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• 2013年, 31卷, 第1期
  刊出日期：2013-01-25

    

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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

  液体射流泵内部流动分析:Ⅱ理论计算参数确定

  王玉川, 曹树良, 高传昌, 王松林

  2013, 31(1): 1-6. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.001

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  推导了射流泵理论模型方程中计算参数与断面几何和流动参数的关系,利用数值模拟结果,确定了理论模型中的计算参数,分析了理论计算参数随流量比的变化规律．结果表明:反力分布系数c1与吸入面积比c在最优工况近似相等,而随着流量比偏离最优工况,两者偏差增大;利用c值代替c1值不会导致理论计算结果显著误差;工作流体速度一定条件下,动量修正系数k1不随流量比变化而变化,近似为常数;k2随流量比变化呈双曲线形状,随着流量比增大,逐渐趋近于1;喷嘴流速系数1、吸入管路流速系数4为常数;扩散管入口断面流速分布均匀性对扩散管流速系数3值有重要影响;喉管流速系数2及喉管入口收缩段流速系数5随流量比增加而线性减少,是影响理论计算结果的主要参数．理论计算结果与试验结果吻合较好,验证了计算参数确定方法的可行性和理论模型的可靠性．
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  泵理论与技术

  水泵水轮机泵工况的压力脉动特性

  王乐勤, 刘迎圆, 刘万江, 覃大清, 焦磊

  2013, 31(1): 7-10. https://doi.org/doi:10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.002

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  为研究水泵水轮机在水泵工况时不同操作条件下的水力不稳定性,应用计算流体动力学软件Fluent分别对水泵水轮机三维全流道的设计工况、大流量工况和小流量工况进行非定常计算,同时监测了蜗壳进口、转轮与活动导叶之间、转轮与顶盖之间以及尾水管处的压力脉动．结果表明:水泵水轮机在水泵工况下压力脉动幅值最大的位置位于转轮与活动导叶之间的无叶区,转轮与顶盖之间的压力脉动次之,而蜗壳和尾水管处的压力脉动则比较小;在设计工况下压力脉动幅值最小,并且越偏离最优工况压力脉动的幅值越大;位置不同,影响水力稳定性的主频也不相同,转轮与活动导叶之间压力脉动的主频为叶片通过频率,转轮与顶盖之间的压力脉动的主频为转频的倍数,尾水管处压力脉动同时受叶片通过频率和低频的影响,而蜗壳进口处的压力脉动则主要受低频影响．
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  泵理论与技术

  叶片开槽对低比转数离心泵内部流动的影响

  刘威, 袁寿其, 李晓俊, 潘中永

  2013, 31(1): 11-14. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.003

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   基于Fluent泵内流场数值模拟及性能预测，针对低比转数离心泵在小流量范围内叶轮内部流动的不稳定性，对低比转数离心泵进行了叶片改型尝试，分析了在改型前后叶轮内部流场流动情况及离心泵性能的变化规律，发现在叶片单开槽后离心泵的扬程在小流量范围内较未开槽前有所上升，效率有所提高；但在大流量范围内离心泵的扬程较未开槽前呈下降趋势，并且效率也随之降低，因此，低比转速离心泵在小流量情况下表现出来的流动不稳定性可以通过叶片单开槽的方法来进行抑制.为了研究叶片开槽数目对其影响，将开槽数目增加至2个，研究其内部流场流动情况和性能变化规律，发现叶片双开槽在抑制叶轮流道流动不稳定性及效率的提高上不及叶片单开槽情况.研究结果表明：在小流量工况下，叶片开槽对离心泵内部流动紊流情况会有一定的改善作用，而开槽数目是否合理也将影响离心泵的性能.
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  泵理论与技术

  基于CFD的汽车水泵优化设计

  施卫东, 裴冰, 陆伟刚, 王川, 李伟

  2013, 31(1): 15-19. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.004

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  以时均Navier-Stokes方程作为基本控制方程,对某款WP7柴油机冷却水泵的原模型进行优化设计,并采用CFX提供的标准k-ε双方程湍流模型及多相流模型进行全流场数值计算．为了提高数值计算的精度,采用结构化网格处理技术进行六面体网格划分．对比分析原模型泵及优化模型泵的压力分布、湍动能分布、气泡体积分数分布、外特性及汽蚀性能,结果表明:优化模型泵的叶轮叶片进口处的湍动能及气泡体积分数明显低于原模型泵;优化模型泵的外特性及汽蚀性能也优于原模型泵;在泵的其他几何参数保持不变情况下,叶轮叶片进口前伸并增加一定的斜度,不仅能够减少叶片进口处的冲击损失,提高泵的外特性,使计算扬程提高约316 m,还可以极大地改善叶片进口处液体的流动,改善泵的汽蚀性能,使临界汽蚀余量降低约110 m;通过对比模型泵的试验值与模拟值,发现两者之间存在一定的误差,但整体变化趋势一致．
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  泵理论与技术

