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• 2013年, 31卷, 第3期
  刊出日期：2013-03-25

    

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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

  灯泡式贯流泵空化流的数值研究和性能预测

  唐学林, 黄微, 王福军, 吴玉林, 刘竹青

  2013, 31(3): 185-189. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.001

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  采用RNG k-ε湍流模型、完全空化模型对低扬程灯泡式贯流模型泵设计工况下的空化流动进行全流道数值计算,并预测其汽蚀性能曲线．选择包括空化开始出现、临界汽蚀余量点、空化严重时6个工况比较分析贯流泵内部空化流动的发展情况．计算获得了不同汽蚀余量时灯泡式贯流模型泵叶轮叶片吸力面静压、气体体积分数分布以及不同轴截面上的气体体积分数分布．计算结果表明:在给定的计算流量条件下,空化发生初期,空化发生在叶轮叶片吸力面的进口边,随着有效汽蚀余量的降低,预测了叶轮流道内的空化区域的演变,这些现象将会影响贯流泵的能量特性;在给定流量的其他空化条件下,当汽蚀余量为081 m时,Z=-20 mm横截面上的气体体积分数超过10％的区域占据了Z=-20 mm横截面进口流道的1／3,此时大量气泡严重堵塞叶轮流道．该灯泡式贯流泵空化流动的所有计算成果都可以被用来优化贯流泵的水力与结构设计．
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  泵理论与技术

  采样频率和时间对轴流泵压力脉动特性的影响

  施卫东, 姚捷, 张德胜, 张华, 吴苏青

  2013, 31(3): 190-194. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.002

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  为了更准确地分析轴流泵的压力脉动特性,基于结构化网格,在考虑叶顶间隙的情况下,以时均N-S方程为基本控制方程,采用标准k-ε双方程湍流模型和SIMPLEC算法,对轴流泵模型进行了不同的采样频率和采样时间下的全流场非定常数值计算,并分析其对计算结果的影响．结果表明:在进行压力脉动分析时,若取静压作为傅里叶变换的纵坐标,频域图中频率为0时的物理意义即该点平均静压值;采样频率和采样时间对轴流泵压力脉动时域特性和频域特性具有重要影响,指出了因采样频率过小而导致的混叠现象在时域和频域中的表现;并推导出当保证采样时间与叶轮周期和叶片数乘积的比值达到整数倍关系时,基频处不会发生频谱泄漏,并建立了普遍适用轴流泵压力脉动数值计算采样时间的选取公式,进而从公式得出针对不同转速的轴流泵,应选择不同的采样时间．结果为进一步分析轴流泵压力脉动提供了一定参考．
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  泵理论与技术

  基于反转双吸泵的液力透平全特性的数值预测

  陈铁军, 郭鹏程, 骆翼, 吴玉林

  2013, 31(3): 195-199. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.003

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  为了研究一种带导叶的双吸泵反转作为液力透平使用时的性能,采用SST k-ω湍流模型,对该双吸泵的性能进行了预测,并对其反转作为液力透平的性能进行研究,对水泵制动工况以及反水泵工况进行预测．通过液力透平全特征曲线分析,该双吸泵额定工况点效率为893％,反转为液力透平时,额定工况点效率可达905％,且当工作水头大于200 m时,该液力透平具有较宽的工作范围;机组双向运行稳定性均较好,双吸泵不存在驼峰现象,液力透平运行特性曲线中存在明显的“S”特性,运行过程中应尽量避免运行在该“S”区域．通过内流场分析,额定工况下双吸泵和液力透平转轮内部流线规则,无回流和脱流现象;但双吸管与叶轮之间流道狭窄,存在强旋流现象;机组运行在反水泵工况时,转轮内的回流将导致产生失速涡;机组运行在水泵制动区时,转轮内将产生失速．液力透平运行时必须考虑运行工况下的空化现象,避免空化的产生．
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  泵理论与技术

