排灌机械工程学报

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泵理论与技术

地面驱动螺杆泵井合理生产参数配置方法

张国栋, 李明忠, 薛建泉, 王磊, 岳广韬

2013, 31(8): 645-650. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.001

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为了合理配置螺杆泵井的生产参数,使井和泵匹配,基于螺杆泵温度场以及泵内流体压力分布规律,以定子工作条件和泵举升性能为依据,建立了地面驱动螺杆泵井方案校核方法,绘制了方案校核图版.将生产方案划分为“合理方案区”、“烧泵区”和“泵‘击穿’区”,提出了高效点和系统效率曲线相结合的生产参数优选方法,并以真实油井为例进行了计算分析.结果表明:高转速和高下泵深度会增加定子温度和泵举升高度,当其超过螺杆泵的临界使用值时即会引发“烧泵”和泵“击穿”现象.在现场应用中应根据方案校核图版上的高效点和系统效率曲线优选最佳生产参数组合,避开烧泵区和泵“击穿”区,以延长螺杆泵井的检泵周期,提高经济效益.

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泵理论与技术

叶轮口环间隙对井用潜水泵性能的影响

施卫东, 高雄发, 张德胜, 陆伟刚, 张启华, 张霄

2013, 31(8): 651-655. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.002

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井用潜水泵的口环间隙大小对泵性能及流场具有较大影响,基于200QJ80-22井用潜水泵,通过CFD软件对泵全流场进行了数值计算,并与试验结果进行对比分析,研究了不同口环间隙大小对泵外特性和内部流场的影响.数值模拟结果表明,整泵的扬程和效率都随着间隙值的增大而减小,特别是口环间隙值增大到0.70 mm,减小更为明显,但功率变化较小.当间隙值达到1.00 mm时,效率从最高点的77.2%减小为68.7%,同时扬程也随之减小了约3.5 m.口环间隙为0.20 mm时,第一,二级叶轮前盖板腔体内以及叶轮出口与前盖板区域间产生回流,泄漏量较小,对叶轮进口流动和流场影响也较小,当口环间隙值增大至0.50 mm时,第一,二级叶轮前盖板腔体内以及叶轮出口与前盖板区域间回流逐渐消失,但更大的泄漏量冲击叶轮进口处,使叶轮进口过流面积减小,严重影响了泵的水力性能.

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泵理论与技术

外啮合齿轮泵侧隙流量的精确计算

李玉龙

2013, 31(8): 656-661. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.003

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为计算出精确的侧隙流量以克服现有方法上的局限性,通过齿侧轮廓精确分析给出不同啮合位置和不同偏移量下的侧隙高度,然后由齿侧全间隙的等效齿廓和真实齿廓分多种方法计算出侧隙流量,并加以对比分析.结果表明,不同啮合位置处的侧隙流量变化很大,进入困油啮合时侧隙流量最小,退出啮合时侧隙流量最大;在困油压缩区域中,侧隙流量可采用等效齿廓法来计算,但不适用于膨胀区域;孔口流量理论不适宜于侧隙流量的计算,尤其在困油即将终止时以及侧隙值、压差较大时更不可取;任一位置处的齿侧全间隙长度基本保持不变,对于任一偏移量下的间隙值随位置变量的影响很小.同时,得出目前通行的等效齿廓法以及薄壁孔理论不适宜于侧隙流量的计算等重要结论.

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泵理论与技术

叶轮后密封环直径加大量对轴向力特性的影响

刘在伦^,, 李振华, 吴佼, 曾继来

2013, 31(8): 662-666. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.004

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以300QJ230-40/2型潜水泵为研究对象,以清水为介质,采用标准k-ε湍流模型在多重参考系下对该泵全流道进行了定常不可压数值模拟,获得了外特性和轴向力预测值,并绘制了性能曲线和轴向力随扬程变化的关系曲线;采用机械法对该泵轴向力进行了试验测量,并将模拟值与试验值进行对比分析.结果表明:在0.8Q_sp~1.2Q_sp(对应扬程为46~36 m)的工作区域,泵性能和轴向力的数值计算结果与实测结果基本吻合.在叶轮前密封环直径、平衡孔直径及数量不变的条件下,在叶轮后密封环直径加大量Δr_m≠0时,对该潜水泵进行了全流道数值模拟和轴向力数值计算,绘制了不同后密封环直径下泵轴向力随扬程变化的关系曲线,结果表明了加大后密封环直径能有效地减小轴向力;绘制了轴向力系数与比面积关系的无因次曲线.

