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• 2013年, 31卷, 第2期
  刊出日期：2013-02-25

    

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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

  压水室结构对离心泵径向力影响的数值分析

  江伟, 李国君, 张新盛

  2013, 31(2): 93-97. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.001

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  采用SST k-ω湍流模型对不同压水室结构: 单蜗壳、双蜗壳、导叶和蜗壳匹配同一叶轮的离心泵进行定常和非定常数值模拟．根据数值计算结果比较并分析3种不同结构压水室离心泵外特性、定常和非定常径向力特性．结果表明,在全流量下,单蜗壳和双蜗壳离心泵流量-扬程曲线变化平缓,效率高效区较宽;单蜗壳离心泵径向力远大于其他2种形式离心泵;导叶式离心泵径向力方向随着流量增加基本不变,其他2种形式离心泵径向力方向随着流量的增加变化较大且从隔舌向蜗壳出口移动;单蜗壳离心泵和双蜗壳离心泵径向力整体变化趋势呈椭圆分布,导叶式离心泵径向力变化无规律性;单蜗壳离心泵径向力平衡较差,瞬态径向力幅度波动远大于其他2种形式离心泵．分析结果可对离心泵径向力的认识和设计提供依据．
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  泵理论与技术

  不同湍流模型对射流泵内部流场模拟的影响

  杨雪龙, 龙新平, 肖龙洲, 吕桥

  2013, 31(2): 98-102. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.002

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  为研究不同湍流模型和壁面边界处理方法对射流泵性能和内部流场模拟的影响,尝试寻找一种能够准确预测射流泵性能和内部流场的湍流模型与相应壁面处理方法的组合．将6种湍流模型(即3种k-ε模型,标准和SST k-ω模型以及RSM模型)和2种壁面处理方法(标准壁面函数和增强壁面处理方法)进行搭配．3种k-ε模型和RSM模型分别采用2种壁面处理方法,2种k-ω模型作为低雷诺数模型使用,不采用壁面处理方法,由此共得到10种组合．以某射流泵为例,将其壁面静压分布和性能试验数据作为参考来验证这10种组合的效果．结果表明:当流量比较小时,10种组合均与试验结果吻合较好；当流量比较大时,10种组合的模拟误差均大于10％.通过修正湍流模型常数,部分组合的模拟结果与试验数据之间的误差可以降低到5％以内.模型常数C2ε比σε对计算结果影响更大.湍动能的最大值随着C2ε或σε值的减小而减小,而湍动能的分布区域却相应的增大．
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  泵理论与技术

  高比转数混流泵非定常流场压力脉动特性

  王春林, 贾飞, 吴志旺, 刘栋

  2013, 31(2): 103-108. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.003

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  为了研究高比转数混流泵内部流场的压力脉动情况,采用大涡模拟方法对泵内三维非定常湍流场进行数值模拟,通过对监测点数据的分析得到了叶轮进口、叶轮出口、导叶中间和导叶出口4个截面的压力脉动的时域和频域情况,探讨了产生压力脉动的主要决定因素,同时也对不同流量下的压力脉动情况进行了对比．研究表明:这4个截面的压力脉动幅值从轮毂到轮缘均逐渐增大;叶轮进口截面压力脉动时域图规律性不明显,叶轮出口截面时域图在整个周期内呈现4个小周期,叶轮转动频率控制着叶轮进出口的压力脉动，且其影响随着流体远离叶轮而逐渐减弱；在导叶中间截面和导叶出口截面,叶轮对流体压力脉动的影响逐渐减小,压力脉动以低频振动为主,脉动幅值也大为减小;在不同流量下的压力脉动表现为小流量下幅值较大以及流量对主要频率影响较小,大流量工况下压力脉动情况要优于小流量工况．
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  泵理论与技术