  单腔体气体压电泵设计

  孙晓锋, 杨志刚, 贺业荣, 邵泽波

  2013, 31(3): 200-204. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.004

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  为制造输出性能良好的气体压电泵,设计了一种新型的伞形橡胶阀．分析了伞形橡胶阀的过流特性,并应用Ansys软件,对阀的工作性能进行仿真分析,确定了伞形橡胶阀的前10阶固有频率和阀工作失效时作用在阀两侧的临界压力值．仿真结果表明:在泵工作频率低于阀一阶固有频率时,且当作用在阀两侧的临界压力值大于08 kPa时,阀因为开启高度过大而不能恢复到关闭状态导致泵工作失效．并对泵用压电振子在泵送气体时进行了发热性能测试以及应用伞形橡胶阀所设计的单腔气体压电泵进行输送气体和液体试验,试验结果表明:在110 V正弦交流电压驱动下,驱动电压频率小于400 Hz时,振子的热平衡温度小于70 ℃;输送气体时,在最佳工作频率为380 Hz时,最大输出流量和压力分别为1 889 mL／min和51 kPa;输送液体时,在最佳工作频率为240 Hz时,最大输出流量和压力分别为300 mL／min和250 kPa．
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  泵理论与技术

  低比转数混流泵压力脉动特性的数值模拟

  黎义斌, 李仁年, 王秀勇, 韩伟, 高强

  2013, 31(3): 205-209. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.005

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  为了研究动静干涉对混流泵内部流动非定常压力脉动特性的影响,在混流泵进口截面、动静耦合面以及出口截面取若干压力脉动监测点,采用RNG k-ε湍流模型和滑移网格技术,对混流泵全流场进行三维非定常湍流计算．计算了叶轮进口截面、动静耦合面以及出口截面的压力脉动,利用快速傅里叶变换进行分析,得到了不同特征截面的压力脉动的频率和幅值,并进行外特性试验验证．结果表明:从轮毂到轮缘,压力脉动最大幅值发生在叶轮出口轮缘侧,而压力脉动最小幅值出现在叶片进口轮毂侧,叶轮进口和叶轮导叶间轮缘处监测点的幅值约为轮毂处监测点幅值的2倍;从叶轮进口到导叶出口位置,压力脉动呈现出逐渐增强的趋势．压力脉动最大值发生在导叶出口监测点,且存在一个低频压力脉动;在60％~85％设计流量工况范围内,扬程-流量特性曲线出现正斜率不稳定特性,数值计算与试验结果存在一定差异．
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  泵理论与技术

  串列式轴流泵首次级叶轮能量特性及相互作用

  赵宇, 王国玉, 白泽宇, 俞启东

  2013, 31(3): 210-214. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.006

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  为了分析串列式轴流泵的能量特性以及首次级叶轮之间的相互作用及其对能量特性的影响,采用数值计算的方法,对一串列泵内不同流量工况下的内部流场进行计算．湍流模型采用了一种RANS／LES的混合模式的FBM模型,基于试验结果对数值方法进行了验证,结果显示该数值方法能够较为精确地预测轴流泵的能量特性,FBM湍流模型预测结果精度高于标准k-ε模型．串列泵具有和普通轴流泵不同的能量特性:扬程随流量增大单调减小,功率随着流量增大而缓慢增大,说明串列泵具有良好的调节特性;首级叶轮的能量特性随流量变化而改变,具有和普通轴流泵几乎相同的能量特性,次级叶轮的存在明显改善了首级叶轮在小流量工况下的特性;次级叶轮的能量特性和普通轴流泵相比,具有较大差别,这是由于首级叶轮的存在改善了次级叶轮的进口流动,使次级叶轮在较大流量范围内具有恒定的能量特性．
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  泵理论与技术

  冲压焊接多级离心泵叶轮的疲劳强度

  王洋, 王维军, 王洪玉, 叶道星, 李贵东

  2013, 31(3): 215-219. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.007

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  为了研究叶轮在运行过程中流场压力脉动作用下的疲劳特性,根据流动及结构的相似性,借助Ansys Workbench多物理场协同仿真平台中的CFX软件，对LVS 3-9型立式多级泵首级内的流场进行数值求解,计算了首级叶轮和导叶中的非定常压力脉动特性．采用流固耦合技术(FSI)中的弱耦合方法将计算得到的叶轮表面流场压力施加到叶轮结构上,分析了叶轮在流场中的受力情况,结合叶轮表面的压力分布特征利用叶轮材料的S-N最小二乘拟合曲线确定了冲压焊接叶轮的疲劳极限,并采用Goodman疲劳极限线图对叶轮结构进行了疲劳强度校核评估．研究结果表明:随着半径的增大,叶轮应力沿叶轮流道从进口到出口逐渐减小,叶轮的变形不断增大,在叶轮边缘达到最大值;在相同半径上,盖板与叶片接合的焊接区域应力明显较大;叶轮的变形均表现为沿轴向的弯曲变形,变形方向指向叶轮进口;电阻凸焊叶轮焊点在各工况下均满足疲劳强度要求,其中叶轮在小流量工况下的应力和应力幅最大.
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  泵理论与技术