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泵理论与技术

轮缘间隙对轴流泵内部非定常流场的影响

黎耀军, 沈金峰, 洪益平, 唐学林, 张志民

2013, 31(8): 667-673. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.005

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为研究轴流泵轮缘间隙泄漏流的非定常特征及其对泵外特性的影响,采用基于S-A模型的DES方法和滑移网格技术,对轴流泵在设计流量下的内部湍流进行了数值计算,重点分析了4组轮缘间隙下泵内非定常流场特性及压力脉动特性.在设计轮缘间隙下,计算所得泵扬程和效率与试验数据吻合良好,最大相对误差分别为2.0%和3.0%.计算结果表明:随轮缘间隙增大,水泵扬程和效率均呈下降趋势;轮缘泄漏涡强度和影响范围随轮缘间隙增大而增大,当轮缘间隙为3.3‰D₂时,轮缘泄漏涡扩散至相邻叶片出口边;不同轮缘间隙下,叶轮区压力脉动频率均以叶频为主;靠近叶片进口的叶轮室内壁压力脉动幅值随轮缘间隙的增大呈减小趋势,叶轮室中部压力脉动随轮缘间隙增大而增大;叶轮出口断面的压力脉动频域特性在不同轮缘间隙下均以1倍叶频为主,脉动幅值随轮缘间隙增大而减小.

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泵理论与技术

离心泵作透平的研究现状

王桃^,, 孔繁余, 何玉洋, 杨孙圣

2013, 31(8): 674-680. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.006

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为深入研究离心泵作透平回收工业余能和开发微型水电,综述了离心泵作透平的研究现状.泵作透平的研究主要采用试验研究、理论分析和数值模拟的方法.总结了泵作透平的主要研究内容:泵作透平的选型及性能预测,特别是透平高效点性能参数的预测;透平过流部件的优化设计与性能提高;透平运行稳定性.着重介绍了泵作透平的选型及性能预测方法:通过试验,获得泵正反转工况的性能参数;基于试验数据,通过理论分析,提出经验公式,得到泵正反转性能参数的关系;CFD技术与试验相结合对泵作透平的性能进行预测.并对离心泵作透平的发展进行了展望,提出今后离心泵作透平的主要研究趋势:准确的选型方法、新的设计理论与方法、振动、非设计工况的稳定运行及大功率多级泵作透平的研究.

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水利水电工程

溪洛渡水电站巨型混流式水轮机水力开发

王钊宁^,, 郭鹏程, 罗兴锜, 王亚林

2013, 31(8): 681-687. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.007

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针对溪洛渡水电站机组具有水头高、变幅大和单机容量为770 MW的巨型混流式水轮机水力开发的特殊问题展开研究.从水力稳定性控制的角度,讨论了水轮机水力开发条件,论证了额定转速、单位流量、单位转速、设计水头等4项关键水力参数和导叶相对高度、进出口转轮直径之比等2项关键几何参数的选择原则与匹配关系.并通过研究对比不同水力初设方案,分析不同设计参数可能引发的水力稳定性问题,结果表明:在巨型混流式机组的设计过程中应该选择较低的水力参数进行设计.研究结果显示,通过提高设计水头的水力优化措施既使得转轮叶片进水边背面初生空化远离了水轮机的运行范围,又改善了水轮机高水头部分负荷运行区转轮内的流道旋涡特性.最后根据模型验收试验证明了所采用的水力设计方法具有实际工程应用价值.

