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• 2014年, 32卷, 第5期
  刊出日期：2014-05-25

    

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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

  Manipulation of vertical fence wake using passive vortex generators

  Kim Hyoung-Bum, Kim Seoung-Jun, Tu Xin-Cheng, Park Seung-Ha

  2014, 32(5): 369-372. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0015

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  he effect of streamwise vortices generated from passive vortex generators was investigated to manipulate the separation bubble behind the vertical fence. The experiments were carried out in a circulating water channel and the velocity fields were measured using 2D and stereoscopic PIV method. The distance between the vortex generator and fence and the effect of the Reynolds number were investigated. In addition, the effect of boundary layer thickness was also investigated. The averaged recirculation lengths were compared with that of uncontrolled fence flow. The results showed the oscillatory variation of recirculation region appeared under the existence of vortex generators. The reduction of the separation bubble became larger when the fence was submerged in the thick boundary layer with increasing the distance between the generator and fence. When the boundary layer is thin, vortex generator can only suppress the separation bubble under the specific condition.
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  泵理论与技术

  轴流泵运行工况和叶顶间隙对叶顶泄漏涡轨迹的影响

  施卫东, 邵佩佩, 张德胜, 吴苏青, 李通通

  2014, 32(5): 373-377. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0085

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  采用SST k-ω湍流模型模拟和旋涡强度方法,对某一轴流泵模型泵叶轮叶顶区流场和叶顶泄漏涡轨迹进行了数值计算,分析了运行工况和叶顶间隙两个因素对轴流泵叶顶泄漏涡运动轨迹的影响.数值模拟结果表明,随着流量增大,轴流泵叶顶泄漏涡的涡核轨迹起点由叶尖向叶片翼型中部逐渐移动.随着流量的增大,叶片流道内的流动方向发生偏移,叶顶泄漏涡在主流的卷吸下,运动轨迹随之变化, 涡轨迹线的斜率受叶轮内主流的影响而变大.随着叶顶间隙增大,泄漏涡的卷吸程度逐渐增强,影响范围增大,涡核的起点由叶片前缘逐渐向后缘移动,且涡核的压力逐渐降低,因此在大间隙时涡带更易出现空化现象.当叶顶间隙达到1.5 mm时,轴流泵在0.9Q_d工况附近出现驼峰现象,说明叶顶泄漏涡对驼峰区不稳定流场具有重要的影响.
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  泵理论与技术

  导叶进出口角对能量回收水力透平性能的影响

  史凤霞, 杨军虎, 王晓晖

  2014, 32(5): 378-381. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.6015

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  根据不同的导叶进、出口角,设计4组带导叶的基于单级离心泵反转的能量回收水力透平模型,应用计算流体动力学软件Fluent 6.3对其进行数值模拟.结果表明: 同一流量,随着导叶进口角的增大,透平的效率和水头均显著下降,在最优工况点,模型A比模型D水力效率高出7%.进口角一定,出口角大于进口角时,导叶出口速度环量减小,透平效率降低;反之,出口角小于进口角时,导叶出口速度环量增加,透平效率提高.随着进、出口角的增大,最优工况点向大流量区域偏移,转轮内部压力分布均匀性变差.因此导叶进口角对能量回收水力透平的性能有决定性作用,进口角大于出口角有利于效率的提高.对于其他基本尺寸确定的能量回收水力透平,存在最佳的导叶进、出口角,且导叶进、出口角对透平的外特性和内流场均有很大的影响.结果为能量回收水力透平的进一步研究提供了一定的理论基础.
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  泵理论与技术

