排灌机械工程学报

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泵理论与技术

入口非均匀流对轴流泵性能和压力脉动的影响

施卫东, 张光建, 张德胜, 吴苏青, 徐焰栋

2014, 32(4): 277-282. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0022

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为研究入流条件对轴流泵的影响,建立了2种不同类型的非均匀速度入口分布,分别与均匀入流进行比较,得到非均匀入口边界条件对轴流泵影响的数值计算结果.将均匀入流下的数值模拟结果与试验值进行对比,验证了数值模型的可信性.在0.7Q~1.2Q工况范围内,对轴流泵的扬程、效率和径向力等曲线进行了对比分析,得出受入口速度非均匀性影响、轴流泵性能和径向载荷的变化结果.最后,在定常模拟的基础上,对设计工况下叶轮入口、叶轮出口和导叶出口处的压力脉动进行了监测,得到了2种非均匀入流条件对轴流泵3个典型位置处压力脉动的影响情况.结果表明,通过控制进口入流情况,可以使文中所研究的轴流泵的水动力性能好于轴向均匀入流时的水动力性能.

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泵理论与技术

基于霍夫变换的液力变矩器泵轮内部流速提取

柴博森, 刘春宝, 王卫东

2014, 32(4): 283-289. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0115

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液力变矩器传递能量的特性受其内部流场结构的影响,而内部流动特性决定其外部性能.为实现液力变矩器内部流动可视化,并在此基础上实现其内部流动速度的定量测量,提供详细且准确的流场试验测量结果,进一步完善对液力变矩器内部流动机理的研究.基于粒子图像测速(PIV)技术,对液力变矩器泵轮内部流场进行试验研究,在单次曝光下CCD相机采集泵轮径向切面流动图像,记录流场中示踪粒子的运动信息.通过图像处理技术识别流场中粒子运动轨迹的图像特征,以霍夫变换直线检测理论为指导,自动提取泵轮径向切面示踪粒子运动轨迹.由此实现了泵轮内部流动可视化,提高了流速矢量识别与量化计算效率.PIV试验测量结果能够揭示泵轮内部真实的物理流动现象和流场瞬态变化情况,为液力变矩器的性能预测及合理设计提供理论和实践参考依据.

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泵理论与技术

核主泵小流量工况下不稳定流动数值模拟

龙云, 朱荣生, 付强, 袁寿其, 习毅

2014, 32(4): 290-295. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0024

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为研究小流量工况下核主泵驼峰现象,通过三维软件Pro/E对核主泵内部流道进行三维造型,基于雷诺时均N-S方程和k-ε湍流模型两方程及SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件CFX对核主泵小流量工况进行了定常数值模拟和分析.结果表明:采用定常数值模拟,可以阐明小流量区域的不稳定驼峰现象.泵壳出口位于泵壳的中心,使得沿叶轮旋转方向的主流与出口处的液体发生摩擦和碰撞,造成能量损失,导致内部流场分布不均匀.核主泵对称性结构、叶轮叶片进口和出口复杂旋涡、导叶内复杂的回流以及泵的旋转失速与不稳定驼峰的形成都有密切的联系.核主泵在小流量下运行时,出现不稳定流动,严重时会引起泵的振动.

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泵理论与技术

基于Fluent的串接组合式迷宫螺旋泵数值模拟

李娇娇, 张有忱

2014, 32(4): 296-301. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0147

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通过Gambit完成流域的三维造型和网格划分,应用计算流体力学Fluent软件,采用多重参考系(MRF)方法,基于RNG k-ε双方程湍流模型和SIMPLEC算法,对泵内三维单相流场进行数值模拟.提出一种新型结构的迷宫螺旋泵,探讨了环槽宽度、环槽深度对新型结构泵性能的影响,确定最优设计参数,结果表明:环槽宽度、环槽深度分别为4,3 mm时泵性能最佳.通过分析模型的压力分布、速度分布、湍动能分布,研究泵内流体的流动和能量交换,对比分析2种模型泵的水力性能.分析表明:与原模型泵相比,新模型泵增压幅度和增压速率明显较大,螺旋环进口处增压速率高于螺旋环内部增压速率;转子流域内流体速度明显高于定子流域,间隙中面上存在强烈的质量和动量交换;流体增压速率与湍动强度有关,流体湍动强度越大,增压速率越大;新模型泵性能优于原模型泵,在最高工况点,扬程同比增加约3.42 m,水力效率提高约0.85%;流量大于最高工况点流量,新模型泵的效率明显高于原模型泵.

