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• 2015年, 33卷, 第11期
  刊出日期：2015-11-25

    

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  中浓纸浆泵湍流发生器设计与试验研究

  叶道星, 李红, 庄海飞, 汤攀, 邹晨海

  2015, 33(11): 921-925. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.1027

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  为了实现中浓纸浆泵的湍流化及气液分离,达到输送中浓纸浆的目的,提出了一种采用等螺距和变螺距相结合的叶片型线湍流发生器设计方法,并针对某款中浓纸浆泵设计了一种湍流发生器.利用ICEM软件对湍流发生器进行网格划分,并进行网格无关性检查.基于ANSYS-CFX软件平台,采用标准k-ε湍流模型及欧拉气液两相模型进行湍流发生器流场的数值预测,研究表明气体主要集中于湍流发生器背面叶片根部.通过搭建中浓纸浆泵试验台,分别测试了抽送清水和3种质量分数为7.52%,9.30%,12.10%纸浆时泵的性能,试验结果表明:随着纸浆质量分数的增大,泵的效率和扬程逐渐下降,但纸浆质量分数为7.52%时,扬程略高于清水;中浓纸浆泵在运行过程中没有出现纸浆堵塞的情况,验证了该湍流发生器设计方法的可行性.
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  基于边界层分离理论的低比转数离心泵设计

  杨敬江, 卢新全, 陈汇龙, 姚登杰

  2015, 33(11): 926-931. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0214

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  为研究边界层分离对低比转数离心泵水力性能的影响规律,由边界层不发生分离条件,结合离心泵湍流边界层理论,在不改变叶轮进出口几何参数的情况下,通过实际案例设计新的叶轮叶片型线,探索在水力设计中防止或抑制过流表面边界层分离的方法.叶轮叶片型线方程以叶片安放角β为变参数,引入速度系数k_v作为中间因子.水力设计计算结果显示:边界层动量损失厚度随速度系数k_v的增大而变厚,理论扬程随速度系数k_v的增大而升高;在满足理论扬程的条件下,减小叶片型线方程中速度系数k_v的取值,有利于抑制过流表面边界层的分离.数值模拟结果表明,低比转数离心泵叶轮叶片型线设计不合理是导致过流表面边界层分离的主要原因,边界层分离引起泵的水力性能下降,在设计工况下,改型泵的扬程比原泵型的扬程增加不明显,但水力效率有所提升;新的叶轮叶片型线对内流场状况有一定的改善作用,能有效防止回流与涡旋的产生和发展.
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  虹吸式出水流道虹吸形成过程数值模拟

  李海峰, 何明辉^,, 潘再兵

  2015, 33(11): 932-939. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0084

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  应用RNG k-ε湍流模型及SIMPLEC算法,对虹吸式出水流道内的充水过程进行数值计算.采用VOF方法追踪自由表面,模拟流道内水气交界面的演化发展过程,再现了虹吸形成过程,分析了真空破坏阀处的流量变化情况,确定了关阀时间.数值计算结果表明,虹吸式出水流道在充水过程中,流道内空气从驼峰处的真空破坏阀中排出,水流逐渐充满流道上升段并到达驼峰处,在驼峰处分为两部分,小部分会从真空破坏阀流出,其余大部分沿着流道下降段下壁面流向出水口;在此过程中,真空破坏阀经历了排气-吸气-排气-吸气-排气-吸气的反复转换过程;当充水到一定时间后,真空破坏阀不再排出空气而是变为吸入空气;根据真空破坏阀的排气吸气过程可以确定关闭真空破坏阀的合适时间;阀门关闭后,驼峰处可以很快形成负压,产生虹吸现象,但是流道内残存的空气要经历很长时间才能完全排出.
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  基于大涡模拟的动静叶栅内固液两相流动

