,分别选取3个水平,建立9组正交试验方案.结合滤波器湍流模型(FBM)的非定常雷诺方程,利用Ansys CFX软件对斜式轴流泵装置三维模型进行非定常计算,获得正交方案在小流量工况下的扬程和效率.采用极差分析方法对正交试验方案的数值结果进行分析,研究各几何因素对轴流泵水力性能的影响规律.结果表明:影响扬程指标的几何因素主次关系为厚度、长度、个数和分布角;影响效率指标的几何因素主次关系为厚度、个数、分布角和长度.最后,通过再设计分析确定了最优方案,并与原始方案的流场进行对比分析,验证了J-Groove技术在小流量工况下抑制轴流泵叶轮进口非稳定流态并改善其水力性能的作用.
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  泵理论与技术

  叶轮注塑成型模拟及工艺参数优化

  王洋, 王振伟, 王维军, 叶道星

  2013, 31(9): 747-751. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.003

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  为了研究注塑成型过程熔体在型腔内的流动状态,以LKS-250P型花园潜水电泵的离心式塑料叶轮为研究对象,应用Pro/E和Moldflow软件完成了塑料零件的三维建模与造型和注塑成型数值仿真优化的研究工作.依据浇口位置分析和浇口设计原则,对叶轮建立了2种不同的浇注系统,分析了浇注系统对型腔压力、熔接线分布以及体积收缩率的影响,数值计算预测产品可能存在的缺陷,得到了最佳的浇口位置,并对注塑工艺参数进行了优化.研究结果表明,侧浇口与点浇口相比更适合叶轮的注塑成型;叶轮出口处的叶片部分均有短射现象发生,适当地提高熔体温度和模具温度,可以消除欠注等缺陷.通过将CAD/CAE技术应用到离心式塑料叶轮的模具设计和制造中,可为类似产品的设计和生产提供参考,具有一定的工程应用价值.
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  泵理论与技术

  基于ESO的罗茨泵叶轮拓扑优化设计

  陈小明, 赖喜德, 张翔, 周翔

  2013, 31(9): 752-757. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.004

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  针对大流量和高转速罗茨泵的运行特点,应用进化结构优化算法(ESO)对双叶罗茨泵叶轮进行结构拓扑优化.对优化过程中出现的结构突变现象,提出基于奇异单元联结特征的筛选和删除算法,在此基础上对ESO算法进行改进,确保了优化过程的连续性与稳定性.采用Ansys参数化设计语言APDL,编程以实现改进后的ESO算法.通过区间逼近并结合优化程序可视化进程确定初始删除率允许区间,在该区间内,分别以5种不同初始删除率对受到1 500 r/min惯性载荷的罗茨泵叶轮进行优化,对不同的优化结果进行性能参数指标分析、筛选,获得了合理的叶轮拓扑结构.有限元对比分析表明:新结构在受惯性力作用时其应力分布更为均匀,材料利用率显著提高,优化后新结构的最大应力、应变、位移分别较原叶轮结构减小17.7%,17.5%,18.7%;质量较原叶轮结构减小55%,大大提高了罗茨泵在高转速、大流量运行工况下的安全性和稳定性.
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  泵理论与技术

  HD型石油化工流程泵内部固液两相分布规律

  刘宜^,, 蒋跃, 韩正杰

  2013, 31(9): 758-762. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.005

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  为了研究HD型石油化工流程泵首级双吸式叶轮、双蜗壳流道内部固液两相流动规律,应用计算流体动力学软件Fluent,基于雷诺时均N-S方程和k-ε紊流模型,采用SIMPLEC算法进行压力速度耦合,对双吸式叶轮、双蜗壳内的流场进行数值计算.同时分析不同初始固相体积分数以及不同颗粒直径条件下,叶轮及双蜗壳内的固相体积分数分布的变化规律,得到与单吸式叶轮、单蜗壳不同的流动规律.计算结果表明:在双吸式叶轮内,随着初始固相体积分数的增大,固相体积分数分布变化很大且变化规律明显,靠近吸力面侧固相体积分数较大,靠近压力面侧则较低;固体颗粒在双吸式叶轮中有向叶片吸力面侧运动的趋势,且随着粒径的增大颗粒会向叶片吸力面运动,但固相体积分数分布变化不大;在双蜗壳流道内,固相体积分数分布不均匀,在第一断面至第八断面固相体积分数相对较大,在扩散段外侧体积分数较大,内侧体积分数较小,固体颗粒有向外侧壁面运动趋势,固相体积分数显著较大.
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  泵理论与技术