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泵理论与技术

潜水轴流泵内部流场压力脉动的数值模拟

张玉新, 王秀叶, 丁鹏, 唐学林

2014, 32(4): 302-307. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0207

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流场压力脉动对轴流泵的运行稳定性具有重要影响,为了准确分析潜水轴流泵的压力脉动特性,采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对ZQA系列潜水轴流泵进行了全流道三维流动数值模拟和压力脉动分析.计算结果表明:轴流泵的扬程、功率、效率等外特性计算结果与试验结果基本吻合;轴流泵内部叶轮进口截面压力脉动幅值最大,泵内的压力脉动的主要频率与叶片通过频率相同,导叶后的脉动以低频为主,叶片表面从轮毂到轮缘压力脉动低频成分逐渐减少;在叶片工作面,压力脉动的幅值从轮缘到轮毂逐渐减小,从叶轮进口到出口逐渐增大.叶片进水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的1.22倍.在叶片背面,叶片进水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的1.77倍,出水边轮缘处压力脉动的幅值是轮毂处的0.92倍,叶片背面的压力脉动幅值明显小于工作面;叶轮进口截面,在0.8Q工况流量下压力脉动最大,为设计工况的2倍.计算结果为进一步分析轴流泵压力脉动提供了参考.

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水利水电工程

大型泵站噪声与治理

于孝民, 吕梁, 胡德义, 黄迪山

2014, 32(4): 308-311. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0178

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虽然《泵站设计规范》对泵站电动机层的噪声作了明确的规定,但实际上泵站机组运行产生的噪声多数超出了规范的要求.针对南水北调东线泵站工程年运行时间长,如何减小设备运行的噪声,减小其对运行人员的不利影响的问题,在分析噪声源的基础上,进行分析研究,以采取有效的减噪措施.首先根据水泵机组噪声产生的原理,针对噪声特点,在设备设计和制造方面采取优化电磁回路设计、选用优质材料、提高加工工艺标准等措施,从源头减小噪声;其次,结合设备结构和布置的特点,对主要噪声源——电动机和叶轮外壳采取阻尼隔音毡的措施,减小噪声的发射;最后在设备布置的空间内设置吸音材料,构建吸音空间等措施.多种减噪措施的组合,使泵站运行时电动机层的噪声小于85 dB,优于国家有关噪声的规范要求,改善了运行管理人员的工作环境.

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水利水电工程

江苏沿海地区防洪排涝工程潮型的优化设计

杨星, 黄俊友, 何勇, 王蔚, 陈文猛

2014, 32(4): 312-318. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0128

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为了提高沿海地区防洪排涝工程水文参数设计的合理性,利用Gumbel-Hougaard Copula函数以及条件概率理论,分析了同一潮位过程中高低潮之间的关联性,以此提出了一种新的设计潮型方法.基于该方法,以江苏省连云港、射阳闸和天生港3个典型潮位站为实例,设计了4种重现期下(20,50,100,200 a一遇)的设计潮型,并与传统的同倍比放大法及其改进后的设计方法、设计成果进行了比较.结果表明:相对于其他方法,该方法充分考虑了高低潮之间的关联性,合理性更好,具有理论相对完善的特点;利用该方法所获得的潮型,其潮差明显大于传统方法及其改进后的方法,若从工程设计的安全角度考虑,采用传统的方法会存在一定的设计风险;该方法所采用的原理具有普适性,也可应用于其他相似水文变量组合优化设计.