  基于LDV的离心泵小流量工况内流场测量

  冯建军, 武桦, 罗兴锜, 卢金玲

  2013, 31(2): 109-112. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.004

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  为了研究离心泵中的脱流现象,利用二维激光多普勒测速仪对一低比转数带导叶扩压器离心泵叶轮在4种小流量工况下(075Qd,050Qd,040Qd和030Qd)的内部流动进行了精确测量．基于测量结果,得到了各种工况下测量点上的相平均速度场和湍流强度场．通过分析测量结果发现在工况075Qd下,叶轮内没有脱流发生．而在工况050Qd,040Qd和030Qd下,叶轮流道中呈现“两流道”脱流现象:相邻两个叶轮流道中的脱流大小和类型完全不同，但此时脱流呈现出120°的周期性,这可能与叶轮叶片数和扩压器导叶叶片数的比率(6∶9)有关．此外,对比分析了各种工况下各个速度分量和湍流强度的分布规律．结果显示:离心泵叶轮内的湍流强度随着流量的减小而增大．在离心泵叶轮出口附近,流量为0.75Qd时,最大湍流强度达到0.06(基于叶轮出口圆周速度u2);而对于工况0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd,其最大湍流强度达到了0.12～0.14．
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  泵理论与技术

  螺杆泵定子及泵内流体温度场分布规律

  薛建泉, 张国栋, 李敏慧, 谷国剑, 蒋嫚

  2013, 31(2): 113-117. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.005

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  为了有效解决螺杆泵井出现的烧泵问题,延长其检泵周期,提高经济效益,基于汽车滑移理论,建立转子生热率及非稳态温度场模型,并根据控制容积热平衡法进行求解．根据热力学第一定律,建立泵内流体增压升温模型,通过迭代计算确定螺杆泵定子截面最高温度沿轴向分布、泵内流体温度分布规律,研究了不同排出口压力、生产气油比下的温度分布规律．结果表明:由于定、转子之间的配合关系以及相对运动关系,转子截面温度场分为高温区和低温区,其轴向存在一条明显的螺旋状破坏带;定子截面最高温度沿轴向分布和泵内流体温度分布受泵内压力分布支配分为2个阶段,并随排出口压力增大向吸入口偏移;生产气油比的增大减弱了定子内壁面与泵内流体之间的对流传热,改变了泵内流体的物性参数,从而使得定子截面最高温度和泵内流体温度升高,并且其对温度场的影响主要作用在泵排出端．
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  泵理论与技术

  水泵叶轮逆向工程软件开发及应用

  蒋小平, 施卫东, 李伟, 刘厚林, 谈明高

  2013, 31(2): 118-122. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.006

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  逆向工程能为水泵叶轮的数值模拟、有限元分析、快速成形、产品数字化加工制造以及优化设计等提供直接的几何模型支持．在VC++ 60平台上,应用MFC，ADO，OpenGL，VTK等开发工具,利用模块化编程技术,针对从工业CT获取的叶轮高精度断层切片图像序列,通过图像预处理、二维图像处理以及二维几何处理等数字图像处理技术,编程完成了叶轮断层图像序列表面轮廓的三角面片三维重建及半边结构边界模型的叶轮三维实体转换,开发出了具有多个数据输入、输出接口的水泵叶轮逆向工程软件ReImpeller．应用该软件重建得到了精度较高的叶轮三维模型,以STL数据格式导出并进行快速成型,重建的叶轮零件与其原型相比,形状误差仅为064％,表明ReImpeller具有一定的可行性与实用性．
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  泵理论与技术

  载荷分布规律对混流泵叶轮设计的影响

  常书平, 王永生, 靳栓宝, 苏永生

  2013, 31(2): 123-127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.007

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  基于三元反设计理论,将环量vur沿轴面流线的变化梯度作为载荷分布的控制参数,采用两段抛物线来描述载荷沿轴面流线的分布规律．为了分析载荷分布规律对混流泵叶轮设计结果的影响,建立了“前载型”、“中载型”和“后载型”3种混流泵叶轮．基于雷诺时均的Navier-Stokes方程、SST湍流模型和多参考坐标系模型对3种叶轮内流场进行数值模拟,对叶轮的能量性能和叶片表面压力分布进行分析．结果表明:采用两段抛物线表示载荷沿轴面流线的分布规律是合理的,基于载荷分布的叶片三元反设计能有效控制叶片表面的压力分布特性;载荷峰值点越靠近导边,叶轮的扬程、功率和效率值越高;在设计流量工况,前载型叶轮与后载型叶轮的扬程、功率和效率的差别分别为1830％,1640％和201％;不同载荷分布时叶轮能量性能的差别随流量的增加而逐渐明显．
水利水电工程
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  水利水电工程