  基于三元设计及数值试验轴流泵抗空化性能

  靳栓宝, 王永生

  2013, 31(9): 763-767. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.006

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  为了提高轴流泵抗空化性能,采用泵的三元设计理论与数值试验相结合的方法,研究了汽蚀比转数为1 290的轴流泵抗空化性能.在相同的流量、扬程、转速等设计指标下,采用泵的三元设计理论对具有不同叶片数和过流通道形状的轴流泵模型分别进行了设计;并采用数值试验手段对所设计轴流泵模型性能进行计算和分析,得到了适合于该轴流泵的过流通道形状和最佳叶片数.运用相同的方法对不同叶片负载分布规律的轴流泵叶轮分别进行了设计,并采用数值试验手段计算了各水力模型的扬程、功率和效率特性曲线,对比和分析了不同负载分布规律对泵效率和抗空化性能的影响,得到了有利于轴流泵空化性能提高的负载分布规律.最后,根据数值计算结果,对如何有效提高轴流泵抗空化性能提出了建议:叶轮叶片后部重载光顺无阻塞的过流通道、适当增加叶片数将有利于轴流泵抗空化性能的提高.
水利水电工程
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  水利水电工程

  导流锥型式对低扬程泵站水力性能的影响

  周佩剑, 王福军, 张志民

  2013, 31(9): 768-773. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.007

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  为了研究导流锥型式对低扬程泵站水力性能的影响,以新开河口泵站的低扬程轴流泵装置为例,设计了直线锥、双曲线锥、抛物线锥、圆弧锥和椭圆锥等5种导流锥型式,并采用CFD方法对轴流泵装置进行了全流道三维流场计算.研究发现,导流锥对泵站水力性能影响较大.5种型式导流锥均可消除进水池内附底涡.当采用直线锥、双曲线锥、抛物线锥和圆弧锥时,进水池均出现了1个侧壁涡和2个表面涡.而加设椭圆锥以后,池内只存在1个侧壁涡和1个表面涡,与未加导流锥相比减少了旋涡数量.不同导流锥对水力损失影响较大,采用椭圆锥所计算的水力损失最小,而其他导流锥方案的水力损失大于无导流锥方案.对出口流场均匀性进行比较,综合考虑轴向速度分布均匀度和速度加权平均角度等2个指标,椭圆锥的整流效果最好.最后对水泵装置效率进行分析,发现采用椭圆锥可显著提高水泵装置效率.
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  水利水电工程

  水泵水轮机临界空化系数的数值预测

  郝宗睿, 刘锦涛, 王乐勤

  2013, 31(9): 774-777. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.008

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  为了研究水泵水轮机空化系数对内部非定常流动的影响,采用SST k-ω模型对一模型水泵水轮机进行数值模拟,对机组在不同空化系数下的性能及内流场进行分析.结果表明,空化系数的大小可以改变水泵水轮机内部的流动状况,临界空化系数反映了水泵水轮机机组的能量特性.空化初生时,水泵水轮机的水头降低并且效率提高;随着空化的发展,机组水头显著增大,效率却快速减小;水泵水轮机的空化主要发生在叶片出口边吸力面靠近下环处;空化系数的改变对转轮内部流动稳定性的影响不明显.水泵水轮机的水头在空化系数较大时基本保持不变;当空化系数为0.075~0.150时,水头随空化系数的减小而略有减小;当空化系数小于0.075时,水头随空化系数的减小而增大.
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  水利水电工程

  水平轴海流能水轮机的多目标优化设计

  郭鹏程, 朱国俊, 罗兴锜

  2013, 31(9): 778-782. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.009

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  能量捕获效率和轴向水推力系数是海流能水轮机转轮的2个重要性能参数.提出了一种水平轴海流能水轮机转轮的多目标优化设计方法.首先采用贝塞尔曲线参数化技术将海流能水轮机转轮叶片节距角分布曲线进行参数化;然后选取转轮的能量捕获效率和轴向水推力系数作为目标函数,并根据BBD试验设计方法和响应面技术建立设计变量和2个目标函数之间的二次多项式响应关系;最后采用NSGA-II多目标遗传算法作为优化算法,以叶片节距角分布曲线控制参数为设计变量,以能量捕获效率和轴向水推力系数作为目标函数,以设计变量与目标函数之间的响应关系作为个体适应度评价函数,对海流能转轮进行优化.优化后,叶轮的轴向水推力系数降低了2%,同时能量捕获效率提高了0.4%,证明了所采用的优化方法的有效性.
流体工程
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  流体工程