  150QJS20型精铸不锈钢深井泵的开发

  张启华, 徐媛晖, 徐燕, 马栋棋, 郑炜, 连松锦, 陆伟刚

  2014, 32(5): 382-387. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0202

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  精铸不锈钢井泵成本高,市场定位为中高端用户,在对耐腐蚀、耐磨及使用寿命较高要求的特定场合有着广泛的应用.为研制高端深井泵产品,在精铸不锈钢工艺的基础上,开发出150QJS20型多级深井泵.在研制过程中主要采用了4个方面的技术:首先,精铸不锈钢井泵导叶壳体的翻边采用向外翻边的方式,消除了向内翻边时存在的精铸过程清砂困难;其次,泵的导叶采用了圆周弯扭式的径向导叶,比传统的铸造工艺中采用的空间更节约材料,也缩短了轴向长度,提高了运行可靠性;第三,泵体结构采用拉杆连接,级与级之间采用止口连接,由密封圈进行密封,整体外观更加紧凑,运输和检修更为简便;第四,主要配件通用,保证了系列产品零件的互换性,减轻生产加工成本.通过进行样机试制和试验表明150QJS20泵效率接近国标,但单级扬程显著增加,相比传统的空间导叶式多级井泵,其结构更紧凑轻巧.通过150QJS20多级深井泵的研制,对发展中高端井泵产品提供了一定的参考.
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  泵理论与技术

  三腔串联压电泵的结构设计与试验测试

  孙晓锋, 姜德龙, 杨志刚

  2014, 32(5): 388-392. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0116

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  为研究增加腔体数目对压电泵输出性能产生影响,结合多腔体串联压电泵的工作特点,采用带有被动截止阀的工作方式,设计了一种结构新颖的三腔串联压电泵.理论分析了在压电振子不同工作方式下三腔串联压电泵的工作特点,获得最佳工作方式,并通过样机的试验测试进行验证.以水为工作介质,对三腔串联压电泵输出能力进行了试验测试,将输出结果同双腔串联压电泵进行比较.结果表明:三腔串联压电泵流量输出同两腔串联压电泵比较有所降低,前者约为后者的0.7倍,但压力输出有所提高,前者为后者的1.5倍;增加腔体数目会进一步提高串联压电泵的输出压力,但却减少了输出流量;所设计的三腔串联压电泵,在110 V正弦交流电驱动下,最大输出流量可达860 mL/min,最大输出压力可达80 kPa.
水利水电工程
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  水利水电工程

  泵站正向进水前池底坎整流机理数值模拟

  罗灿, 成立, 刘超

  2014, 32(5): 393-398. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0122

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  为研究正向进水前池存在的不良流态,基于N-S方程和Realizable k-ε紊流模型,采用SIMPLE算法,数值模拟了正向进水前池中无任何措施和增设底坎整流措施的流态.CFD计算结果表明:原方案的前池两侧出现了大面积的回流区,泵站两侧机组进水条件差,水流偏斜较为明显;加底坎,且当底坎离进水池较远时,整流效果并不明显,前池内仍有大面积的回流产生,偏流依然严重;当底坎离进水池较近时,坎后旋涡直接影响到进水池的流态;通过CFD优化,底坎设在离进水池入口(7~10)D处,能明显改善前池的流态,水流能较均匀地流入各台机组;随着底坎坎高的增大,底层回流区会逐渐变小,较大回流区发生的位置也由坎后变为坎前,坎高的取值约为0.3H′时,前池内流态较好;底坎的顶宽尺寸对前池流态的影响较小.CFD计算结果与试验结果基本吻合,研究成果对正向扩散前池流态改善有借鉴价值和实际意义.
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  水利水电工程

  水库调度影响下中华鲟产卵场的水动力特征

  毛劲乔^,, 李智, 戴会超^,, 柯云

  2014, 32(5): 399-403. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0205

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  三峡工程试验性蓄水于2010年成功蓄至175 m,开始逐渐进入正常运行期.在此背景下,分析近年来三峡-葛洲坝实际联合调度运行对坝下中华鲟产卵场水动力时空特征的影响,对加深理解中华鲟产卵适应性对水利工程调控的动态响应有重要意义.针对葛洲坝至宜昌江段的中华鲟产卵场建立了三维水动力模型,以出现2次鲟鱼产卵繁殖的2011年产卵日为代表性工况,开展了水利工程调度运行影响下的产卵场短期水动力特征模拟研究.研究表明:对鲟鱼自然繁殖起直接作用的河段底层流场较规则稳定,但在水流交汇处和地形突变处会出现局部紊乱变化;上、下产卵区的流速为0.8~1.4 m/s,在大江电厂与二江电厂下游均有流速较大的分布区,流速最大值出现在二江电厂泄水处下游;适宜中华鲟繁殖的流速范围出现在大江下游导流墙尾段至江心隔流堤前段1/3处与江心隔流堤尾端至下游约700 m内.
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  水利水电工程

