排灌机械工程学报

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泵理论与技术

2种隔舌模型对离心泵性能模拟的影响

袁寿其, 衡亚光, 洪锋, 袁建平, 司乔瑞, 胡博

2013, 31(7): 553-557. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.001

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为了提高离心泵性能预测的精确度,降低水泵研发成本,对2种影响泵性能较大的隔舌模型进行了对比研究.通过Ansys ICEM CFD软件对离心泵3个结构部分进口、叶轮、蜗壳进行网格划分,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,进口段与叶轮壁面粗糙度0.02 mm,蜗壳壁面粗糙度0.05 mm,采用k-ε湍流模型并计算机械损失11%,容积损失4%,将模拟结果与试验数据进行对比发现:在各流量工况下,圆角隔舌模拟结果与试验数据误差较小且保持稳定;矩形隔舌模拟结果在小流量工况下接近试验数据,在大流量下则误差较大.通过压力分布和流线图发现随着流量的增大,圆角隔舌的高压区和流线分布都较为稳定,矩形隔舌在额定流量和大流量下高压区扩散,并且有旋涡产生,旋涡随流量增大而增强,影响了蜗壳内部流动,使得模拟误差变大.研究对比了2种隔舌模型外特性的差异,并通过流场分析找到了产生差异的原因,表明对隔舌进行圆角处理能明显地改善内部流场,从而提高泵的性能.

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泵理论与技术

诱导轮内部液氢空化流动特性

王小波, 王国玉, 时素果, 吴钦

2013, 31(7): 558-564. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.002

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为了研究以液氢作为流动介质的诱导轮的空化特性,采用数值模拟方法分别计算了诱导轮内部液氢和水的空化流动.计算中采用一种基于Kubota模型自开发的且考虑热力学效应影响的空化模型,湍流模型采用SST k-ω双方程模型,计算模型和方法通过试验进行了验证.通过对比计算,获得了2种介质在不同空化条件下诱导轮内部的空化流场,分析了2种介质下诱导轮的能量性能和空化性能.结果表明:修正的Kubota空化模型能够很好地模拟考虑空化热力学效应的诱导轮内部液氢的空化特性;相比水体而言,液氢为流动介质时诱导轮扬程有所提高,临界空化数变小,空化区域减小,这是由于介质特性特别是热力学效应的影响;以液氢为介质时,诱导轮的空化性能相对于水介质将有明显的改善,初生空化数将减小.

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泵理论与技术

自吸泵自吸过程瞬态流动的数值模拟

李红, 徐德怀, 李磊, 涂琴, 邹晨海

2013, 31(7): 565-569. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.003

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为研究自吸泵的瞬态气液两相流动过程,应用VOF多相流模型并结合滑移网格技术,采用标准k-ε湍流模型,以泵的进口速度实测值为边界条件,对型号为65ZB-40C的外混式自吸泵自吸瞬态过程内部流场进行了数值模拟.将叶轮分为8个区域,将蜗壳划分为10个断面并设定监测点,分析自吸过程中自吸泵叶轮各区域、蜗壳各断面监测点及其他关键监测面的压力、体积含气率及速度的变化过程.结果表明:在自吸初期和末期,泵内部多数区域压力和体积含气率存在着一个迅速变化过程,叶轮进口、蜗壳各断面、回流孔及气液分离室进口处的速度在自吸初期存在振荡,表现出明显的瞬态效应.所采用的模拟方法能够对自吸泵自吸过程各参数进行初步预测,研究结果对于自吸泵的自吸过程内部流动特性进一步研究具有一定的参考价值.

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泵理论与技术

缝隙引流叶轮离心泵空化试验研究

陈红勋^,, 林育战, 朱兵

2013, 31(7): 570-574. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.004

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在额定转速、不同流量工况下,对带有缝隙引流叶轮和常规叶轮的低比转数离心泵进行空化试验,通过安装在待测试离心泵不同位置上的加速度传感器获得相应的振动加速度信号,进而分析2种叶轮离心泵的空化特征信号,对比2种离心泵的空化特性.试验结果表明:缝隙引流叶轮离心泵比常规叶轮离心泵有更好的抗空化性能;Q=26 m³/h时,在空化过程中3个振动测点处的加速度信号有效值均随有效空化余量的减小而增大,并且缝隙引流叶轮离心泵的振动弱于常规叶轮离心泵,说明振动加速度测试可有效监测空化发生前后信号的变化;在本次试验的多个测点中,出口处的振动测点对空化较为敏感,更适宜作为空化监测点.