  涡流发生器对试验尾水管性能改善作用分析

  田晓庆, 郑源, 潘华辰, 孙斌

  2013, 31(9): 783-787. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.010

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  为设计出1种含有涡流发生器的新型试验尾水管,对涡流发生器的机理进行一定的研究,并结合尾水管的工作原理,进行计算模拟和试验验证.根据尾水管的几何特征,运用壁面函数法建立全流道结构网格,用SST模型对其进行数值计算,分别以涡产生截面和涡开始发展截面作为涡流发生器叶片的安装截面,先后模拟了其55种不同工况下的水流特性.同时计算出尾水管各工况下的能量恢复系数,找出能使其能量恢复系数提高最大的安装方法.研究结果表明:以15°夹角于尾水管涡开始形成截面,对涡方式安装2对涡流发生器,且涡流发生器的安装截面在尾水管内部涡开始形成的位置.利用此安装方法进行试验验证,测量出试验尾水管的能量恢复系数提高了3.2个百分点,同时,提出了涡流发生器的安装截面为尾水管内部涡流开始形成的截面.为在建和改建水电站提供了一定的依据.
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  流体工程

  螺旋槽干气密封热力耦合流场近似计算及分析

  丁雪兴, 苏虹^,, 张海舟, 赵芳, 张伟政

  2013, 31(9): 788-793. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.011

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  为了研究干气密封在高速高压运转下受到外力作用导致密封腔内不规则变形时的流动特性.考虑力和热作用2种情况下,分别获得密封环的变形量及其气膜厚度的近似解析式.将力变形量叠加至热弹变形中,获得热力耦合作用下密封腔内气膜厚度的近似解析式,进而获得密封腔的理论流量,并对比分析无变形、热弹变形、力变形以及热力耦合变形4种情况下的理论流量与实测流量.研究结果表明:密封腔内流量随介质压力增大而增大;当仅考虑力作用时,所获得的流量值大于试验值;仅考虑热弹作用时,流量值虽然小于试验值,但误差较大,与其他几种情况相比,热力耦合作用下密封腔内的流量值与试验值的误差较小.在工程运用中,考虑热力耦合变形为优化槽型结构参数提供了理论基础,进而达到控制流量的目的.
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  流体工程

  旋转锥形射流的参数影响与试验研究

  李光荣, 葛英飞, 郑勇, 薛小强

  2013, 31(9): 794-799. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.012

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  为了研究中心有一小孔(0≤d≤4 mm)的不同头数螺旋流槽的圆柱形结构加旋件的旋转锥形磨料射流特性,通过射流打击断面试验研究,确定加旋件头数、有无中心孔、圆锥收缩角、压力和靶距及其范围等喷头结构参数.采用单因素试验法分析各参数对射流断面形状的影响,得出影响趋势图以及回归分析方程.研究结果表明:射流断面形状为实心圆或圆环.随着工作压力的升高,圆环外径增大,内径几乎不变;单头加旋件的打击效果较2头、3头的差,即射流加旋不均匀;由于加旋件中心孔增大,射流断面外径逐渐减小,收缩角几乎不受影响.靶距存在最佳打击范围,靶距增大导致圆环外径增大,两者呈线性正比例关系.试验为优化喷头及加旋件的结构参数和工作条件提供依据,且为进一步提高射流性能奠定理论和试验基础.
农业水土工程
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  农业水土工程

  美国密西西比河下游水体含氮量预报方法

  严宝文, Mark D. Tomer, 温得平

  2013, 31(9): 800-804. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.013

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  为了研究农业区面污染造成的河流水体污染和富营养化等问题,以离子型为主的硝态氮污染物的质量浓度与径流大小的变化关系为河流水体含氮量预报的基础,选择农业区密集的美国密西西比河下游为研究对象, 观测干流上控制性水文站维克斯堡站,对收集到的相关径流和水体硝态氮资料进行分析;运用Baseflow基流分割程序对径流序列分别进行日、月基流分割,将所分割的基流运用耶鲁大学Loadrunner程序,延伸和补全所选站点水体硝态氮的逐日质量浓度序列,并进一步建立逐月数据序列;运用神经网络方法,对研究对象的水体月硝态氮质量浓度进行了验证预报,建立了相应的预报步骤与预报公式.预报结果显示:对密西西比河下游水体月硝态氮质量浓度预报平均误差为7.5%.由此可见所提出的步骤和方法的准确性与适用性,可用于实际的河流水体月硝态氮质量浓度预报.
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  农业水土工程

