排灌机械工程学报

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张华, 施卫东, 陈斌, 张德胜, 邵佩佩

2014, 32(6): 461-465. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0148

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轴流泵内部流场较为复杂,尤其是端璧区的叶顶泄漏,不仅能破坏叶轮进口流场,而且对叶轮流道内流场也有较大的影响.采用CFD数值计算与PIV试验研究相结合的手段,对叶轮进口附近流场进行研究,以揭示其流动机理.PIV结果表明:在1.2Q_opt和1.0Q_opt工况下的流线及速度云图分布较为均匀,而0.8Q_opt工况下,外缘壁面靠近叶片进口边处出现低速区,且流线向轮毂侧偏转.数值计算结果表明:预测外特性结果与试验相吻合,叶轮进口的流场也与PIV结果一致;另外,在1.2Q_opt工况下,5%叶顶高处的间隙内部流动方向与主流一致;1.0Q_opt工况下,流体基本沿周向运动;当流量减小到0.8Q_opt时,出现叶顶泄漏,并在间隙内靠压力面侧形成分离后再附着的现象,在吸力面一侧受泄漏流与主流碰撞及相互卷吸的影响,形成一个逆时针方向的旋涡.

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轴流泵马鞍区流场流固耦合数值模拟

罗欣, 郑源, 张新

2014, 32(6): 466-471. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0162

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为了分析轴流泵不稳定运行马鞍区工况内叶轮的结构,并研究该结构的稳定性,采用雷诺时均离散方法和标准k-ε湍流模型对泵装置流场进行CFD数值模拟,利用ANSYS的Workbench平台,通过单向流固耦合模型对叶轮的应力和应变进行计算,得到了不同工况下叶轮受流体压力作用所产生的等效应力及变形量,研究了叶轮结构的应力和变形量随流量的变化特征.研究结果表明:在40%~75%设计流量下不稳定运行马鞍区,数值模拟能准确地计算轴流泵内部流场,泵装置内部流态随流量的减小逐渐紊乱.轴流泵叶片表面应力分布不均,集中分布在叶片根部,随着流量的减小最大应力逐渐增大,马鞍区工况叶片结构应力有较大的安全余量,满足强度要求;叶片进水边外缘叶尖处变形较大,振动现象明显,最大总变形量随着流量的减小先增大后减小,但大变形区域由叶尖向叶缘扩散.研究结果为轴流泵马鞍区安全稳定性研究提供了一定参考.

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基于流固耦合的离心泵蜗壳结构分析与优化

王海宇, 张德胜, 施卫东, 张磊

2014, 32(6): 472-476. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0067

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为了研究蜗壳和超厚离心泵叶片匹配时的应力分布和变形,采用单向流固耦合方法对3种蜗壳结构产生的变形、等效应力和模态进行了数值分析和优化.蜗壳基圆直径与叶轮直径的比值(D3/D2)是蜗壳结构动力特性的主要影响因素,所以选取不同的D3/D2设计方案,进行数值模拟.当D3/D2较小时(方案A),超厚叶片出口的射流-尾迹现象导致蜗壳流道内压力分布不均匀,其诱导的蜗壳变形量较大;随着D3/D2逐渐增大(方案B,C),蜗壳的动力特性参数数值明显减弱,且数值趋于稳定.在设计工况下,方案A变形量最大值为544 μm,等效应力最大值为15.7 MPa;方案B和方案C最大变形量分别降低为方案A的2.6%,2.8%,最大等效应力分别降为方案A的14.8%,22.9%.数值计算结果表明,3组对比方案中,方案B和方案C的结构动力特性相近,方案B的各指标最好,其运行可靠性更高.因此推荐具有超厚叶片的离心泵蜗壳D3/D2取1.13(方案B所取值)左右,以获得较优的结构动力特性.

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基于CFD的汽车水泵优化设计

杨勇, 蒋文萍, 杨昆, 陈小东, 胡铁刚, 谢蓉, 龚路远

2014, 32(6): 477-481. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0149

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针对某增压直喷发动机冷却系统中水泵效率过低的问题,应用一维及三维CFD方法进行优化分析.首先根据发动机最大热负荷下冷却系统带走的热量,确定水泵的流量需求;其次采用一维CFD软件Flowmaster对该发动机冷却系统进行分析,确定水泵的扬程需求;然后根据流量及扬程需求,对水泵进行详细设计,其中叶轮设计方式为闭式离心叶轮,且叶片前缘向压力面倾斜,蜗壳设计方式为梯形截面的扩张通道;最后采用三维CFD软件Fluent对设计的叶轮及蜗壳进行计算,对设计方案进行优化.计算结果表明,CFD计算值与试验值吻合,误差小于5%;优化后水泵在设计工况下满足设计需求,总效率较原水泵提高了26%;抗气蚀性能增强,必须汽蚀余量NPSHR降低0.4 m.流场分析表明,新水泵较原水泵压力分布更均匀;新水泵消除了原蜗壳内的低速旋涡,使能量损失减少,能量转换效率大幅提高.

