排灌机械工程学报

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泵理论与技术

圆锥空腔内涡破裂现象的数值模拟

窦华书, 肖美娜

2014, 32(10): 829-834. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.1074

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采用三维非定常的Navier-Stokes方程对底面驱动的密闭圆锥室内旋转层流流动中的涡破裂现象进行了数值模拟,分析了雷诺数和几何结构对圆锥空腔内涡破裂现象的发展规律的影响.利用有限体积法离散控制方程和SIMPLE算法实施计算,计算网格采用非结构化网格.根据数值模拟结果得出了圆锥室内涡破裂现象的发展特性.研究结果表明:当达到一定雷诺数时,圆锥室内中心轴线附近会出现一个低压的涡破裂区域,并伴随着局部流体回流;在所研究的雷诺数范围内,随雷诺数的增加,涡破裂气泡的尺寸先增大后减小直至消失,涡破裂气泡的位置沿中心轴向远离驱动面的方向移动;对于相同高径比的圆锥室,涡破裂现象出现和消失时的临界位置不随圆锥室几何形状的变化而变化;由涡破裂现象出现时的临界雷诺数的大小可知,圆锥室模型相对于圆柱室模型抑制了涡破裂现象的产生,且顶面直径最大时的圆锥室(H_{1/H=0)的抑制效果最好.}

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泵理论与技术

高温条件下热力学效应对空化的影响

王巍, 林茵, 王晓放, 王一名

2014, 32(10): 835-839. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.1065

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为了研究水泵空化性能在高温与常温下的差异性,揭示热力学效应对空化发展的影响,应用计算流体动力学软件Fluent,基于质量输运方程和Singhal的全空化模型,并通过导入UDF程序,在能量方程中添加了考虑热力学效应的计算源项,并加入空化区饱和压力随温度的变化函数,以NACA0066(MOD)翼型为研究对象,针对不同的介质温度,开展了翼型表面空化场的流动分析.数值计算结果表明:空化发生需要从周围环境吸收汽化潜热,造成空化区翼型表面温度的变化,在介质温度分别为293,373,473 K时,翼型表面空化区相对于周围环境温降分别为0.13,0.84,13.00 K;流体温度越高,空化区的温降越大;空化区由于温度降低引起当地饱和蒸汽压力降低,使空化区长度明显变短,进一步抑制了空化的发展.

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泵理论与技术

颗粒直径对渣浆泵冲蚀磨损性能的影响

汪家琼, 叶群, 闫科委, 冯耀宁, 余旭男

2014, 32(10): 840-844. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0258

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为探究渣浆泵在输送固液两相流介质时颗粒直径对冲蚀磨损的影响,采用k-ε湍流模型(液相)、离散相零方程模型(固相)和Finnie塑性冲蚀磨损模型,通过拉格朗日法计算出不同颗粒直径下颗粒的运动轨迹.对颗粒与过流零件表面撞击的冲击速度、冲击角度等参数进行了数值模拟,进而探讨固液两相流中浆体对渣浆泵的磨损规律.结果表明:小直径颗粒在流道中分布相对均匀,与过流部件发生撞击概率很小,对叶片的冲蚀磨损相对较弱.大直径颗粒的运动轨迹易向叶片工作面靠拢,且易与叶片头部发生碰撞.直径较大时,颗粒冲击叶片和蜗壳圆周壁面的角度和速率更大,且存在多次撞击过程,对叶片和蜗壳壁面的冲蚀磨损程度相对较大,造成严重的冲蚀磨损.

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泵理论与技术

抽芯式斜流泵启动过程中转子动力学特性

梁兴

2014, 32(10): 845-851. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0026

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针对抽芯式斜流泵异常振动现象,通过现场测试分析其振动诱因,进而基于能量守恒的拉格朗日方程建立机组转子非线性动力学模型,并通过与实测信号的峰峰值、振动频率等参数进行比较,验证仿真模型精度,重点研究泵组启动过程中轴心轨迹、振动频率等特征参数的动态响应,寻找降低水泵振动的技术措施.实测信号分析表明,抽芯式斜流泵异常振动诱因是机组启动伴生冲击力导致主轴发生偏移,当机组转速达到额定转速后,主轴偏移虽有所减小,却始终存在,造成机组产生不对中故障;仿真结果不仅证明了试验分析的准确性,同时也揭示了伴生冲击力与机组振动的内在联系:较强的冲击力会加剧转子不对中现象,形成剧烈机组振动,反之则相反.改善机组开机方式是降低伴生冲击力、减弱机组振动和提高机组运行可靠性的有力措施.