  并联三通全扩散／收缩管无阀压电泵的性能

  邓志丹, 李富, 何秀华, 王健

  2013, 31(1): 20-24. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.005

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  采用流固耦合的方法，对三通全扩散/收缩管单腔无阀微泵进行了数值模拟计算，并进行试验验证，结果表明：当激励电压幅值为100 V时，在50 ~ 175 Hz范围内，微泵的流量随频率的增大而增大，计算值与试验值的最大误差为12%；当确定频率为100 Hz时，微泵流量随电压的增大而线性增大；试验结果较好地验证了数值模拟方法的可行性.在此基础上，针对单腔无阀微泵低流量、低输出压力的缺点，设计并研究了基于三通全扩散/收缩管的并联结构无阀压电泵.应用上述数值模拟方法，分析了并联结构下两振子振动相位差对微泵流量的影响，绘制出了不同相位差下并联微泵流量图和微泵在1个周期内瞬时流量图，并与单腔结构的微泵进行了性能对比.结果表明：并联结构下微泵流量随振子振动相位差的变化不大；在相位差为180°时流量最大，为0.367 mL/min;在相位差为360°时微泵实现了流量的连续输送，其流量为0.349 mL/min，性能较单腔结构微泵有了较大的提高.
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  泵理论与技术

  射流泵内部流动计算中不同湍流模拟方法的比较

  周凌九, 袁玲丽

  2013, 31(1): 25-30. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.006

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   为了掌握射流泵中工作流体与被吸流体的混合过程,通过基于雷诺平均N-S方程(RANS)的不同双方程湍流模型以及大涡模拟(LES)对射流泵内部三维单相流场进行数值模拟,并将这些模型的计算结果和试验值进行对比,研究了适合射流泵模型的数值方法,并在此基础上,对不同工况下射流泵的内部流动进行了分析．结果表明:采用LES方法对射流泵湍流场进行模拟计算的结果是可靠的,无论是压力比还是效率,LES模型的数值模拟结果均与试验值吻合较好;采用双方程模型预测的喉管段高速核心区在混合过程中能量耗散过快,且没有预测出剪切层的旋涡结构,只有LES方法才能得到合理的旋涡结构,从而能准确地反映出大流量工况时剪切层中工作流体和被吸流体间的动量和能量输运及混合过程,因此LES所预测的射流泵的能量特性比其他湍流模型更接近试验值;流量比越大,工作流体与被吸流体在喉管内的混合位置越靠后,势流核区沿轴向区域越长,均匀混合后的轴向速度越大．
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  泵理论与技术

  泵用圆形压电双晶片弯曲变形分析

  孙晓锋, 杨志刚, 邵泽波, 段浩, 姜斌

  2013, 31(1): 31-35. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.007

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  为了准确获得压电泵泵腔容积的变化量,需要对压电振子的变形特性进行理论分析．将压电双晶片的受力模型分成2部分,即中间压电陶瓷和金属基板的3层复合部分,以及外部的金属基板部分．应用弹性薄板的小挠度弯曲变形理论,推导出固定边界条件下双晶片振动时的容积变化方程．结果表明:压电双晶片振动时容积变化的大小,是与双晶片的几何参数、材料的性能参数以及驱动电压有关的量．为了验证理论推导的正确性,对铜基板直径为35 mm、压电陶瓷直径为29 mm的压电双晶片,在不同直流电压驱动下中心点振幅进行非接触式激光测试,并将测试结果与理论计算值进行比较,结果表明:理论计算值要略大于实际测试值,两者之间存在20％左右的误差,但存在着一致性．应用泵腔容积变化量的理论计算方法,计算得到利用该压电振子制作的单腔压电泵在110 V,200 Hz正弦电压信号的作用下,泵腔每次振动产生的容积变化量约为12881 mm3,理论上最大输出流量为3 091 mL／min．
水利水电工程
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  水利水电工程