  高扬程大流量离心泵CFD水力优化设计

  郭建平, 高忠信, 覃大清, 邢海仙

  2013, 31(3): 220-224. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.008

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  选哈电A934模型叶轮作为对象叶轮,以预定的泵扬程流量特性(H-Q)为目标参数,在保证出口角不变的情况下,将对象叶轮出口直径延拓到目标叶轮直径,形成待优化的目标叶轮．使用CFX-TASCFlow软件进行改型设计,针对干河泵站最大扬程、最小扬程以及设计扬程对应的工况点,优化叶轮的轴面形状、叶片数量、叶片翼型以及进出口安放角等参数,直至CFD预测的H-Q特性接近或达到预期的目标,获得满足目标参数的目标叶轮．在此基础上,使用Ansys CFX对目标叶轮进行全通道水力设计,优化流道几何参数,匹配进水管、固定导叶以及蜗壳的几何形状,改善泵进出口区域的流场特性．在哈尔滨电机厂有限责任公司高水头试验II台上进行的模型试验表明,基于CFD技术开发的新型高扬程大流量离心泵在高海拔地区复杂工况条件下,扬程、流量、效率、空化性能等指标均达到了预定的设计目标．
水利水电工程
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  水利水电工程

  超低水头竖井贯流式水轮机转轮数值模拟优化

  杨春霞, 郑源, 郑璐, 李效旭, 周大庆, 李玲玉

  2013, 31(3): 225-229. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.009

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  结合江苏苏北某电站,研究开发了一种设计水头为2 m左右的超低水头竖井贯流式水轮机．基于Navier-Stokes方程,采用SIMPLEC算法对该竖井贯流式水轮机全流道三维定常不可压湍流流场进行了数值模拟,分析了超低水头转轮叶片翼形、直径及安放角对水轮机性能的影响．分析了多个方案的水力性能,选出了最佳的水轮机转轮．结果表明:在满足电站设计要求的情况下,翼型优化后,转轮直径为175 m、叶片安放角为23°时的水轮机,在效率、水力损失等方面都表现出最佳的性能:该超低水头竖井贯流式水轮机在导叶开度为65°,设计水头为21 m时,数值模拟出的流量为1005 m3／s,效率最高为876％．以GD-WS-35水轮机模型试验研究该水轮机的能量性能,在设计工况下,对数值模拟效率最高的水轮机方案试验的结果:模型装置的流量为0398 m3／s,效率为8334％;按原模型转换规律转换为原型装置数据,则流量为996 m3／s,效率为8514％;数值模拟效率比模型试验效率的结果略高,误差范围为±3％．
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  水利水电工程

  导叶关闭规律非线性评价函数及多工况优化

  樊红刚, 崔赫辰, 陈乃祥

  2013, 31(3): 230-235. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.010

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   基于多目标优化基本理论,建立了一种针对导叶关闭规律优化问题的非线性评价函数,并根据导叶关闭规律优化的特点,采用遗传算法建立了导叶关闭规律的多工况优化模型．运用建立的评价函数与优化模型,对某实际电站进行了导叶关闭规律优化计算,并与采用线性评价函数的优化结果进行了比较分析．采用线性评价函数优化的导叶关闭规律,机组最大速率上升值为494％,与控制值50％接近,安全余量仅为06％,但蜗壳末端最大压力头和尾水管进口最小压力头的安全余量分别为4717和2812 m,相对较大;采用非线性评价函数,不需要试算权系数,仅需要给定各优化目标的控制要求即可得到优化的导叶关闭规律,虽然蜗壳末端最大压力头和尾水管进口最小压力头的安全余量分别减小到2501和1765 m,但机组最大速率上升值为461％,安全余量提高到39％,各目标的安全余量分配比较平均．基于非线性评价函数的多工况导叶关闭规律优化得到的结果虽然对单个工况不一定是最优解,但能保证所有工况的各优化目标均能满足控制要求且安全余量分配比较平均,比单工况优化结果更符合实际控制要求．
流体工程
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  流体工程