  韩伟, 岳婷, 李仁年, 金毅, 申正精, 张钊

  2015, 33(11): 940-944. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.1003

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  为研究离心泵动静叶栅内固液两相非定常流动情况,了解流道内的流动细节,以导叶式离心泵为研究对象,采用ICEM软件对模型泵进行结构化六面体网格划分,基于Mixture混合模型和滑移网格(sliding mesh)技术,运用大涡模拟(large eddy simulation, LES)模型对其全流道进行三维非定常数值计算.对比分析了清水和固液两相2种介质时,动静叶栅内的拟序涡流结构及演化过程的不同,并分析了固液两相流介质时流道内几个不同位置处涡的演化.结果表明:泵在输送清水和固液两相介质时,附着涡的结构基本保持不变,而由于叶轮旋转所产生的涡,在叶轮旋转运动的过程中则会有卷曲、合并、撕裂的演化形式;流道内的涡量大小分布规律在清水和固液两相介质下是相同的,但是固体颗粒的加入会加快涡的耗散速度,并且涡产生的位置和合并形式都发生了变化;固液两相介质时,动静叶栅内的涡在不同位置的演化过程是不同的.
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  梯级电站联合运行水位无差状态反馈调节器

  杨海霞, 樊红刚, 朱渊岳, 陈乃祥

  2015, 33(11): 945-952. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.1020

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  为了实现梯级串联电站系统的稳定运行,基于最优控制原理,将站间调节池的水位偏差值引入上一级电站的反馈调节器中,提出了在进行功率(或转速)调节的同时能够平衡电站间流量,并使站间调节池的水位得到调节与控制的状态反馈调节器.通过数值仿真试验,比较了转速、调节池水位和导叶开度的不同权重因子对系统动态特性的影响.由仿真结果可以看出,转速和调节池水位的权重因子对调节品质影响小,改变转速和调节池水位的权重因子,转速的最大变化相对值均为3%左右,调节时间大约为45 s;调节池水位的最大变化相对值均为0.011%,调节时间约为4 000 s.而当导叶开度权重因子从130减小为1时,其转速的最大变化相对值减小约46%;调节池水位最大变化相对值减小41%,调节时间减少为原来的33%左右,所以采用较小的导叶开度权重因子设计出的最优控制调节器,机组转速的调节时间缩短,峰值降低,调节池水位的峰值也降低.为了便于实际应用,选择合理的权矩阵设计了能实现梯级电站联合运行时站间水位无差调节的状态降维反馈调节器.由仿真结果可以看出,状态降维前后,转速、调节池水位等状态量的调节品质相差不大.
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  立式混流泵站停泵两阶段关阀 过渡过程分析

  薛宏林, 张驰, 李彦军, 谢山峰

  2015, 33(11): 953-959. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0119

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  针对文中大型混流泵站案例结构特点,结合水泵全特性和阀门特性,基于特征线法,建立了泵站停泵过渡过程计算的数学模型.经计算,泵站事故停机(蝶阀、闸门均拒动),机组最大倒转转速达到额定转速的1.56倍,超出泵站设计规范对转轮反向转速的限制.然后,进行了泵站模型的飞逸特性试验,换算到原型后,计算结果与试验结果基本吻合.结合工程实例,建立了泵出口阀两阶段关闭程序的优化模型.模型以降低最大水锤压力为目标函数、快关角度与慢关时间为决策变量,并加以相应约束条件,对两阶段关阀进行初步寻优;确定目标函数极小值范围,然后缩小步长,进行进一步寻优.结果表明:当采取3 s快关88°,20 s慢关2°时,最大水锤压力头为31.4 m,单泵最大倒泄流量为1.0 m³/s.
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  船闸底枢摩擦副设计及摩擦学行为分析

  刘海^,, 王树林

  2015, 33(11): 960-964. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0198

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  为了解决船闸底枢由于非正常摩擦磨损导致过早失效等问题,分别采用Fz5(3)和38CrMoAlA作为船闸底枢蘑菇头帽的材料,与作为船闸底枢蘑菇头材料的40Cr配对为2种摩擦副.在此基础上,先利用MM200摩擦磨损试验机测量摩擦副在水润滑和脂润滑条件下的摩擦系数,再利用台架模拟系统测量由摩擦副衍生出的5种船闸底枢蘑菇头帽-蘑菇头摩擦副在模拟实际工作情况下的磨损情况.试验结果表明:2种材料的船闸底枢在脂润滑下均具有良好的摩擦特性,Fz5(3)-40Cr摩擦副和38CrMoAlA-40Cr摩擦副在脂润滑条件下的摩擦系数分别为0.061和0.070,而在水润滑不充分情况下38CrMoAlA-40Cr摩擦副可发生咬合.台架试验结果表明Fz5(3)蘑菇帽与表面开润滑槽的40Cr蘑菇头配对的摩擦副磨损性能最佳,经过150 000次工作循环,Fz5(3)蘑菇帽的磨损量仅为0.45 mm,40Cr蘑菇头的磨损量为0.12 mm,该摩擦副的使用寿命可以较好地满足船闸大修的周期要求.
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  基于北斗定位的农田变量处方施药喷雾系统