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泵理论与技术

低比转数潜水排污泵的内部流场PIV试验研究

陈斌^,, 张华, 施卫东, 巴延庆, 董绵杰

2013, 31(7): 575-579. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.005

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针对低比转数潜水排污泵的研究现状进行调研后发现,目前主要的研究手段以数值计算为主,缺乏对其内部流场的可视化试验研究,因此,为揭示低比转数潜水排污泵内部流场的物理结构及流场演化过程,针对一比转数n_s=60的潜水排污泵进行结构改造后,以透明的有机玻璃材料代替传统的金属材料,以空心玻璃球作为示踪粒子,进行了不同工况下的二维PIV测试.试验结果表明:在科氏力的作用下,叶片进口吸力面上的相对速度大于压力面上的,而叶片出口则相反;在大流量工况下叶片进口边的速度梯度最大,叶片出口的“射流-尾迹”现象也最为明显;在不同流量工况下,叶片压力面一侧均存在一定脱流现象,该脱流区域随流量的减小向叶片出口方向移动,并逐渐形成一个与叶片旋转方向相反的旋涡;当流量为0.2Q_d时,该旋涡位于叶片流道出口中心,并堵塞了大部分流道.

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水利水电工程

冯家山水库供水持续性评价

刘平平, 粟晓玲

2013, 31(7): 580-585. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.006

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结合可持续发展理念与风险分析的理论和方法,选取可靠性、弹性、脆弱性、均方差及最大缺水率等5个性能指标为持续性指标,以冯家山水库为研究对象,针对生活、工业、生态环境、农业灌溉等水库用水户,合理选取性能指标构建持续性指标,对其持续性进行了评价;并用这4个用水户作为用水群的组成构建群持续性指标对水库供水持续性进行了评价.冯家山水库供水持续性评价结果表明,在现状情形下,水库供水持续性为35%,持续性较低;尤其农业灌溉供水持续性仅为29%.减少农业灌溉对水库需水要求的30%时,生活、工业、生态环境、农业灌溉用水户的可靠性及持续性都得到提高,此时,农业灌溉供水持续性为40%,水库供水持续性为45%,水库供水持续性得到提高.可在灌区采取一定的节水措施,以减少农业灌溉对水库的需水,提高农业灌溉用水户的持续性和水库供水持续性,降低缺水风险,促进水库的可持续发展.

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水利水电工程

基于突变分级模型的淤地坝坝系规划方案优选

张先起, 彭小飞, 范瑞祺

2013, 31(7): 586-591. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.007

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淤地坝坝系规划方案优选需要考虑水沙控制能力、拦泥能力、淤地能力与投资效益等多方面的因素,是一个典型的复杂系统多准则决策问题,复杂系统多准则决策通常具有模糊性与不确定性.利用突变理论处理模糊与不确定问题的优势,提出了淤地坝坝系规划方案评价指标体系,建立了基于突变分级评价法的淤地坝坝系规划方案优选模型,给出了应用该模型的具体步骤.将该模型应用于偃师市浏涧河流域坝系方案优选中,对底层指标量纲一化处理并进行归一运算,利用归一公式的聚集机理对各指标的重要性进行量化,比较各方案的总突变隶属函数值,从而确定淤地坝坝系规划方案优选结果.结果表明:方案Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ总突变隶属函数值分别为0.959 2,0.918 1,0.948 4,方案Ⅰ最优,其评价结果与传统的人工对比分析方法评价结果一致,从而验证了突变分级评价模型用于淤地坝坝系规划方案优选的合理性和可行性.

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流体工程

微型自动排气阀的工作机理与排气特性

吴大转^,, 刘巧玲^,, 赖周年^,, 王乐勤^,

2013, 31(7): 592-597. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.008

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为研究某微型自动排气阀的工作机理和排气特性,并为性能预测和优化设计提供理论基础,采用CFD计算方法对其内部流动和排气特性进行数值模拟研究并进行试验验证.建立了排气阀完整的CFD分析模型并进行三维流场计算,获得了排气和排油状态下的内部流场结构和相应的截止压力.分析了阀瓣位置、流道尺寸对球体升力和阀门截止压力等参数的影响,比较了CFD计算结果和通用理论公式计算结果.建立了排气阀排气特性的测试装置,对排油和排气工况下的截止压力进行测量.研究结果表明:基于CFD分析的截止压力预测结果与试验结果吻合较好;在油介质条件下,通用理论公式计算结果相对CFD预测结果存在较大误差,在空气介质下,两者吻合较好;阀瓣1/2腔高位置的计算结果较为合适;该类型排气阀在结构等比例放大后可保持截止压力不变;所得计算方法及排气特性分析结果可应用于微型排气阀的设计与优化.