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低比转数排污泵内部PIV试验研究

王震, 陈斌, 张华, 胡啟祥, 高标

2014, 32(6): 482-486. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0032

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通过对传统机电一体式排污泵的结构改造,以有机玻璃材料来加工叶轮及蜗壳,利用半螺旋形吸水室改变来流方向,成功获得适合于PIV测试的试验泵段.采用轴编码器等同步装置和空心玻璃球作为示踪粒子,对3个工况下叶轮与蜗壳5个不同相对位置的叶轮中间截面流场进行拍摄,取得了较好的结果.从PIV试验结果可以看出,在大流量1.4Q_d和设计流量1.0Q_d工况下,叶轮内部流场在任意时刻均能够保持较好的轴对称性分布,而极小流量0.2Q_d情况下,叶轮内部流场较为紊乱,且表现出明显的非轴对称性.在所拍摄的5个时刻内,通道A由于穿过隔舌位置,其出口圆周的相对速度分布梯度和小流量下旋涡的强度、大小等均受到隔舌的强烈影响.在极小流量情况下,通道C随着叶轮的旋转,压力面附近的脱流不断加剧并形成旋涡,最终堵塞大部分流道.

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水利水电工程

葛洲坝大江泄流对中华鲟产卵场空间分布特征的影响

王煜, 戴会超^,, 毛劲乔, 彭秀华

2014, 32(6): 487-493. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0171

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葛洲坝的修建阻隔了中华鲟上溯到上游产卵场的洄游通道,使其被迫在葛洲坝坝下4 km范围内形成新的产卵场,葛洲坝泄流对中华鲟产卵场的空间分布造成了一定影响.为了探明葛洲坝小出库流量且仅开启大江电厂发电泄流状况下,大江电厂发电泄流量的改变对坝下中华鲟产卵场产卵栖息适合度以及产卵场空间分布特性的影响,在构建中华鲟产卵场三维水动力数学模型及栖息地评价模型的基础上,对葛洲坝大江不同发电泄流量及不同机组泄流量工况下中华鲟产卵栖息地空间分布特征进行深入分析.结果表明,大江电厂单机泄流量增量小于200 m³/s时,可增加坝下中华鲟产卵栖息地适宜值,有利于中华鲟产卵繁殖;增加大江各机组的发电泄流量对坝下中华鲟产卵场空间分布具有一定的影响,各机组流量增量小于200 m³/s时,中华鲟产卵场面积增大,产卵场位置自右岸向左岸扩展,中华鲟获得更为广阔的产卵空间.

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水利水电工程

基于水动力耦合模型的平原地区排涝规划

王玉, 曹命凯, 杨晨霞, 王钧

2014, 32(6): 494-499. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0182

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针对滨海平原感潮河网地区水系流态复杂、受边界条件和工程调度影响显著的特点,遵循充分发掘水系调蓄能力、多闸联调和水闸优先抢排的原则,对感潮河网和湖泊分别构建一维和二维水动力数学模型,利用2种模型模拟水位、流量相等的条件,对一维和二维水动力数学模型进行耦合.以辽东湾新区水系排涝规划为例,对4种设计方案进行了分析对比,得出了河道断面和排涝闸门规模.结果表明:方案一和方案二中,河道断面尺寸不变时,排涝闸门规模偏小,造成上游水位偏高;方案三和方案四中,排涝闸门规模不变时,扩大河道断面尺寸对域内水位影响不大.从排涝能力和经济等角度综合考虑,选取方案四为最优方案.计算结果较好地反映了滨海平原感潮河网地区河道断面尺寸和排涝闸门规模对排涝能力的影响,可为区域工程设计和制定排涝方案提供技术保障.

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流体工程

机械密封环上游泵送槽凸模压制脱模工艺试验

符永宏, 袁志超, 华希俊, 肖开龙, 杨烨刚

2014, 32(6): 500-504. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0164

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为了解决凸模压制碳化硅密封环泵送槽时存在的黏模问题,从模具结构、脱模剂种类选择、加压及卸压速度等方面,运用单因素分析法,在液压成型机上开展大量工艺试验,以优化工艺参数组合.研究结果表明:螺旋小块的脱模斜度和过渡圆角对脱模效果和脱模后密封环的形貌影响较大,脱模斜度为11°~15°、下端面过渡圆角半径为0.1~0.2 mm时最佳.根据脱模剂性质和试验结果,最终选择自主研制的2种组合方式,即固体润滑剂二硫化钼和凡士林混合,以及锂基润滑脂和抗磨液压油混合.前者脱模后密封环的形貌较好但涂抹过程较烦琐,且成功率偏低,后者反之.加压速度及保压时间对脱模效果无明显影响,但卸载速度的影响较大,当卸载速度为2~5 MPa/s时脱模效果最佳.另外,根据碳化硅粉料的特点及泵送槽的形貌要求分析了其他脱模剂不能满足使用要求的原因.