  新型气液混合喷油刀梁设计及数值模拟

  汪朝晖, 高全杰, 徐占民, 王维

  2013, 31(3): 236-241. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.011

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  针对传统刀梁采用单一防锈油液喷涂存在耗油量大、环境污染严重、表面雾滴沉积性及吸附性较差等缺陷,设计了新型气液混合静电喷油刀梁,建立了其几何模型及数学模型,确定了刀梁设计的关键计算参数.研究结果表明:气液相在新型喷油刀梁混合室产生旋涡流场,使得油液与气体充分混合与破碎,气液速度呈纵向轴对称分布,最大速度值和最小速度值分别为4310 m／s和0287 m／s,最外层等值线处雾滴速度值约为0293 m／s,且刀梁刃口雾滴速度均匀性较好,雾滴呈发散状分布,喷涂范围较宽;气液相经第2次混合,在刀梁引射区至刃口的渐宽缝隙中,雾滴速度逐渐降低,液相中较高压力的气体泡逐渐膨胀,使得雾滴进一步破碎;当喷涂仿真时间分别为0000 1 s时和0002 6 s时,刀梁刃口处雾滴最大粒径分别为70.76 μm和32.94 μm,随着仿真时间增大,雾滴粒径逐渐变小,分布趋于稳定,提高了气液相雾化效果和表面喷涂质量.
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  流体工程

  双作用滑块型双定子马达内漏特征与优化

  闻德生, 张少波, 王远, 常雪, 孔维涛

  2013, 31(3): 242-247. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.012

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  为了准确计算双作用滑块型双定子马达的容积效率以及获得合理的密封缝隙尺寸,基于马达的内部结构,对其内部各种缝隙存在的泄漏进行了详细的分析,得出马达内部泄漏可分3类,泄漏途径有10种.通过建立各泄漏途径的流量数学式,得到马达在普通连接和差动连接两种连接形式下的总泄漏量模型.研究结果表明:双作用滑块型双定子马达的泄漏情况不但与自身的结构参数有关,而且与工作压力以及输出转速正相关,其泄漏量随着马达进出油口连接方式的改变而改变,但总泄漏量遵循一个共同的规律.结合实例进行数值分析,研究了制约双作用滑块型双定子马达不适宜应用在中高压场合的主要因素,得出轴向泄漏在总泄漏中所占比重最大;同时,研究了轴向泄漏随缝隙变化的规律,为合理优化双作用滑块型双定子马达结构提供了依据.
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  流体工程

  蜂窝密封的水封特性

  王文全, 张立翔, 闫妍

  2013, 31(3): 248-252. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.013

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  为研究蜂窝密封的水封泄漏及流动特性,以两平行平板间的蜂窝密封结构为研究对象,数值求解蜂窝密封间隙内流动控制方程和Vreman亚格子紊流模型.采用有限体积方法离散Navier-Stokes方程,扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用二阶迎风差分格式.通过数值求解,得到了不同蜂窝半径和深度下蜂窝结构和与之相对应的梳齿密封结构的水封泄漏流量,分析了蜂窝密封的水封特性和封严机理.计算结果表明:蜂窝结构比传统梳齿结构具有更好的密封性能,蜂窝半径为6 mm,深度为4 mm时泄漏量相对最小,密封效果最佳.同时还发现泄漏量随着进出口压强差的增大而增大,而受板速影响甚微.最后通过对蜂窝内部流动特性分析发现:流体从间隙进入蜂窝空腔后产生了很强的旋涡而耗散部分动能,这种作用对降压节流起到主要作用.
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  流体工程

  三维平行微间隙流场数值模拟

  陈汇龙, 王强, 刘玉辉, 刘彤, 刘志斌

  2013, 31(3): 253-258. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.014

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  为了研究上游泵送机械密封微间隙流体动压效应，将螺旋槽端面微间隙简化为三维直槽端面平行微间隙以排除泵送效应的影响.据此，建立了平底槽、渐扩台阶槽和渐缩台阶槽的平行微间隙液膜几何模型和计算模型，分别在槽板移动和平板移动的情况下针对不同移动速度和不同槽深进行流场数值模拟和开启力计算研究.研究表明：在文中研究参数范围内，无论是平底槽还是台阶槽，液膜收敛区出现高压，液膜发散区出现低压；液膜空化前，无论是槽板移动还是平板移动，平底槽微间隙开启力大小与平移速度、槽深、板间隙大小无关；液膜空化后，平底槽和台阶槽液膜开启力均随平移速度的增大或板间隙的减小而明显增大，但在同等条件下，槽板平移产生的开启力大于平板平移，且槽板平移时加大槽深能增大开启力，渐扩台阶槽平行微间隙能产生更大的开启力.
农业水土工程
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  农业水土工程