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水利水电工程

基于分时电价的梯级泵站输水系统日优化运行

桑国庆^,, 曹升乐, 郭瑞, 张林

2013, 31(8): 688-695. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.008

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为了提高梯级泵站输水系统日运行效益,通过分析梯级泵站输水系统,提出了梯级泵站输水系统整体运行效率的定义及表达式,分析了梯级泵站输水系统日运行费用的影响因素及优化机制.在此基础上,以日运行费用最小为目标,考虑分时电价,日输水总量,泵站进、出水池水位等约束条件,以时段流量分配、级间水位等因素为决策变量,建立了梯级泵站输水系统日运行费用优化模型、梯级泵站输水系统运行效率优化模型和单级泵站运行效率优化模型,采用基于区间离散的动态规划法进行求解,进而确定梯级泵站输水系统日优化运行方案,包括各时段内梯级间水力(水位、流量)方案和各泵站内运行方案.将该优化方法应用于南水北调东线韩庄运河段梯级泵站工程,结果表明节约费用效果较为显著.

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流体工程

水力旋流器流场大涡模拟及其结构改进

郭雪岩, 王斌杰, 杨帆

2013, 31(8): 696-701. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.009

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为研究水力旋流器内部流动现象,采用大涡模拟(LES)方法对其内部流动进行了数值模拟,分析了流场内轴向零速包络面、溢流口周围循环流和短路流,以及最大切线速度轨迹面等流动现象或结构特点.结合水力旋流器设计方法与流体力学理论,提出了水力旋流器几何结构的修改方案.将改进后结构的模拟结果与原结构结果进行对比,结果表明:增大溢流管壁厚,有效地避免了溢流管周围循环流的产生;增大溢流管的插入深度,对减少短路流效果不明显;适当增大水力旋流器柱筒壁的长度,调整锥角角度,可进一步改善零速包络面以及最大切线速度轨迹面的结构,使得内流场更加稳定.改进后的方案使水力旋流器内流场分布更加合理,有助于提高分离性能.

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流体工程

水轮机活动导叶调节运动动态绕流的大涡模拟

黄剑峰, 张立翔, 郭亚昆

2013, 31(8): 702-707. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.010

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为探索上游管道系统水力暂态和水轮机暂态过程耦合的机理,基于三维非定常不可压缩黏性流体的N-S方程,采用浸入边界法(IBM)处理活动导叶运动产生的动边界,大涡模拟(LES)的亚格子应力(SGS)使用Smagoringsky-Lilly动态模型,精细模拟了槽道中混流式水轮机活动导叶关闭过程中产生的动态绕流,捕捉了导叶动态绕流的压力和尾迹结构及其随时间变化的规律.结果表明:活动导叶的调节运动动态绕流将产生大量复杂的瞬态流动结构,其向上在管道系统中诱发水击波动,向下影响转轮叶道中的暂态特性.基于Smagoringsky-Lilly动态SGS模型的LES-IBM方法可有效地模拟高雷诺数下活动导叶关闭运动与叶道湍流之间的相互作用过程,揭示水轮机调节过程中活动导叶动态绕流尾迹结构产生的机制及其向下游方向的演化特性.

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流体工程

七流道球型止回阀的结构设计及性能分析

赵飞, 符杰, 宋文武, 王春志

2013, 31(8): 708-712. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.011

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针对当前止回阀在使用过程中普遍存在的问题和缺点,对管道直径D_N≥200 mm管道系统,开发设计了一种七流道球型止回阀,并在止回阀的后阀体设计中采用异型锥形体结构,有效地改善了钢心胶球在球阀全开时的颤抖,减小整个球阀水力损失;优化了球罩的长度尺寸L和关阀路径S,控制突然停泵时止回阀关闭产生的水锤压力大小,减轻对管道系统的破坏.同时利用UG软件建立止回阀的三维模型,采用Fluent软件对七流道球型止回阀的内部流动进行了数值模拟,并在同一水锤试验台上,在相同的测试条件下,对D_N=500 mm的七流道球型止回阀和旋启式止回阀进行了水锤和水力损失对比试验.结果表明:在突然停泵时,同口径的七流道球型止回阀与旋启式止回阀相比,阀体前的最大水锤压力只为旋启式止回阀的1/2,其阀门的关阀时间延长了1倍以上,并且,在相同的过流条件下,其水力损失只为旋启式止回阀的10%.