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流体工程

海洋矿产资源分布及深海扬矿研究进展

肖业祥, 杨凌波, 曹蕾, 王正伟

2014, 32(4): 319-326. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.1064

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海洋蕴藏着丰富的生物、矿产和动力能源,是巨大的资源宝库.开发海洋资源已经逐渐成为各国新的战略目标.深海采矿扬矿的工作环境恶劣,对设备要求较高,技术难度大,因此亟须开展相关研究.文中首先介绍了海底矿产资源的分类及全球分布,并就中国深海采矿现状进行了总结;然后以大洋锰结核的开发为例,重点对各种提升方式进行了综合分析.扬矿技术是深海采矿系统的重要组成部分,其中管道提升被认为是最有发展前景的方法.管道提升包括水力、气力、管道容器、轻介质和重介质等方法,其中矿浆泵水力提升和气举泵提升技术已进行了深海试验,最具发展前景;最后对多级离心式提升泵的设计方法和研发现状进行了介绍,并对深海采矿趋势进行了展望,提出要立足国情,借鉴国外技术经验,吸收近海石油煤炭提升技术,进行技术攻关的发展思路,进而为商业开采提供技术储备.

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流体工程

筒阀动水关闭过程中下边缘形状对流场的影响

李鲁辉, 肖聚亮, 莫振伟, 王刚, 王国栋

2014, 32(4): 327-332. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0137

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为研究筒阀下边缘形状对动水关闭过程周边流场的影响,选用RNG k-ε湍流模型,运用动网格和滑移网格技术,利用Fluent仿真软件对2种不同下边缘形状筒阀的动水关闭过程进行三维非定常流动数值模拟.通过对不同关闭行程的筒阀周边压力场和速度场,以及筒阀内外表面和下端面压力分布的对比分析可知,小倾斜度下边缘形状的筒阀不易产生汽蚀,倾覆力矩较小,下端面所受下拉力较小,且节流处速度分布均匀、过渡平滑,水力损失小.与小倾斜度下边缘形状的筒阀相比,弧形下边缘形状筒阀的倾覆力和下拉力具有较小的波动性,在筒阀下端面入流处压力扰动小,筒阀关闭行程中其下端面压力变化幅度小,能有效防止发卡现象发生.该研究对于筒阀下边缘形状的设计和优化以及提高水轮机筒阀运行稳定性具有一定的参考价值.

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流体工程

曲线坐标系下三维水动力模型求解新方法

吴卫国, 沈露予, 薛世峰

2014, 32(4): 333-337. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0234

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为求解三维水动力模型的高精度数值计算,设计了一种在曲线坐标系下求解的新方法.对ξ,η和ζ共3个方向的空间导数分别采用高精度的紧致有限差分以及非线性项的迎风紧致有限差分格式,时间积分则采用四阶修正Runge-Kutta显式格式.为了验证该算法求解曲线坐标系下三维水动力模型的正确性,选取与De Vriend的 180°弯道水槽试验相同的物理参数进行数值试验,计算出水位、流速分布等,并将计算结果与De Vriend的试验值以及先前采用SIMPLEC法获得的数值结果进行了对比分析.结果发现:文中创建的高精度算法获得的数值解比SIMPLEC法计算的数值结果更符合试验值,通过算法定量计算得到的平均速度值与试验测量值之间产生的最大相对误差约为3%.说明构建的高精度紧致有限差分算法来数值求解三维水动力问题是可行的、合理的,为天然河道、明渠以及湖泊等水动力计算提供参考依据.

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农业水土工程

痕量灌溉对温室种植球茎茴香产量、干物质分配和水分利用率的影响(英文)

诸钧^,，金基石，杨春祥

2014, 32(4): 338-342. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0199

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痕量灌溉是基于土壤毛细管力原理和膜过滤技术而发明的一种新的灌溉技术.以滴灌为对照处理，研究了温室条件下，痕量灌溉对球茎茴香（Foeniculum vulgare Mill. subsp. vulgare var. dulce (Mill.) Batt.）产量、干物质分配和水分利用率的影响.结果表明，痕量灌溉条件下球茎茴香球茎和地上部分（茎和叶）的鲜重和干物质重量显著高于滴灌条件下栽培的球茎茴香，且痕量灌溉的总耗水量显著低于滴灌.试验条件下采用痕量灌溉的水分利用率是滴灌的2.3倍.