  灌区灌溉用水时空优化配置方法

  彭世彰, 王莹, 陈芸, 高晓丽, 张和喜

  2013, 31(3): 259-264. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.015

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  将传统的灌溉水量在作物间的优化分配模型和建立的渠系工作制度多目标优化模型与地理信息系统相集成,提出了基于空间决策支持系统的灌区灌溉用水优化配置的新方法.综合考虑了灌区内作物、土壤、气象站点、渠系布置的空间差异、年季间气象以及作物不同生育阶段对应参数的时间差异.与传统优化方法相比,该方法可根据管理者对优化精度的要求,灵活选择优化尺度,同时,简化了求解时空优化配水问题的繁琐程度,结果表现形式更加丰富.在此基础上建立的空间决策支持系统界面友好,运行效率高,可移植性和通用性强.经实例验证,优化后的配水方案与原配水方案相比较,灌溉总用水量减少296％,产量增加243％,水分生产率提高05 kg／m3,灌溉净效益增加168％.优化后配水方案具有将有限的水资源向经济价值较高作物转移的趋势.该方法为灌区灌溉用水优化配置提供了新思路.
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  农业水土工程

  滴头插入对滴灌毛管水头损失影响试验研究

  仇振杰, 朱德兰, 张林

  2013, 31(3): 265-269. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.016

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  为了提高滴灌毛管水力设计精度,通过试验研究了因滴头插入引起的毛管局部水头损失,根据试验现象分析了毛管局部水头损失占沿程水头损失比例hj／hf、毛管局部水头损失系数ξ,与滴头类型、滴头间距以及雷诺数之间的关系．结果表明:对于不同的滴头和滴头间距,毛管局部水头损失占沿程水头损失比例hj／hf差别较大．在相同间距下,迷宫流道滴头插入导致的hj／hf要大于压力补偿式滴头；对于同一类型滴头,滴头间距越小,局部水头损失越明显,hj／hf越大,且均大于微灌工程技术规范规定；若按规范取沿程水头损失的01～02计算局部水头损失,将导致滴灌工程设计中水头损失计算偏小．不同类型的滴头,毛管局部水头损失系数差异较大,其中迷宫流道滴头ξ基本在06以上,而压力补偿式滴头ξ为03～05,且ξ随滴头间距减小而增大、随雷诺数增大而减小,雷诺数越大,ξ变化越趋于平稳．通过对试验数据进行回归与统计分析,提出了毛管局部水头损失系数计算公式,相关系数R2为0953．
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  农业水土工程

  基于水分胁迫系数的枣树园土壤含水率估算

  胡永翔, 李援农, 张莹, 蒋耿民

  2013, 31(3): 270-276. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.03.017

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  为了实现黄土高原地区滴灌条件下枣树园土壤含水率的小范围快捷监测,根据FAO-56水分胁迫系数的定义和相关计算公式,得到了基于土壤水分胁迫系数的黄土高原地区滴灌条件下枣树根层土壤平均含水率估算公式．2009年4—9月将该公式应用于西北农林科技大学陕西米脂孟岔试验站的枣树试验园,配置了3种不同的土壤含水率控制下限,对枣树2个重要生育期的土壤含水率进行了估算,模拟了水分动态变化过程,并对估算值和实测值进行对比和误差分析．结果表明:采用基于FAO-56水分胁迫系数的计算公式对土壤含水率的动态模拟达到了较高的精度,估算值与实测值之间误差较小:其中开花坐果期各处理(灌水下限为60％,50％,40％的田间持水率)的估算值与实测值之间的相关系数分别为0828 0,0907 3,0935 1;标准误差分别为0055,0093,0068．果实膨大期各处理的相关系数分别为0777 2,0766 7,0905 5;标准误差分别为0057,0092,0079．估算值与实测值之间的相关系数随土壤含水率的增大而减小,随土壤水分胁迫程度的增大而增大,即土壤含水率较高时对公式精度有一定的影响．该方法较适用于黄土高原半干旱地区,对农业用水管理具有一定参考价值．