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农业水土工程

塿土介电特性与水分检测频率及温度影响

郭文川^,, 张鹏, 宋克鑫, 韩文霆^,, 许景辉

2013, 31(8): 713-718. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.012

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为了确定基于介电特性的土壤含水率传感器的合适检测频率,并降低温度对介电参数的影响,以陕西关中地区的塿土为对象,利用矢量网络分析仪和同轴探头技术研究了信号频率(10~4 500 MHz)、土壤含水率(9%~25%)和温度(5~50 ℃)对土壤相对介电常数ε′和介质损耗因数ε″的影响,分析了介电参数变化的原因及频率、含水率和温度对电磁波穿透深度的影响规律.研究结果表明,在10~4 500 MHz频段内,随着频率的增大,土壤的ε′单调递减,而ε″先增大,后减小,进而再增大;ε′和ε″均随含水率和温度的增大而增大;穿透深度随频率、含水率和温度的增大而减小;频率、含水率和温度是影响土壤介电参数及穿透深度的主要因素.50~100 MHz是基于介电特性检测土壤含水率的最佳频段.

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农业水土工程

微灌用网式过滤器数值模拟与结构优化

王新坤, 高世凯, 夏立平, 许鹏

2013, 31(8): 719-723. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.013

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针对微灌用网式过滤器研究主要集中在水力性能试验研究方面,以进口直径为50 mm的阿速德(AZUD)普通微灌网式过滤器为研究对象,利用Pro/E软件完成过滤器的三维造型,基于计算流体动力学软件Fluent 6.3,采用多孔介质模型对过滤器内部流场进行数值模拟,得到了过滤器内部的速度分布和水力特性.为了增强数值模拟的可靠性,将模拟计算结果与试验结果对比,最大偏差和平均偏差分别为7.4%和4.1%,具有较好的吻合性,证实了数值模拟的可行性,可用于微灌网式过滤器的结构优化.在保证滤网面积与进口直径不变的前提下,优化过滤器筒体形状、进出口位置和进出口角度,改善过滤器内部流场分布,提高速度分布的均衡性和均匀性,延长滤网使用寿命.优化模拟结果表明水头损失降低69%,滤网过滤面上下两侧最大平均速度差由1.0 m/s减小为0.1 m/s.

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农业水土工程

文丘里施肥器的空化特性试验研究

严海军, 陈燕, 徐云成, 王志鹏

2013, 31(8): 724-728. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.014

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为了研究文丘里施肥器在压差较大的情况下产生的临界空化对微灌系统灌水器的工作压力影响,试验选取并研究了DN25型文丘里施肥器在吸肥过程中发生的空化现象,测试了7个不同进口压力水平下文丘里施肥器的吸肥流量随进出口压差变化的规律,同时采用动态应变仪测得了对应工况下施肥器喉部和扩散段外侧的应变数据,比较分析了应变数据的标准差与吸肥流量之间的关系,以及文丘里施肥器发生空化时内部流动特性变化规律.试验结果表明,当进口压力在0.20 MPa以下时,文丘里施肥器内部未发生空化;当进口压力在0.20 MPa以上时,吸肥流量增大至某稳定值时所对应的临界最大压差与进口压力呈线性关系,此时文丘里施肥器内部发生临界空化.当进口压力超过临界最大压差时,应变标准差随进出口压差变化的趋势曲线呈M型,且M型曲线的3个特征拐点对应的进出口压差均与其进口压力呈线性关系.

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农业水土工程

泾惠渠灌区节水改造对地下水空间分布影响

代锋刚^,, 蔡焕杰, 刘璇, 梁宏伟

2013, 31(8): 729-736. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.2013.08.015

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