  引黄灌区浑水管道输水临界不淤流速分析与计算

  何武全, 蔡明科, 何欣烨, 张晨笛

  2013, 31(1): 36-40. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.008

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  为了解决引黄灌区浑水管道输水灌溉工程中泥沙淤堵问题,合理确定临界不淤流速,用试验沙样和清水配制了6组不同含沙量的浑水水样,在4种规格管径的管道中进行了浑水管道输水临界不淤流速试验．分析了浑水含沙量、输水管径、泥沙密度和颗粒粒径对临界不淤流速的影响．结果表明:当管径和泥沙密度不变时,临界不淤流速随含沙量的增大而增大;当含沙量和泥沙密度不变时,临界不淤流速随管径的增大而增大;泥沙密度和粒径对临界不淤流速影响也很明显,特别是泥沙颗粒的上限粒径(d90或d95),一般最先沉降到管底的是粒径比较大的泥沙颗粒．同时,基于泥沙悬浮效率系数和悬浮泥沙能量耗损的角度,建立了临界不淤流速计算公式;利用试验数据,确定了泥沙悬浮效率系数计算方法;经试验并比较了临界不淤流速的实测值与计算值,两者之间的最大误差为2958％．
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  水利水电工程

  泵站建筑物遗传模糊安全评价模型

  曹邱林, 许文婷

  2013, 31(1): 41-45. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.009

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  为了更加准确地对泵站建筑物进行安全评价,利用标准遗传算法、层次分析法和模糊评价方法研究泵站建筑物的安全综合评价方法．首先采用从定性到定量的综合集成的方法,结合专家知识、检测数据和各种信息,分析得到安全评价值从而建立模糊综合评价矩阵;然后利用标准遗传算法、层次分析法建立的遗传层次分析法确定评价指标的权重向量;最后利用模糊综合评价模型进行模糊合成,得到泵站建筑物的安全评价结果．对临洪西泵站工程建筑物进行了安全综合评价,模糊综合评价结果向量S为(0313 6,0356 2,0247 1,0083 1),根据最大隶属度原则,Smax为0356 2对应第2个评语,则综合评价结果为基本安全,属于二类建筑物．结果表明:临洪西泵站工程建筑物总体上达到设计标准,满足安全运用的要求．评价结果与通常方法评价结果一致,说明遗传模糊安全评价模型的可行性．
流体工程
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  流体工程

  轴流式止回阀动态特性

  杨国来, 伍国果, 刘小雄, 曹文斌, 许敏影

  2013, 31(1): 46-49. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.010

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  基于Fluent软件提供的计算方法和物理模型,利用动网格及用户自定义函数技术对轴流式止回阀的阀瓣运动过程进行动态数值模拟.通过动网格较好地解决了因阀瓣运动而导致的计算区域瞬时变化的问题.利用CFD软件Fluent,采用非结构化网格,标准k-ε湍流模型,模拟了阀瓣关闭的动态过程中,止回阀内压力场和速度场的瞬态变化过程,计算出动态特性曲线,并进行了相应的试验验证.结果表明:运用动网格技术能较好地模拟止回阀内部压力和速度的动态变化,试验结果与数值计算结果趋于一致,验证了数值模拟的可靠性.通过数值模拟不同公称直径和外力下止回阀内的压力场和速度场的瞬态变化，计算出对应的动态特性曲线,并总结了止回阀的公称直径和外力对其动态特性的影响结果,对工程设计与管理具有指导作用.
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  流体工程

  潜水自引气曝气机的数值模拟与试验研究

  朱荣生, 李小龙, 施卫东, 刘苓苓, 王韬

  2013, 31(1): 50-55. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.011

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  为了研究潜水自引气曝气机内部流动机理,根据潜水自引气曝气机的性能要求,自主设计了开放式齿形转轮和开式导叶,通过三维造型软件UG完成了过流部件的三维造型.以商业软件Ansys-CFX为主要分析工具,利用多相流湍流模型对潜水自引气曝气机过流部件进行数值模拟, 并对模拟结果分析,并进行相关试验验证.结果表明:模拟结果显示曝气机下潜深度从25～65 m内变化时,模型内部区域的速度矢量分布随着下潜深度的增大从混乱到流畅再到混乱,压力分布图中的低压漩涡从出现到消失再到出现;试验结果表明曝气机下潜深度从25~65 m变化时,曝气机进气管进气速度先增大后降低,在35 m时进气速度最大,达到425 m／s;模拟结果与试验测试的曝气机进气性能变化情况趋势一致,证明了根据模拟结果对曝气机性能的预测是可行的.
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  流体工程