  基于统计分析方法的水轮发电机组轴心轨迹

  付婧, 张飞, 李冰

  2014, 32(5): 404-409. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0105

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  针对目前水轮发电机组轴心轨迹分析方法单一、不能对轴系运行状态进行长期有效监测的问题,采用统计分析手段,定义了轴心轨迹的标准差、变异系数、面积和归一化面积,采用这些参数对某电站指定水头下不同负荷工况的轴心轨迹进行了研究.实例分析表明,定义的轴心轨迹标准差与变异系数能够描述轴心轨迹的清晰程度;变异系数可以表征不同工况下水力因素对轴心轨迹的影响;相同工况下,不同位置的轴心轨迹归一化面积具有相同量级且一致的变化趋势,从而使得归一化面积能够消除测点部位、轴瓦间隙调整等方面的影响,以获得对不同部位轴心轨迹的通用评价;采用轴心轨迹的标准差和归一化面积能够准确评价机组因工况变化而导致的轴心轨迹差异并反映机组的运行状态,从而解决轴心轨迹在线监测手段缺乏的问题.
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  水利水电工程

  基于LSSVM和SA-BBO算法的循环水系统优化

  张蕾, 魏龙, 叶亚兰, 乔宗良, 徐治皋

  2014, 32(5): 410-415. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0206

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  火力发电厂循环水系统的优化对确定凝汽器最佳真空,以及提高火电厂整体效率、节能降耗,意义重大.以某电厂2台600 MW机组循环水系统为研究对象,建立了基于最小二乘支持向量机(LSSVM)的汽轮机功率预测模型.该模型解决了神经网络中的局部极小值问题,取得了很好的预测效果,泛化能力强.在此基础上,建立了以利润最大化为目标函数,综合考虑循环水泵功耗、汽轮机组功率微增以及煤、电能量价值市场差异的凝汽器真空优化模型.实际应用中,该模型计算时,首先以一定周期从实时数据库中读取电厂运行的最新工况信息,并进行数据预处理和稳态判别;再采用模拟退火生物地理学优化混合算法(SA-BBO)对凝汽器真空优化模型进行寻优,得出了不同工况下的凝汽器最佳真空、循环水泵的最优组合运行方式及优化收益.将寻优结果制成循环水系统的优化组合图,可以指导现场运行调节.
流体工程
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  流体工程

  基于能量损耗的球轴承摩阻力臂计算方法

  高仕赵, 徐国宾

  2014, 32(5): 416-421. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0156

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  为了解决水工闸门滚动行走支承的球轴承摩阻力臂计算方法问题,从能量损耗角度出发,将球轴承的滚动摩擦简化为微观滑动、弹性滞后和黏着效应3种.其中微观滑动的接触面近似为圆形区域,其应力分布采用2个相似的“赫兹”应力分布式进行叠加,来满足接触边界条件;弹性滞后则是由于滚珠材料并不是完全的弹性材料引起的.当滚珠受外载荷作用时发生变形,在变形过程中由于材料内摩擦作用所引起的结构阻尼将消耗一部分能量,而这部分能量是产生弹性滞后的原因,弹性滞后与应变成正比;黏着效应与接触材料的表面能有关,当滚球在套圈内滚动时滚珠需要克服接触材料的表面能,在克服材料表面能的过程中需要消耗一部分能量,这部分能量就是产生黏着效应的主要原因.通过选用440C不锈钢、氮化硅、碳化硅和碳化钨等滚动轴承中常用的材料进行计算,研究发现球轴承的摩阻力臂与打滑比成正比、与载荷成反比.
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  流体工程