  水泵水轮机预开导叶的优化分析

  肖若富, 孙卉, 杨魏, 刘伟超, 王福军

  2013, 31(2): 128-131. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.008

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  水泵水轮机在S特性区内运行时将发生机组并网困难或者在甩负荷过程中水压异常上升的问题,使机组震动加剧．目前解决S特性的有效方法为预开导叶,即在小开度下预开启偶数个导叶至指定开度来缓解S特性区的不稳定性．为了探究有效的预开导叶方式,首先分别根据预开导叶的数目及位置的不同,设计4种预开导叶方案,通过全三维流道的数值模拟分析找到能够缓解S特性的最优方案;其次对选定的最优方案进行模型试验并与模拟结果进行对比验证．结果表明:并不是预开的导叶数越多，改善S特性越好;等间隔分布预开导叶改善S特性的效果要优于集中分布的预开导叶方案;最终得出在预开2＃,7＃,12＃,17＃ 2对导叶的情况下对水泵水轮机S特性缓解效果最为明显.计算结果与模型试验的对比表明了模拟结果与试验结果趋于一致．
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  水利水电工程

  抛物线形断面渠道共轭水深的直接计算公式

  冷畅俭, 王羿, 王正中

  2013, 31(2): 132-136. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.009

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  为了给抛物线形断面渠道闸后水跃共轭水深的计算提供显函数计算公式,对抛物线形断面共轭水深函数求一阶导数,并令导数函数为0求出临界水深;利用跃前水深与临界水深之比、临界水深与跃后水深之比，分别作为量纲为一的跃前水深和跃后水深,并引入量纲为一的共轭水深函数,使共轭水跃方程转化为量纲为一的函数方程,在对该方程分离变量后结合跃前、跃后水流能量特征建立跃前水深和跃后水深的迭代计算公式,并证明迭代公式的收敛性;为了进一步提高迭代方程的收敛效率,以量纲为一的跃前水深与跃后水深之积的最大值处,亦即迭代收敛最慢点处的真解的修正值为迭代计算初值,配合迭代方程进行一次迭代得到较为精确的直接计算公式．误差分析表明:在工程常用范围内,提出的跃前水深、跃后水深直接计算式的最大相对误差分别为047％和055％,公式简捷、准确、适用范围广．
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  水利水电工程

  多能互补发电系统抽水蓄能模型及运行策略

  任岩, 郑源, 周兵, 郭齐珂

  2013, 31(2): 137-141. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.010

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  根据多能互补发电系统的特点和作用,建立了系统中抽水蓄能的数学模型,提出了系统中抽水蓄能的运行策略,即按给定负荷运行,具体在本系统中即为按系统净负荷运行．由此提出系统中抽水蓄能的控制方式.当系统净负荷大于0时,抽水蓄能机组运行在水轮机工况,分3种情况:当系统净负荷小于水轮机工况的启动功率时,抽水蓄能机组不运行;当系统净负荷大于水轮机工况的启动功率而小于水轮机工况的额定功率时,抽水蓄能机组按净负荷功率运行在水轮机工况;当系统净负荷小于水轮机的额定功率时,抽水蓄能机组按水轮机工况的额定功率运行．当系统净负荷小于0时,抽水蓄能机组运行在水泵工况,分2种情况:当系统净负荷小于水泵工况的额定功率时,抽水蓄能机组不运行;当系统净负荷大于水泵工况的额定功率时,抽水蓄能机组按水泵工况的额定功率运行．
流体工程
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  流体工程

  船舶用输液管路新型消声器特性分析

  许伟伟, 吴大转, 王乐勤, 郝宗睿

  2013, 31(2): 142-145. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.011

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  为降低管路辐射噪声及流体脉动,设计一种用于输液管路的新型消声器,通过试验与数值计算相结合的方法评估其消脉降噪性能,采用一维模型与三维有限元模拟计算其传递损失,利用水听器测试安装消声器前后管口辐射噪声,并采用Adina流固耦合有限元软件评估其消脉性能．结果表明:一维计算模型与三维有限元模型预测消声器传递损失吻合较好;管口声辐射主要与管路动力装置周期噪声以及流体脉动频率有关,故降低流体脉动亦可降低管口声辐射;消声器针对特性频率具有消声效果,在6 000 Hz 1／3倍频程处,消声器降低声压级35 dB;在消声器内壁增加弹性元件,使流体与弹性壁发生耦合,有利于改善管道内流体的脉动,当流体脉动频率为250 Hz、弹性元件弹性模量为267 MPa时,消声器可降低流体脉动幅值达70％．
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  流体工程