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流体工程

摆线泵内转子磨料流均匀化抛光及试验研究

丁金福, 张克华, 许永超, 袁亮亮, 程光明

2013, 31(7): 598-604. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.009

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为了降低内转子的表面粗糙度,提出了一种利用磨料流对内转子表面实现均匀化加工的抛光方法.采用与内转子壁面等宽度的方法设置模芯,通过建立均匀化流道,改善壁面的剪切应力分布,使内转子各曲面间的壁面所受剪切应力趋向一致.依据磨料流的流变特性,建立幂律方程,分析磨料流加工过程的剪切率及剪切应力分布状况,并利用COMSOL Multiphysics软件的CFD模块模拟磨料介质在均匀化流道下的表面加工流速、剪切率和剪切应力的分布.结果表明:在无模芯时利用磨料流加工,内转子各表面的剪切速率差值较大;置入模芯后内转子曲面各部分所受的剪切应力比无模芯时明显得到改善,经20次加工循环后,各表面间的粗糙度最大差值由无模芯时的0.847 μm降至0.277 μm,且有效地提高了加工效率及表面质量.

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流体工程

不等温下螺旋槽干气密封端面压力分布计算

陈侃, 黄泽沛, 姚进, 张智

2013, 31(7): 605-610. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.010

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以干气密封无限窄槽理论为基础,提出了不等温假设条件修正算法.利用机械密封端面温度分布近似算法求解干气密封端面温度分布函数,与液体介质情况不同的是,对于空气,其热传导角根据经验取为液体的3倍.为了更方便地求解Gabriel算法中的微分方程,采用线性曲线拟合方法获得与前面求得的温度分布函数近似的密封端面温径关系曲线T(r).将T(r)代入Gab-riel算法中代替原来的温度常量T,从而得到非等温条件下的螺旋槽干气密封端面压力分布微分方程.采用4阶龙格库塔法求解该微分方程,得到沿半径方向的端面压力分布.通过与文献结果对比发现,当膜厚分别为5.08,3.05,2.03 μm时,采用非等温条件修正后的算法所得槽根处压力p_g比原算法提高了6.8%,5.0%,2.7%.计算结果较好地反映了干气密封端面压力分布槽根处最高、外半径处次之、内半径处最小之一般规律.与有限元法相比,该算法应用更为便捷.

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农业水土工程

控制灌溉稻田土植系统Cd,Cr迁移转化

彭世彰, 乔振芳^,, 徐俊增, 张剑刚, 金小平

2013, 31(7): 611-616. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.011

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为研究不同灌溉模式下稻田土壤Cd,Cr淋失量差异及其对Cd,Cr迁移转化的影响,基于田间小区试验对土壤和水稻植株中Cd,Cr含量进行了分析.研究结果表明:与淹水灌溉相比,控制灌溉可减少水稻全生育期稻田土壤Cd,Cr淋失量53.3%和19.3%.控制灌溉降低了稻田土壤Cd,Cr含量,但处理间稻田土壤Cd,Cr含量不具有统计学意义.与淹水灌溉相比,控制灌溉0~20 cm土壤Cd,Cr含量分别下降了1.2%和0.6%.由于水分管理不同,导致控制灌溉表层土壤Cd,Cr的赋存形态与淹水灌溉的差异.大部分时间里控制灌溉的稻株地上部和地下部Cd,Cr累积量均高于淹水灌溉,说明控制灌溉增大了土壤Cd,Cr在植株体内的吸收.无论是控制灌溉还是淹水灌溉,稻穗Cd含量低于我国食品安全国家标准(0.2 mg/kg),而稻穗Cr含量略高于我国食品安全国家标准(1.0 mg/kg),存在着Cr超标的潜在风险.因此,这2种灌溉方式在预防重金属污染方面不可取,会影响人类健康.