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流体工程

调速器液压随动系统故障诊断系统

范明树, 郭江, 张珂斐, 袁方, 曾洪涛

2014, 32(6): 505-510. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.1046

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水力机组的运行特性和经济性能指标很大程度上受水轮机调速器液压随动系统影响.针对目前调速系统仅能实现基本在线监测和故障诊断功能的实际情况,在分析调速器液压随动系统的物理结构、工作原理和故障机理的基础上,利用改进的故障模式、影响和危害度分析(FMECA)方法进行故障定性分析,明确设备的功能、故障模式、故障原因和故障影响,建立调速器液压随动系统的分布式物理图网模型,与仿真模型提取定量特征指标值相结合进而实现设备的故障诊断.以开机过程中液压阀卡涩故障为例进行仿真分析,根据机组的频率、导叶开度、电液转换器、PID等关键监测位置信号输出结果的不同,判断调速器发生故障的类别.案例分析结果表明,该方法简单、可靠,能准确定位系统的故障,为实现机组的高效经济运行和日常维护提供决策基础.

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流体工程

水流量标准装置的高精度换向器设计

朱雷, 张建光, 张海平, 陈莹, 孟晓超

2014, 32(6): 511-516. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0144

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为了在水力机械模型测试中对流量进行原位标定,并在水利行业建立水大流量的溯源基准,中国水利水电科学研究院研制了静态质量法水大流量标准装置.文中对标准装置中的关键装置换向器进行了设计.首先设计了新型换向器装置,并依据计量检定规程JJG 164—2000对换向器进行了检定,结果表明在流量Q为0.8 m³/s条件下换向器相对不确定度U_{Drel为0.015%(k=2);在此基础上应用数值模拟的方法对换向器过程进行了分析,采用VOF两相流模型和k-ε湍流模型求解换向器内的气液分界面,计算不同位置的注入流量;最后利用高速摄像确定了换向器运动过程,得到了换向器的动态曲线并确定计时触发位置.研究结果已应用于水大流量原位标定以及大口径流量计的检定和校准.}

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流体工程

SBR工艺处理合成氨废水的中试研究

黄天寅, 刘峰, 王传琦, 周彪, 吴玮

2014, 32(6): 517-522. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0189

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为了研究合成氨废水的有效处理工艺,以改进后的SBR工艺建立中试系统处理合成氨废水,系统考察了SBR工艺运行的最优参数以及工艺在稳定运行时COD,NH⁺₄-N和TN的去除效果.结果表明:SBR工艺的最佳运行工况为进水(1.5 h)→好氧曝气(运行时间9 h、曝气量80 m³/h)→缺氧搅拌(3 h)→沉淀(50 min)→出水(1.5 h),SBR工艺对COD,NH⁺₄-N和TN的平均去除率分别为91%,87%和83%,去除效果显著,出水COD,NH⁺₄-N和TN均达到GB 13458—2001《合成氨工业水污染物排放标准》的一级标准.

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农业水土工程

CPSP模型在华北井灌区农业水管理中的应用

彭致功^,, 刘钰^,, 许迪^,, 王蕾^,, 张宝忠^,

2014, 32(6): 523-528. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0075

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为研究不同农业水管理措施对区域水平衡的影响,选择北京市大兴区为华北井灌区代表性研究区,以CPSP模型为技术支持,研究了提高灌溉水利用率、采用亏缺灌溉、改善农业种植结构及利用区外水源等不同水管理措施影响下区域水平衡、区域耗水、区域取水及用水指标的变化规律.结果表明,在资源型缺水区域,提高灌溉水利用率、采用非充分灌溉及改善农业种植结构在一定程度上能缓解区域水资源紧缺的压力,特别是采用非充分灌溉及改善作物种植结构能显著减少区域取水及耗水总量,并能减少地表水及地下水的补给量中回归水所占比例,在缓解区域水资源紧缺压力的同时也降低了区域水质遭受回归水污染风险.另外,在未来情景中,因经济快速发展及人口持续增长,工业及居民生活用水量增加,区域水资源供需矛盾将会加剧,为确保区域水资源良性循环,势必采取积极有效的水资源管理模式.