  潜水搅拌机分布对污水处理池搅拌效果的影响

  田飞, 施卫东, 卢熙宁, 陈斌, 欧鸣雄

  2013, 31(2): 146-150. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.012

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  为研究潜水搅拌机的分布对污水处理池内搅拌效果的影响,采用三维建模软件 Pro／E建立实体模型,利用ICEM大型软件对污水处理池进行非结构化四面体网格划分,在 Fluent 63计算流体力学软件平台上,采用动坐标系技术、RNG k-ε湍流模型和PIOS算法,对潜水搅拌机搅拌的污水处理池进行数值模拟,分析全池内流体的宏观流场与各截面速度流场分布,考察各潜水搅拌机的效率,同时对污水处理池内的流体平均速度及搅拌面积率进行了研究．计算结果表明:优选方案H中,3个潜水搅拌机转速为1 200 r／min,安装角度分别为45°,30°,30°,其搅拌面积率超过90％．在3个潜水搅拌机搅拌下,污水处理池内流体形成连续循环水流,搅拌充分,平均流速在0.3 m／s左右,符合潜水搅拌机工作要求．利用此方法,可为潜水搅拌机的实际工程应用提供参考依据．
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  流体工程

  双层桨搅拌槽内气液分散特性的CFD-DPM模拟

  李良超, 徐斌, 向科峰

  2013, 31(2): 151-156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.013

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  为研究气液搅拌反应器内气体的分散和返混效果对反应器性能的影响,基于计算流体动力学(CFD)软件Fluent 62,液相和气相分别采用Euler模型和离散相模型(DPM),对双层六直叶圆盘涡轮桨(6-DT)搅拌槽内气液两相流动进行数值模拟,得到了槽内宏观流动场和气含率分布．通过统计不同时刻逸出液面的示踪气泡数量,对搅拌槽内气体停留时间分布进行了分析．研究结果表明:搅拌槽内液相在每层桨区形成了典型的双循环流型,槽内共有4个循环涡存在,气体易在循环涡涡心处聚集导致局部气含率相对较高,而在槽底区和两桨间区局部气含率相对较低;搅拌槽内气体停留时间分布具有单峰和拖尾现象,并受流型、气泡尺寸和操作条件等影响;提高搅拌转速或减小通气量有利于气体在槽内返混和分散．
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  流体工程

  基于CFD的球阀三维流场数值模拟

  张生昌, 张玉林, 方志明, 柯愈龙

  2013, 31(2): 157-161. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.014

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  为了探索新型转子式油气混输泵出口球阀内流场规律,建立球阀流场的三维模型,利用Fluent软件,将标准k-ε湍流模型与多相流技术相结合,采用SIMPLE算法,对新型转子式油气混输泵出口球阀内的三维气液两相流场进行数值模拟.在容积含气率为25％,50％,75％的不同工况下,通过对球阀开启高度分别为3,5,7 mm时的速度场、压力场与气液相分布的分析,探讨在气液混输过程中阀的开启高度及不同气液比对阀内流场的影响规律.模拟结果表明:球阀开启高度越大,阀球上下压差越小;阀隙流速随着开启高度的增大而减小.在气液混输过程中气相介质主要靠近阀球壁流动,同一开启高度下气液比对阀隙流速的影响较小.研究结果直观展现了球阀内流场形态,在一定程度上揭示了气液两相介质在阀内的流动规律,为新型转子式油气混输泵出口球阀的设计与优化提供理论指导.
农业水土工程
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  农业水土工程