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农业水土工程

土壤溶质迁移的高次幂函数近似解析模型

魏峰^,, 王全九, 周蓓蓓

2013, 31(7): 617-622. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.012

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为了利用解析模型模拟土壤溶质迁移过程、估计土壤溶质迁移参数,在假定土壤溶质质量浓度分布为n次幂函数的基础上,结合边界层方法,将描述土壤溶质质量浓度分布的低次幂函数进一步推广,得到土壤溶质迁移的n次幂函数近似解析模型.在2个时刻(t=360,720 min)、较大距离(120~450 cm)时,利用不同次幂函数模型对溶质迁移过程进行比较分析,模拟结果表明孔隙水流速度较小(v=0.01 cm/min)时,在短历时(t=360 min)、长距离(x>50 cm)处,六次幂边界层解与其他次幂边界层解相比具有较高精确度;对边界层距离公式受各参数的影响进行模拟计算,分析结果表明:较小的孔隙水流速度(v≤0.01 cm/min)对边界层距离影响甚小;基于较小土壤孔隙水流速(v=0.01 cm/min)及测量仪器的不同灵敏度,利用不同次幂边界层距离公式对土壤溶质迁移参数进行数值计算比较及误差分析,结果表明用较高灵敏度的仪器进行测量,结合六次幂的边界层距离公式可准确地推求土壤溶质迁移参数弥散系数D及延迟因子R.

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农业水土工程

新疆旱区浅层土盐分动态及其影响因素

王少丽^,, 焦平金^,, 许迪^,, 瞿兴业^,

2013, 31(7): 623-628. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.013

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以新疆农七师125团灌区为研究对象,基于169个点的2002—2008年表土层0~30 cm的盐分数据,采用统计分析和其他相关分析方法探讨了表土盐分的年际变化特征及其影响因素.结果表明,2002年以后面上平均的表土盐分总体呈下降趋势,脱盐率为18%.滴灌使用年限、土壤质地、土壤本底盐分状况和地下水埋深对表土盐分有一定影响,但在现有条件下均不及降雨量影响显著.不同土质表土盐分的变化特征,呈现出轻质土盐分波动幅度大于重质土、轻质土易于积盐和脱盐、重质土盐分变化则较为稳定的特征,而不同滴灌使用年限之间没有明显的差别和规律性.表土盐分变化与年降雨量之间关系密切,根据年降雨量与近期多年平均降雨量差值和次年表土盐分与当年表土盐分差值,建立了表土盐分与主要影响因素——年降雨量的关系,并提出保持表土盐分稳定的平衡降雨量为192 mm,以及根据当年降雨量与平衡降雨量的差值预测预报下年度盐分状况及水量调控措施.

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农业水土工程

不同质地斥水土壤的入渗模型

宋红阳, 李毅^,, 贺缠生

2013, 31(7): 629-635. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.014

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为了对斥水土壤的入渗特性及形成机理作进一步研究,分别对4种不同质地的斥水土壤进行了一维土柱垂直积水入渗试验.作图分析了斥水土壤入渗过程中累积入渗量、入渗率、湿润锋的变化情况及入渗结束后剖面含水率的分布,并采用4种入渗模型对入渗率随时间变化情况作了对比;对累积入渗量与湿润深度之间的关系采用线性关系进行了描述.结果表明:与亲水土壤相比,4种斥水土壤在入渗过程中自某一时刻会出现入渗特性的改变:I-t,zf-t及z_f-I曲线均会自某点起发生转折,以此转折点可以将整个入渗过程分为转折前和转折后进行分析.Kostiakov公式可以较好地描述亲水土壤在整个入渗过程中及斥水土壤入渗转折前的i-t关系;不同质地的斥水土壤在入渗转折后入渗率变化情况差异较大;斥水土壤湿润锋与累积入渗量之间的关系可以在转折前后采用两段线性公式进行较好地描述;发现了斥水土壤剖面较上层土壤含水率大于亲水土壤的现象.

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农业水土工程

黄土高原雨水资源化潜力与时空分布特征

张宝庆^,,, 吴普特^,,, 赵西宁^,,, 王玉宝^,,

2013, 31(7): 636-644. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.07.015

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为了缓解黄土高原干旱缺水与水土流失并存的现状,基于可变下渗容量模型计算了整个黄土高原近40 a逐月雨水资源化潜力,并对各分区可利用潜力大小、构成及其时空变化特征进行了对比分析.结果表明:黄土高原可利用雨水资源化潜力总量较为可观;土壤有效水是雨水资源化潜力的主要组成部分;雨水资源化潜力较丰富的黄河河龙区间、泾洛渭流域和汾河-伊洛沁河流域,其地表径流占雨水资源化潜力比例相对较高,该区域同时又是黄河泥沙主要来源地,可重点研发和应用降雨径流汇集、蓄存和集雨补灌等技术,以达到合理调控利用地表径流、减缓水土流失的双重目的;近40 a各分区雨水资源化潜力均呈现出略微下降趋势,但该趋势并不显著;黄土高原雨水资源化潜力空间上呈由东南向西北递减趋势,可利用潜力较大的区域主要分布在黄河中游地区.

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