  压缩机环状进气阀不同步特性的数值分析

  张慢来, 张琴, 廖锐全, 李勇

  2014, 32(5): 422-428. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0155

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  为了研究环状进气阀各阀片的不同步特性,对往复式压缩机的膨胀-进气过程进行计算流体动力学的数值模拟以确定进行阀完整的运动规律.在压缩机内流场的瞬态计算过程中,通过在每一时间步内调用编写的关于活塞和阀片运动方程、阀片撞击判断条件、撞击时的位移约束和反弹速度边界的C语言程序,计算出4个阀片在各时间步内的位移增量,同时,运用动网格技术对计算网格进行更新,实现了对不同阀片运动过程的动态模拟.在分析网格无关性的基础上,研究了弹簧刚度和曲轴转速对各阀片的运动以及气阀实际进气量的影响.计算结果表明:阀片的不同步运动主要表现为阀片自内环到外环的逐渐关闭,随着弹簧刚度的增大和转速的降低,不同步现象越来越明显,当转速为300 r/min时,第1个阀片发生颤振,而刚度从4 000 N/m增大至6 000 N/m时,第1,2个阀片先后出现颤振,进气量约为阀片整体运动时的0.8倍,计算时必须考虑不同步对进气量的影响.
农业水土工程
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  农业水土工程

  SR100垂直摇臂式喷头摇臂有限元分析

  李红, 刘振超, 汤攀, 王超

  2014, 32(5): 429-434. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0029

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  针对垂直摇臂式喷头导流器几何结构及运动特性,研究了摇臂在运动过程中的受力及约束情况,并结合动力学理论计算公式,计算和分析了喷头在运动过程中载荷大小和约束情况.采用ANSYS Workbench软件,建立摇臂三维模型,对摇臂进行有限元模态分析、静力学分析及疲劳可靠性分析.通过有限元模态分析,得出各阶模态下摇臂的固有频率和振型,该摇臂的各阶振型主要表现为弯曲、扭曲及局部变形;当摇臂的工作频率小于41.785 Hz时,其振动以一阶振型为主.通过静力分析得出摇臂的应力分布情况,发现在摇臂安装导流器处存在较大的应力分布;通过对摇臂的疲劳分析,发现摇臂各部位安全系数差别很大,其最小值位于摇臂前端,为1.229 1,长期工作此处易发生裂纹或断裂.为提高摇臂的工作稳定性与可靠性,可以通过加强薄弱部位设计,或改进局部结构、提高材料的力学性能来实现.
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  农业水土工程

  河套灌区粮食水足迹与虚拟水净输出时空演变

  刘静^,,, 吴普特^,,,, 王玉宝^,, 赵西宁^,,, 孙世坤^,,, 张晓红

  2014, 32(5): 435-440. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0087

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  为了正确评价灌区内水资源使用对改善现有水资源管理的影响,文中引入水足迹与虚拟水概念,同时考虑降雨和灌溉用水,计算了1960—2008年内蒙古河套灌区粮食水足迹与虚拟水净输出量的时空变化,进一步评价了灌区水资源在区域内和区域间的分配.结果表明:1960—2008年河套灌区粮食水足迹由3.534×10⁹ m³减小为1.634×10⁹ m³,自2000年灌区粮食虚拟水净输出量呈下降态势,两者构成均以蓝水为主(90%);空间分布上,河套灌区中部地区(杭后、临河和五原)的粮食水足迹和虚拟水净输出量较大,而其他地区(磴口和前旗)较小;1960—2008年,粮食生产用水在灌区用水总量中所占比例呈显著下降趋势,年均下降1.07%.粮食生产用水的大部分以虚拟形式输送到灌区外部,该比例近年有所降低,但2008年仍高达76.22%.未来河套灌区应注重绿水和蓝水资源利用效率的提高.该研究为灌区水资源管理宏观政策的制定和可持续发展的实现提供理论依据.
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  农业水土工程