  文丘里施肥器结构参数优化对吸肥性能的影响

  严海军, 陈燕, 初晓一, 徐云成, 王志鹏

  2013, 31(2): 162-166. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.015

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  为了降低文丘里施肥器进出口压差和提高吸肥效率,选取文丘里施肥器的7个关键参数,采用正交设计方法构造了18种结构参数方案．应用CFD技术模拟分析了每种方案的吸肥性能,以吸肥效率为评价指标提出了最优结构参数方案,并加工成样品,与优化前产品进行了吸肥性能试验对比．结果表明:进口压力不变时,文丘里施肥器吸肥流量随着进出口压差的增大而增大;当吸肥流量相同时,进口压力越大,则所需的压差越大．优化后的吸肥流量较优化前平均提高了1146％,最大吸肥流量平均提高了315％．不同的进口压力下,文丘里施肥器开始吸肥时临界压力比几乎是定值,优化前后平均值分别为046和061,表明结构优化后文丘里施肥器的工作压力范围得到了拓宽,验证了结构优化设计和数值模拟的可靠性．
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  农业水土工程

  武功地区气候变化及其对夏玉米单产的影响

  丁浩, 汪志农, 尚虎君, 张有功

  2013, 31(2): 167-172. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.016

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  基于陕西武功站1935—2010年的逐月气象数据及夏玉米产量等资料,采用Mann-Kendall法、直线滑动平均模拟法和通径分析法,分析了武功地区1935—2010年各个气象因子的变化特征以及气候变化对夏玉米单产的影响．结果表明:该地区最低气温呈上升趋势,风速、日照时数呈下降趋势;夏玉米生育期最低气温和相对湿度呈上升趋势,最高气温、日照时数和风速均呈下降趋势,变化速率分别为0116 ℃／10a,0006／10a,-0158 ℃／10a,-26707 h／10a和-0063 m／(s·10a),SPI呈减小趋势,气候朝干旱演变;夏玉米生育期各气象因素能综合其他气象因素的信息对单产产生作用,日照时数对夏玉米单产综合决定能力最高,决策系数为2309％,降水量呈减小趋势是夏玉米单产增加的主要限制性气象因素,决策系数为-673％;通过技术创新等人为因素作用,可在一定程度上缓解气候变化给武功地区夏玉米生产带来的负面影响．
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  农业水土工程

  涌泉根灌土壤湿润体运移模型

  张智韬, 吴普特, 陈俊英, 朱德兰, 樊晓康

  2013, 31(2): 173-179. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.017

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  为了探明涌泉根灌土壤入渗湿润体运移的变化规律,以黏壤土为例,在室内选取不同土壤容重、初始含水率、灌水器套筒透水部长度和埋深等4个因素进行试验,研究这些因素对涌泉根灌土壤入渗湿润锋随时间运移关系的影响．结果表明：土壤入渗湿润锋运移速率随土壤容重的增大而减小,随土壤初始含水率的增大而增大,随套筒透水部管长的增长而增大,但不同埋深对灌水器湿润锋的推进速度无显著影响,涌泉根灌土壤入渗湿润体随时间的运移符合幂指数关系,幂指数在水平和垂直向分别为032和02．以此为基础分别建立了湿润锋在水平和垂直向运移距离的预测模型,并建立了包括土壤容重、初始含水率和灌水器套筒透水部长度的综合预测模型．用建立的综合模型对涌泉根灌土壤入渗湿润锋运移距离进行预测,并对预测值与试验值进行了比较后得出,综合模型的预测精度较高．
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  农业水土工程

  土地整理项目区适宜水面率模型

  丁继辉, 俞双恩, 宋静茹

  2013, 31(2): 180-184. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.02.018

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  针对土地开发整理过程中人为因素的作用使水域面积逐步减少、水域功能退化等问题,分析了国内外相关研究进展,确定了研究目标及内容,并依据水文学和农田灌排基本原理,从防洪、抗旱、除涝和环境等多角度出发,对土地开发整理项目区的产汇流和需水容量进行分析;根据土地开发整理项目所在区域的位置、地形、水系条件等提出土地整理项目区适宜水面率分析模型,结合江苏土地整理项目实际,利用自行开发的分析软件进行分区水面率分析计算,结果表明:赣榆县黑林镇土地整理项目区(丘陵)的适宜水面率为471％,江苏省丘陵区土地整理项目平均适宜水面率为511％,范围为35％～7％;滨海县蔡桥镇土地整理项目区(平原)适宜水面率取858％,江苏省平原区土地整理项目平均适宜水面率为769％,范围为6％～9％．