  多弛豫时间格子波尔兹曼方法的分块算法

  杨帆, 施徐明, 郭雪岩, 陈铁军, 吴玉林

  2013, 31(1): 56-60. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.012

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  为了进一步提高格子波尔兹曼方法计算效率,对“多弛豫时间”格子波尔兹曼方法的分块算法进行了研究,通过适当的处理来耦合各分块区域之间的计算,以满足界面处质量、动量及应力的连续,并保证物理时间上的同步.采用该算法对雷诺数为100时两平板间二维偏置圆柱绕流非定常流动进行了数值模拟.计算中分为2个区,将圆柱附近区域网格加密,就粗细网格间距比值为1,2,4,8共4种情况分别进行了计算,得到了圆柱附近涡量分布图与圆柱阻力和升力系数.计算结果表明:随着圆柱附近局部网格密度的增加,流场中存在于圆柱前驻点附近的非物理振荡现象得到了显著的消除;当网格密度达到一定程度后,计算所得圆柱阻力和升力系数与基准解的吻合程度令人满意,从而验证了该算法的有效性.
农业水土工程
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  农业水土工程

  农业小流域“田-沟”系统氮素时空变化分析

  张展羽, 陈晶晶, 张文祥, 司涵

  2013, 31(1): 61-65. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.013

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  为研究农业小流域尺度上氮素的时空变化趋势,以夏作期内位于南京市溧水县白马镇的典型农业小流域为研究对象,通过野外监测和室内化验分析相结合,探讨了小流域内土壤氮素含量的时空变化,并分析了排水沟道中氮素质量浓度的时空分布特征.结果表明:夏作期小流域内土壤3种形态氮素质量分数时间上存在一定差异性,土壤全氮质量分数呈先增大后减小趋势,土壤硝态氮、铵态氮质量分数均呈总体减小趋势,降幅分别为371％,609％;小流域土壤全氮质量分数空间上分布趋势为中部较高,四周较低,南部相对于北部质量分数较大.夏作期排水沟道中总氮、硝态氮、铵态氮平均质量浓度依次为354,081,059 mg／L;在排水沟道的迁移过程中,3种形态氮素质量浓度均是沟道出口处大于沟道入口处.
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  农业水土工程

  基于无线传感器网络的农田灌溉远程监控系统

  郁晓庆, 吴普特, 韩文霆, 张增林

  2013, 31(1): 66-69. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.014

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  为了实现自动灌溉控制,节约农田灌溉用水,设计了一套集农田土壤温湿度监测、泵和电磁阀控制、远程管理的灌溉远程监控系统.该系统以433 MHz频率为核心开发无线传感器网络节点,完成农田土壤温湿度实时监测.基于ARM9微处理器S3C2410构建基站,对比已存储在数据库中的限值,由基站控制泵和电磁阀的启闭,并通过GPRS无线传输方式进行灌溉系统的远程实时监控,远程监控中心采用Citect组态软件实现数据、人机界面管理.试验中,选用4组无线传感器网络节点,分别测得25 cm深度土壤的温度和湿度,数据采样时间间隔为30 min,基站根据土壤信息控制泵与阀门的开闭,并通过GPRS无线网络传输至远程监控中心.试验表明系统使用灵活、功耗低、人机界面友好, 能较好地满足农田灌溉远程监控的应用需求.
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  农业水土工程

  质地和根系深度对水分探头埋设的仿真模拟

  樊军, 王全九, 汪羽宁

  2013, 31(1): 70-74. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.015

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  利用Hydrus-1D模型模拟不同植物根系深度和不同土壤质地条件下的土壤水分动态与平衡，研究了根系分布深度和质地对控制灌溉土壤水分探头埋设深度的影响，并利用试验进行了验证. 土壤质地和植物根系分布深度对探头埋设深度有显著影响，砂壤土和壤土分别采用高频低灌量和低频率高灌量的方法.浅根系植物（10 cm）在砂壤土条件下探头埋设5 cm深度最佳，但是根系深度增大到30 cm，探头应该埋设到20 cm深度.对壤土而言，利用位于根系1/2至1/3处的探头控制灌溉. 太浅的埋设深度会导致灌溉频率增大，太深的埋设可能造成植物缺水.黏土条件下，结果较为复杂，探头的埋设深度需要田间试验研究. 研究结果表明：针对具体植物，因其需水规律和生理特征的不同，根据植物需水规律来调整探头的控制范围达到高效节水目的.
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  农业水土工程