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农业水土工程

温室番茄节水调质灌水方案评价

刘浩, 段爱旺, 孙景生, 宁慧峰, 王峰

2014, 32(6): 529-534. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0010

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为寻求日光温室番茄优质高效的灌溉制度,采用设置于温室番茄冠层齐平位置的水面蒸发测定装置,设计3种基于水面蒸发量的灌水间隔水平和4种灌水量水平组合处理,依据小区试验观测结果,分析确定了以番茄产量、水分利用率、单果重、可溶性固形物质量分数及果实硬度等5项指标为主的节水调质灌溉制度评价体系;在采用变异系数法确定出各指标权重的基础上,借鉴TOPSIS综合评价方法,建立了温室番茄节水、优质、高产相统一的综合评价模型,应用该模型确定基于水面蒸发量的温室番茄节水调质灌溉制度,即当累积水面蒸发量E_pan达到10 mm ±2 mm时进行灌溉,灌水量为0.9E_pan,在产量不降低的情况下,提高了水分利用率,并在一定程度上提高了果实的营养品质和储运品质.

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农业水土工程

黄土沟壑区坡面入渗-产流方程推导及数值解法

李斌兵, 黄磊

2014, 32(6): 535-540. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0104

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从修正的Green-Ampt方程出发,通过数学推导将常微分形式的Green-Ampt入渗方程转化为超越方程求解,从而简化了Green-Ampt方程的计算过程;对坡面流运动波方程,给出了推导过程和四点隐式差分求解方法.简化为超越形式的入渗方程经牛顿迭代和四阶龙格-库塔算法求解,可以保证解的收敛和稳定,牛顿迭代相比龙格-库塔方法计算精度更高;在坡面土槽进行恒降雨强度的3场降雨冲刷试验,利用三维激光扫描仪获取生成的DEM数据,检验在1 mm网格精度下的入渗和产流模拟结果,结果表明坡面流过程的模拟计算结果与实测资料符合良好,可用于模拟坡面入渗和产流过程,入渗误差可控制在12%以内,流量误差在13.1%以内,模拟的入渗率和流量均比实测值偏大,且模拟入渗率误差与流量误差呈正相关.

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农业水土工程

肥液浓度对膜孔交汇入渗水氮运移转化影响

脱云飞, 王克勤, 张丽娟, 费良军

2014, 32(6): 541-546. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.13.0061

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通过分析膜孔多向交汇入渗条件下肥液质量浓度对土壤水分分布特征和氮素运移转化影响的室内试验资料,研究提出了土壤湿润体的含水率及其硝态氮和铵态氮与不同肥液质量浓度和灌水入渗时间关系的经验公式,提出了湿润体内土壤含水率及其减小量和减小率、土壤硝态氮及其转化量和转化率、土壤铵态氮及其转化量和转化率与肥液质量浓度和运移转化时间关系的经验公式.结果表明:该经验公式的相关系数均大于0.900 0,标准误差很小,且通过0.05的显著性检验,可见该经验公式能反映膜孔多向交汇入渗不同肥液质量浓度的土壤水分分布和氮素运移转化规律.

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农业水土工程

水、氮和保水剂对小粒咖啡水氮利用的影响

刘小刚, 殷欣, 符娜, 杨启良, 杨新荣

2014, 32(6): 547-552. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0043

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为探求小粒咖啡幼树的最佳水氮管理及高效利用模式,通过2种灌水水平(中水(W_M,65%~80%FC)和低水(W_L,50%~65%FC))、3种施氮水平(高氮(N_H,0.40 g/kg),低氮(N_L,0.20 g/kg)和无氮(N_Z,0))和2种保水剂水平(有保(S_H,1 kg/m³)和无保(S_Z,0))的完全处理组合,研究灌水、氮素营养及保水剂对小粒咖啡幼树根区土壤水氮累积、干物质生产和水氮吸收利用的影响.研究表明:和W_L相比,W_M提高总干物质量、水分利用率、氮素吸收总量和氮素干物质生产效率分别为86.0%,36.4%,73.1%和5.3%.和N_Z相比,N_L和N_H提高水分利用率和氮素吸收总量的效果基本相同.和S_Z相比,S_H提高土壤硝态氮质量比、总干物质量、水分利用率和氮素吸收总量分别为21.9%~43.0%,78.3%,68.9%和91.2%,而降低氮素干物质生产效率10.0%.在中等供水(65%~80% FC)和低氮(NL,0.20 g/kg)条件下,配施保水剂能有效调控土壤水氮供给状况,促进干物质生产和提高水氮利用效率.因此,在本试验条件下,有利于小粒咖啡水氮高效利用的最优试验组合为W_MN_LS_H.

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