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泵理论与技术

修锉叶片出口对离心泵内流场及叶轮强度的影响

白羽, 刘厚林, 董亮, 刘永付, 王宝勤, 唐晓晨

2014, 32(10): 852-857. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.1018

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当离心泵扬程略低于实际需求时,可以通过修锉叶片出口提高其水力性能.文中对单级单吸离心泵叶轮进行修锉,对比修锉前后试验发现,扬程、效率分别提高了9.8%和6.7%.同时采用CFX软件对该泵在设计工况下的全流场进行了非定常数值计算,对比分析了修锉前后内流场的变化.基于ANSYS Workbench平台,对叶轮进行单向流固耦合计算,分析了修锉叶片出口对叶轮强度的影响.结果表明:叶片出口修锉后,出口尾迹区的绝对速度增大且相对速度减小,导致扬程上升;修锉后叶片出口边的逆压力梯度明显减小,阻止了边界层的分离,减少了摩擦和分离损失,从而提高了效率;叶轮最大等效应力与修锉前相比,其差别随着相位的不同而不同;各相位下,修锉后的叶轮最大总变形均大于修锉前.研究结果为改善离心泵内流场提供了一种可靠的方法.

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泵理论与技术

离心泵多流量工况振动特性试验研究

马会防, 张执南, 储浩

2014, 32(10): 858-863. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0238

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为了解流量对离心泵振动特性影响的具体表现,选用单级单吸式离心泵为研究对象,利用试验方法,对涵盖小流量、设计流量和大流量等工况在内的7个流量下泵体上的5个测点,进行了振动数据的采集和分析.试验结果表明:振动烈度与流量的关系(V-Q)较效率与流量的关系(η-Q)更为复杂,V-Q曲线上的峰值与流量变化过程中的流致振动相关;多个径向振动测点的V-Q变化趋势大致相同,而轴向与径向振动测点间的V-Q变化趋势则差别较大;流量三维频谱图可以清晰地反映流量变化过程中振动频谱的变化过程.并进一步探讨了效率最优点与振动烈度的关系、流致振动的频谱特征等.研究得到了流量对离心泵振动特性影响的一些具体表现,为水泵等旋转机械相关振动特性的研究与应用提供了借鉴和参考.

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水利水电工程

基于ANN的抽水蓄能电站建模与过渡过程优化

曾洪涛, 王智欣, 田文刚, 林琳琳

2014, 32(10): 864-870. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.1013

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对大型带长引水管道的抽水蓄能电站机组调节系统进行了建模与过渡过程调节参数优化的研究.依据某抽水蓄能电站的具体参数,利用Matlab/Simulink对其机组调节系统建模,其中长引水管道系统采用弹性水击模型以较准确地反映较长压力管道内的水力振动特性,然后利用BP和RBF神经网络训练水泵水轮机特性参数,以获取较精确的水轮机模型,从而避免用插值法处理密集、交叉现象严重的水泵水轮机“S”特性曲线带来的误差.基于所建立的仿真模型,引入改进正交试验法对其空载频率扰动、负荷扰动及甩负荷过渡过程进行调节参数优化.结果表明,所建立的调节系统仿真模型可以在一定程度上反映机组的实际特性,并且改进正交试验法在机组调节系统过渡过程仿真试验参数优化中取得了很好的效果.本研究对大型抽水蓄能机组调节系统建模仿真具有一定的指导意义,为实际运行中机组过渡过程优化控制提供了理论依据和技术参考.