  麦后移栽棉节水高效灌溉模式

  刘浩, 张寄阳, 孙景生, 申孝军, 张俊鹏, 宁慧峰

  2014, 32(5): 441-447. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0054

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  为确定麦后移栽棉的合理灌溉方式,在测坑条件下研究不同灌水次数组合对麦后移栽棉生长发育、蕾铃生长、籽棉产量、纤维品质及水分利用率的影响.研究结果表明:麦后移栽棉在新叶萌发期加灌促苗水(CT1)虽然促进了植株生长发育,但成铃数和铃重没有显著提高,也没有显著提高籽棉产量和纤维品质,且衣分和灌溉水利用率最低;仅灌活苗水而依靠降雨(CT4)不足以满足麦后移栽棉的正常需水,棉花受到了水分亏缺,抑制了植株生长发育和蕾铃正常生长,导致出现大幅度减产(18.9%),降低了水分利用率,同时水分亏缺降低了马克隆值和断裂比强度,纤维品质差.与CT1处理相比,对盛蕾期进行灌水处理,在没有降低籽棉产量和纤维品质的情况下,显著提高了衣分,同时,水分利用率和灌溉水利用率分别提高了8.5%和30.8%,可实现麦后移栽棉节水高产的统一.
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  农业水土工程

  咸水灌溉对覆膜棉花生长与水分利用的影响

  张俊鹏^,, 冯棣, 曹彩云, 孙景生^,, 孙池涛, 郑春莲, 刘浩^,

  2014, 32(5): 448-455. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0070

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  为了揭示棉花生长发育对咸水灌溉的响应特征,采用小区对比试验,研究了不同矿化度咸水灌溉对棉花出苗、株高、叶面积、果枝数、地上部干质量等形态指标以及产量构成、耗水量和水分利用率的影响.结果表明,棉花出苗率和成苗率随着灌溉水矿化度的增大而减小,但3 g/L灌水处理与对照间的差异不具有统计学意义,而5,7 g/L处理与对照间差异极具统计学意义.在移栽补全苗情况下,咸水灌溉对棉花形态生长指标产生了一定的抑制效应,灌溉水矿化度愈大,抑制作用愈大;对株高、叶面积和地上部干质量的影响在蕾期最明显,花铃期之后开始逐渐减弱;对果枝数和棉铃生长的影响程度随着棉花生育进程的推进而降低.处理间棉花的耗水量差异不具有统计学意义,籽棉产量和水分利用率的大小顺序,按灌水处理依次为3,1,5,7 g/L,其中7 g/L处理与对照间的差异具有统计学意义.与灌水前初始值相比,试验结束后1,3 g/L灌水处理的0~40 cm土层盐分未增加,5,7 g/L灌水处理则形成了积盐.研究结果可为咸水安全利用提供重要参考.
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  农业水土工程

  圆形喷灌机注肥泵的设计与试验研究

  严海军, 王志鹏, 马开

  2014, 32(5): 456-460. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.1042

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  圆形喷灌机的喷灌施肥一体化作业是国内外精准农业的研究热点,选用工作压力高、流量小且稳定的施肥装置是确保高均匀性喷灌施肥的技术关键.针对圆形喷灌机实际应用和作物施肥特点,设计了一台双缸柱塞式注肥泵,包括液力端、传动端、柱塞、密封及配套动力等,单缸设计流量为150 L/h,最大工作压力为1.0 MPa;对试制样机进行了历时100 h的耐久性试验、20%~100%行程范围的调节试验和30~50 Hz频率范围的变频调节试验.结果表明:研发的柱塞式注肥泵流量随着出口压力的增大而有所减少,但不同出口压力下,流量在100 h内的变异系数均小于5%;改变柱塞行程,泵的实际流量和理论流量几乎一致,两者间的最大差值在行程百分比为60%处,为理论流量值的7.5%;泵的流量随着电源频率的增大呈线性上升关系.试验还表明,改变柱塞行程和电源频率可以调节注肥泵的注肥流量,扩大注肥泵的流量范围.开发的注肥泵适用于圆形喷灌机等灌溉施肥系统,可实现施肥的精准控制.