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农业水土工程

农田除涝排水技术研究综述

王少丽^,, 许迪^,, 陈皓锐^,, 韩松俊^,, 焦平金^,

2014, 32(4): 343-349. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0174

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从农田涝灾风险评估、农田除涝排水工程技术、农田除涝排水管理3个方面入手,综述了近年来国内外取得的相关研究成果,并对农田除涝排水技术研究的未来发展进行了展望.明确指出未来的重点方向是:研究变化环境下的农田涝灾演变规律,构建人工-自然复杂条件下的农田涝灾预测评估技术与方法;研究满足作物产量需求和环境保护要求的农田涝灾综合控制标准,提升传统农田除涝治理技术水平与管理模式,探讨现代化除涝技术与传统除涝技术相结合的技术体系;重视农田排水资源的高效利用,研究适宜不同类型区的节水灌溉与控制排水相结合、灌溉排水与沟塘湿地调蓄净化相结合、排水资源循环灌溉再利用与除涝抗旱相结合的农田排水管理模式.

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农业水土工程

干旱区秸秆覆盖对滴灌棉花生长及产量的影响

张金珠^,, 王振华^,, 虎胆·吐马尔白

2014, 32(4): 350-355. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0170

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为探索秸秆覆盖对北疆滴灌棉花生长特征和产量的影响,2009—2012年期间,以小麦秸秆为材料,在非盐碱土和盐碱土2种土壤条件下,进行了无覆盖(LUM)、表层覆盖(LSM)、地表以下30 cm深处覆盖(LM30)的测坑对比试验.结果表明:秸秆覆盖对棉花生长及产量具有一定的促进效果,对盐碱土种植的棉花株高、叶面积指数和产量的促进作用显著,而对非盐碱土棉花株高、叶面积指数和产量的促进作用不明显.地表覆盖综合调控效应优于30 cm深层覆盖,尤其是在棉花花铃期,在盐分抑制方面地表覆盖要比30 cm覆盖效果好;30 cm覆盖在苗期和蕾期可以给棉花生长创造比较好的条件,而在花铃期以后这种覆盖效果不太明显;表层覆盖处理棉花产量最高,高出无覆盖处理3.2%~17.9%,高出30 cm深层覆盖3.1%~16.3%.

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农业水土工程

TOPSIS模型对农田土地平整方式的综合评价

魏占民, 李泽鸣, 李佳宝

2014, 32(4): 356-362. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0186

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采用TOPSIS模型,对不同规格的样本田块以内蒙古河套灌区2种常见的平地方式(激光平地和传统方式平地)进行综合评价.首先,在2011—2013年间进行样本的选取及数据的收集工作,并确定评价指标;其次,对各评价指标进行试验及计算,构建评价指标体系;然后,采用TOPSIS模型对评价指标体系进行综合评价;最终得到适用于各样本条件下的优选方案,并结合内蒙古河套灌区实情进行分析.结果表明,田块规格在1 100 m²以下时,宜选用传统方式进行田块土地平整;田块规格在2 000 m²以上时激光平地的效果要远优于传统方式;当田块规格在1 100~2 000 m²时,2种平地方式差异并不大.不过,综合分析激光控制平地更优于传统平地.目前,内蒙古河套灌区多以畦灌为主,田块面积较小,一般为1 000~1 330 m²,局部地区在670 m²以下,这既限制了当地大面积推广激光控制平地技术,又限制了当地农业经济的发展.

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农业水土工程

基于ComVI和双阈值OTSU算法的农作物图像识别

龚立雄

2014, 32(4): 363-368. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0006

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针对农作物图像中依附泥土和杂质噪声呈现不规则性和复杂性特点,提出了一种基于植被指标合成双阈值OTSU算法的农田作物图像识别方法.该方法根据农作物充分显露和部分被遮盖2类图片特点,将图像识别过程分为3个阶段:首先利用植被指标合成获取农作物图像灰度图,然后根据双阈值OTSU自适应算法进行二值化处理与图像分割,再进行正常的形态学运算,将3个阶段所分割的图像叠加形成最终的农作物与土壤识别图像,并将该算法与双阈值迭代设定法进行了对比.试验研究表明该算法克服了传统灰度图算法和阈值迭代算法的缺点,能有效提取和识别过渡区域的边缘,图像识别的准确率为92.7%以上.最后,采用Visual Basic 2010和Matlab 2012软件设计了农作物图像识别系统,从应用角度实现了图像识别的可视化与自动化.

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