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水利水电工程

压力波动预止阀关闭特性对泵站水锤的影响

王玲, 王福军, 李雪楠, 邹志超

2014, 32(10): 871-876. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.1071

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为了获得压力波动预止阀在防护泵站水锤方面的水力性能,采用特征线法,通过构建水泵与压力波动预止阀的数学模型,以宁夏固原地区某高扬程泵站为例,详细分析了压力波动预止阀的5种关闭特性曲线对泵站水锤防护效果的影响.结果表明:压力波动预止阀在全开状态并选择针形阀曲线类型时达到最大外泄量;压力波动预止阀在关闭过程中,通过阀门流量的减少率接近于阀门开启面积的减少率.当压力波动预止阀选择为蝶阀类型的减速关闭曲线时,可使泵站出口压力波动最先达到稳定.同时,当压力波动预止阀的曲线类型由加速关闭曲线、常速关闭曲线至减速关闭曲线变化时,整个输水系统最高压力极值下降,而系统最低压力极值上升.因此,压力波动预止阀关闭特性选择为减速关闭曲线类型时,可防护的系统最高压力最小,最低压力最大,从而更有利于水锤防护.

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流体工程

滑移流影响螺旋槽干气密封性能的解析法

宋鹏云, 张帅

2014, 32(10): 877-882. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0022

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干气密封低速运转时,气膜很小,受微尺度效应滑移流的影响明显.为准确、有效地计算低速运转下干气密封的性能,以螺旋槽干气体密封为例,采用有效黏性系数方程对Muijderman螺旋槽窄槽理论气膜压力控制方程进行修正,并加以求解,获得不同滑移流模型对干气密封端面开启力、泄漏量、气膜刚度的影响规律.在不同转速、不同膜厚条件下与文献中的有限元法计算结果进行比较.结果表明,通过近似解析法获得开启力、泄漏量、气膜刚度与对照文献差别不大.相同转速下,气膜厚度在0.6~1.2 μm时,随着气膜厚度的增加,开启力和气膜刚度变小、泄漏量变大;相同膜厚下,开启力、泄漏量、气膜刚度均随转速的增大而增大.多种滑移流模型计算结果基本重合.

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流体工程

基于格子Boltzmann方法的饱和土体细观渗流场

申林方, 王志良, 李邵军

2014, 32(10): 883-887. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0239

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根据土体的孔隙率,采用随机配置的方法建立了二维土体孔隙结构.基于格子Boltzmann方法(LBE方法),通过设置入口、出口边界为非平衡态外推格式、左右边界及土颗粒边界为标准反弹格式的边界条件,建立了模拟饱和土体渗流的二维模型.编制了相应Matlab计算程序,模拟了在一定孔隙率的土体中,当恒定流速入渗时,土体渗流场的分布情况并探讨了渗流流速的变化规律.研究结果表明:在渗流过程中,土体流速的分布情况在整个渗流区域内较为均匀,且在孔隙连通性好、孔隙较大的区域流速较快.土体孔隙率越大,土体的渗流速度越大,且在渗流场内绝大部分孔隙格点的流速小于入口处的流速.当孔隙率恒定时,入口流速越大,渗流场内孔隙格点上流速分布的离散性越大.因此,LBE方法可以有效地模拟土体的渗流情况,为进一步研究土体渗流机理提供了一种新的研究手段.

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流体工程

低风速下H型垂直轴风力机气动性能

杨从新, 李寿图, 王秀勇

2014, 32(10): 888-893. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0243

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为了准确地研究低风速下H型垂直轴风力机的特性,以自主研发的H型垂直轴风力机为研究对象,采用数值模拟方法,分析了低风速下H型垂直轴风力机的气动性能和三维效应特征.分析结果表明:低风速区域,保持叶尖速比不变,改变风轮转速或来流风速,对H型垂直轴风力机的功率系数影响较大,且风速对叶尖速比的影响比转速的影响更敏感;在低风速区域,即使转速较大,风力机实际仍工作在低叶尖速比区域;在数值模拟中,设定合理的风速和转速的匹配有利于提高模拟结果的可靠性;在不考虑风剪切的情况下,三维效应受叶尖涡影响,且叶尖涡在0°方位角的位置时影响较大,同时还受风轮内流场的作用,且这种作用随着转速的增加而增强.计算结果为进一步研究H型垂直轴风力机提供了参考.