  灌排方案对避雨番茄需水特性与产量的影响

  邵光成, 蓝晶晶, 仝道斌, 陈昌仁, 张超波

  2013, 31(1): 75-80. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.016

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  为了实现南方地区番茄节水、优质、高效生产,在避雨栽培条件下,研究了不同灌排方式对番茄需水特性与产量的影响.研究结果表明:各亏缺灌溉处理土壤含水率随时间总体呈下降趋势,暗管埋深08 m的处理较埋深06 m处理,土壤含水量下降更快但不明显.番茄不同生育阶段的蒸发蒸腾量差别较大,表现为始花坐果期>果实成熟与采收期>苗期.随着番茄的生长,其日蒸发蒸腾量大体呈逐渐上升的趋势.在不同灌排模式和避雨措施条件下,苗期的日蒸发蒸腾量变化范围为107～271 mm／d,始花坐果期日蒸发蒸腾量变化范围为160～309 mm／d,果实成熟与采收期日蒸发蒸腾量变化范围为178～335 mm／d.在相同的排水措施,不同灌溉条件下,番茄果实产量随着灌水量的减少而减少,水分利用率和灌溉水利用率却随着灌水量的减少而增大.研究可为南方避雨栽培下番茄灌排方式的选择及其节水、优质、高产提供参考.
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  农业水土工程

  滴灌两点源交汇入渗的斥水土壤水分运动规律

  李毅, 关冰艺

  2013, 31(1): 81-86. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.017

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  基于室内滴灌两点源交汇的水分入渗试验,对比研究了滴头间距为30 cm、滴头流量为041 mL／min条件下,斥水和亲水土壤的湿润锋变化和含水率分布规律．试验结果表明:在湿润体交汇前和交汇后,亲水土壤湿润锋都较光滑,形状呈1／4椭圆形,水平湿润锋比垂直的长,亲水性塿土和盐碱土交汇时间分别为1 270和2 79 min．斥水土壤的湿润锋明显不如亲水土壤光滑,部分位置出现优先流,斥水塿土和盐碱土交汇时间分别为40和210 min．不同条件下湿润锋的定量关系可采用对数和幂函数,拟合的决定系数均达到0.86以上．入渗的交汇面上,水平和垂向湿润锋与时间关系均可用对数关系描述,拟合的决定系数均达到098以上．塿土滴头下方垂向剖面上的土壤水分分布最均匀,湿润面近似圆形;塿土交汇面的次之,但仍比盐碱土的含水率等值线图规则．2种斥水土壤在不同深度上的水分分布都有很大的随机性和空间不均匀性．总体上,亲水性塿土的水分运动比亲水性盐碱土更具规律性,斥水土壤水分运动由于出现非稳定流,因此比亲水土壤的更不规律．相关成果可为在斥水土壤中应用节水灌溉技术提供技术参考．
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  农业水土工程

  设施土壤水分扩散率变化特征

  郑子成, 李廷轩, 李卫

  2013, 31(1): 87-92. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.01.018

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  为了观察设施栽培条件下土壤水分扩散率的变化,更好地实现设施土壤水肥管理以及有效地防治设施土壤次生盐渍化,采用水平土柱法及模拟分析方法,研究了设施土壤0～60 cm土层水分扩散率变化特征．结果表明:设施土壤的水分扩散率变化于002～378 cm2／min．水分扩散率存在一定的差异性,设施土壤在20 cm<h≤40 cm土层时最大,40 cm<h≤60 cm土层时最小;与同层次的露地土壤相比,设施土壤水分扩散率均较大;各层土壤水分扩散率与体积含水率之间呈指数关系,极具有统计学意义(P<001)．波尔兹曼参数与体积含水率之间呈二次函数关系,在0<h≤20 cm土层,当体积含水率大于043 cm3／cm3时,设施土壤波尔兹曼参数小于露地土壤;当体积含水率小于043 cm3／cm3时,设施土壤波尔兹曼参数大于露地土壤．而在20 cm<h≤60 cm土层,设施土壤波尔兹曼参数均大于同层次露地土壤．