  不同配套产品对涌泉根灌土壤湿润体特性影响

  陈俊英^,, 吴普特^,, 朱德兰, 张智韬^,, 樊晓康

  2013, 31(9): 805-810. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.014

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  为了研究不同配套产品对涌泉根灌土壤入渗湿润体特性的影响,以黏壤土为例,采用PVC和PP棉2种材料,分别制作长度为10,15,20,25和30 cm 的5个涌泉根灌配套套筒进行试验,分析涌泉根灌不同配套产品土壤入渗湿润锋随时间的运移关系.结果表明:2种材料的土壤表面水平湿润半径与时间的自然对数呈线性关系,表层土壤开始出现湿润的时间与套筒长度无关;2种材料的土壤最大水平湿润半径和湿润深度随套筒长度的增大而增大,并与时间呈幂函数关系,其中,PVC材料的水平和垂直向的幂指数分别为0.38和0.17;PP棉材料的水平向幂指数为0.40,垂直向幂指数随管长的增大而减小,并与管长呈线性关系.研究还建立了由表面水平湿润半径反演最大水平湿润半径和湿润深度的预测模型.经验证,模型预测精度较高.研究结果可为涌泉根灌不同配套产品的系统设计、田间布设间距和宽度等参数的确定提供参考.
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  农业水土工程

  盐碱地排水沟水体盐分变化规律

  潘延鑫, 罗纨, 贾忠华, 李进, 陈远

  2013, 31(9): 811-815. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.015

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  为了研究陕西卤泊滩盐碱地排水沟在排水出路受阻,上游灌区退水导致排水沟周期性较高水位运行条件下的水体盐分变化情况,选择研究区3条排水沟,进行野外水盐监测试验,测定了排水沟水体盐分随时间的变化规律.研究结果表明:在当前条件下影响研究区排水沟水量的主要因素为干旱蒸发和上游灌区退水.干旱期排水沟水量较少,上游灌区低含盐量的退水进入研究区排水沟内,致使水量显著增大,在研究区下游排水沟内水深达1.15 m;排水沟水体电导率值在干旱季节较高,盐分从上游至下游呈现出一定的富集现象;上游监测点位水体电导率基本维持在2~14 ms/cm,下游水体电导率值高达25.2 ms/cm;研究区上游灌区退水在排水沟内大量蓄积,使得排水沟水体电导率值降低至1.9 ms/cm,稀释率高达10倍,表明退水可以稀释排水沟中的盐分水平,维持排水沟水体盐分平衡,达到排盐效果.
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  农业水土工程

  预处理秸秆对土壤蒸发及秸秆分解率的影响

  王增丽^,, 王珍, 冯浩^,

  2013, 31(9): 816-821. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.016

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  通过室内土柱模拟培养试验,对比研究了秸秆粉碎、氨化及与无机土壤改良剂混合配施后对土壤蒸发特性及秸秆分解速率的影响.结果表明:秸秆施入土壤后明显提高了土壤的累积蒸发量,粉碎氨化秸秆具有降低累积蒸发量的作用,其与无机土壤改良剂混合配施后,降低土壤蒸发强度作用显著,提高了土壤的耐旱性.长秸秆和粉碎秸秆单独施入土壤后明显提高了土壤的蒸发失水比,粉碎氨化秸秆能持续降低土壤的蒸发失水比,当其与土壤改良剂混合后抑制土壤无效蒸发作用周期延长.秸秆施入土壤后的分解高峰主要发生在30 d内.短期内秸秆粉碎程度对其分解速率作用不明显,粉碎氨化秸秆提高秸秆分解率效果显著.土壤耗水特征各指标累积蒸发量E_c、蒸发速率a·b、蒸发失水比p_wl各指标之间相关关系具有统计学意义,能较好地表征土壤蒸发特性.
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  农业水土工程

  变化环境下农业需水量演变趋势及驱动力

  李萍, 魏晓妹

  2013, 31(9): 822-828. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.09.017

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  根据宝鸡峡灌区11个气象站近30 a的气象及近20 a种植面积资料,分析了气候及作物种植结构的变化特征,计算了作物需水量和农业需水量,研究了灌区农业需水量的演变趋势,并利用主成分回归分析法揭示了影响农业需水量变化的驱动因素.结果表明:灌区气温呈显著上升趋势,相对湿度和风速呈显著下降趋势,蒸发量和日照时数略有增多,降水量有所减少.灌区农业种植结构变化较大,粮食作物与经济作物种植面积比例显著降低,由1991年的4.08减小为2010年的1.83;粮食作物与农作物总播种面积比例也呈下降趋势,由1991年的0.46减小为2010年的0.40.灌区小麦、玉米、油菜、棉花等4种主要作物需水量呈递增趋势,其中油菜需水量递增速率最快,约为3.558 mm/a;灌区农业需水量呈递减趋势,其递减速率为3.35×10⁷ m³/a.影响农业需水量变化的主要驱动因素为种植面积、降水量和蒸发量.降水量的减少和蒸发量的增多使得作物需水量明显增多,而农作物种植面积的减少,引起农业需水量的显著减少.