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农业水土工程

基于EM38-MK2的滨海土壤电导率精确解译模型

吕真真, 杨劲松, 刘广明

2014, 32(10): 894-900. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0231

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以黄河三角洲为研究对象,通过土壤样品分层采集进行室内分析获得土壤电导率(1∶5)及采用EM38-MK2在采样点测量水平和垂直模式下土壤表观电导率,应用回归及多元逐步回归模拟分析的方法,研究土壤表观电导率与不同深度土层土壤电导率的相关性,并进行精度验证,以获得基于新型电磁感应仪的不同剖面深度处土壤电导率精确解译模型,实现区域尺度土壤盐分在不同剖面深度处空间分布格局快速评定.研究结果表明:多模式下测定的土壤表观电导率与不同土层土壤电导率呈现不同程度的显著性相关;联合多模式下土壤表观电导率解译土壤电导率的精度高于单一模式;表层土壤电导率协同土壤表观电导率可以提高亚表层及底层土壤电导率的预测精度.本研究可以为快速调查土壤盐渍化及盐渍土改良与利用提供思路,以节约成本和提高效率.

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农业水土工程

文丘里施肥器空化过程高速摄像分析

严海军, 王子君, 陈燕

2014, 32(10): 901-905. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.1043

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针对文丘里施肥器运行中喉部负压越低,吸肥流量越大,但负压过低易出现空化,严重时会磨损内部流道表面,最终影响吸肥流量和微灌系统的施肥均匀性这一问题,采用高速摄像技术拍摄1.5"文丘里施肥器工作过程的内部流动,分析空化与进口压力和进出口压差的关系,以及空化对吸肥性能的影响.结果表明:空化首先发生在文丘里施肥器的收缩段和喉部连接处.随着进出口压差的增大,空化程度逐渐加剧,空泡由喉部延伸至扩散段,同时吸肥流量的增长速度逐渐降低,直至压差增大至某值发生临界空化后,吸肥流量不再增大.喉部吸肥流量增大会对工作流体产生冲击,引起扩散段内的空泡向上方聚集,产生非均匀分布,此外扩散段后半段出现明显回流现象,引起空泡周期性脱落.

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农业水土工程

滴头流量对桶栽棉花根系分布与耗水的影响

孙浩^,, 李明思, 李金山^,, 韩启彪^,, 冯俊杰^,, 贾艳辉^,

2014, 32(10): 906-913. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0007

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以棉花为对象,设置5个滴头流量处理(0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 L/h),观测了棉花不同生育阶段内的根系分布与耗水特征.结果表明,土层深度方向上:棉花根长最集中的地方不在地表层,而在地表下10~30 cm处,并且随着滴头流量的增大,根长集中点的位置向上层土层移动;棉花根质量与土层深度呈负指数关系,以地表层的根质量最大,并且深层根质量所占比率随着滴头流量的增大而下降.水平方向上:根长和根质量都是由棉株处向两侧逐渐减小,并且随着滴头流量的增大,棉株下方根长(根质量密度)所占比率减小,而两侧根长(根质量密度)所占比率增大,根系由紧凑向扩展发展.棉花在整个生育期中的田间耗水规律呈双峰型曲线变化,但随着滴头流量的增大,苗期耗水强度增大,耗水深度下移出现的时刻推后,耗水高峰期延迟.

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农业水土工程

引黄滴灌水源中泥沙表面附生生物膜的分形特征

王伟楠, 徐飞鹏, 周博, 冯吉, 李云开

2014, 32(10): 914-920. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0047

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为了解决灌水器堵塞这个制约引黄滴灌技术应用和推广的关键问题,联合运用扫描电镜测试法和分形理论对黄河泥沙颗粒表面形貌进行了分析,结果表明:黄河泥沙颗粒表面形貌表现为以固体颗粒、微生物及其分泌的黏性胞外聚合物形成的复杂生物膜结构.黄河泥沙颗粒表面具有显著的分形和多重分形特征,简单分形维数虽然能从整体上表征颗粒物表面形貌的复杂性与不规则性,但未能刻画颗粒物局部奇异性的微观特征,而多重分形谱可以定量描述这种复杂泥沙颗粒形貌特征.黄河泥沙借助其巨大的表面积,吸附了大量的微生物,微生物分泌的胞外聚合物质量浓度高达276.08~360.68 mg/L,这就要求在控制引黄滴灌系统灌水器堵塞时,需要从以往单纯考虑泥沙颗粒物本身转变为综合考虑泥沙颗粒和微生物的耦合作用,寻求更为有效的堵塞控制策略.

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