  陈志刚, 陈梦溪, 魏新华, 李晋阳, 李林

  2015, 33(11): 965-970. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0071

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  为实现喷雾机组在田间按照处方图在线变量施药,提高农药有效利用率,降低农药带来的环境及人体健康危害,研制了一套基于北斗定位技术的嵌入式车载变量喷雾机的田间信息处理系统.系统以EPCS-8980型ARM工控机和嵌入式GIS系统作为信息处理中心,以北斗接收装置为定位工具,霍尔式接近开关传感器为车速检测装置,集成系统硬件;车载电脑通过RS-232接口接收北斗定位信息,通过CAN总线与其他设备通讯;嵌入式GIS系统由eSupermap开发并在Windows CE 5.0 操作系统上运行.系统可完成农田信息分布图生成、变量施药处方图解译以及机组行走速度检测,施药处方图的生成则由计算机完成.针对系统功能设计相应的试验方案,对其功能进行测试及分析,试验结果表明:处方图解译时间小于1 s;网格判别误差小于0.75 m;机组速度检测误差为±0.1 km/h;系统能够较好地完成预设功能,实现在线变量处方农作施药.
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  河网区不同尺度灌区节水潜力分析

  费远航, 佘冬立, 孟佳佳, 郭杰, 俞双恩

  2015, 33(11): 971-976. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0209

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  河网地区回归水的存在及其重复利用加大了节水潜力的尺度效应,也导致了关于真实节水潜力的诸多争论.采用首尾法对比研究了河网区不同尺度灌区灌溉水利用系数,并在此基础上对不同尺度灌区灌溉水利用系数提高阈值与真实节水潜力进行了综合评价.结果表明,大中型灌区灌溉水利用系数显著低于小型灌区的,且各小型灌区之间的灌溉水利用系数变异系数大.影响灌溉水利用系数的各因素中,节水灌溉因子所占的比重较大,因此可通过实施节水灌溉工程以提高灌溉水利用系数.大中型灌区单位面积的真实节水潜力显著低于小型灌区的.但同时,由于试验区灌区大中型灌区面积大,节水潜力主要依赖于大中型灌区,特别是大型灌区,试验区各大型样点灌区的近期真实节水潜力为(0.800~6.372)×10⁷ m³;远期真实节水潜力为(1.095~8.201)×10⁷ m³.不同尺度灌区应采取不同的相应节水措施,以提高灌溉水利用系数.
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  氮铅交互作用对小桐子生长及Pb累积的影响

  王卫华, 雷龙海, 张志鹏, 杨启良

  2015, 33(11): 977-984. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0126

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  为了研究氮铅交互作用对小桐子幼树生长及重金属Pb累积的影响,设计3种施N水平(N0:0;N1:300 mg;N2:600 mg)、3种土壤Pb污染水平(Pb0:0;Pb1:500 mg;Pb2:1 000 mg)进行交互试验.结果表明:(1) 不施N时,水平Pb1与Pb0差异不具有统计学意义,水平Pb2显著抑制了小桐子幼树生长及发育;随着施N量增加,Pb对小桐子的抑制作用降低,处理N2Pb2和N1Pb2的生物量分别比处理N0Pb2的提高了32.0%和8.1%.(2) 施N时,各处理表土层5 cm的土壤硝态氮质量分数与表土层10和15 cm的相差无几,2次测定的土壤硝态氮质量分数中,处理N0Pb2和N1Pb2与其他处理相比各土层的土壤硝态氮质量分数变化幅度较小;施N降低了植物体内的含Pb量,并且提高了小桐子幼树的有效Pb提取量,处理N1Pb2和N2Pb2的有效Pb提取量分别比N0Pb2的提高了18.1%和27.9%.可见,施N量增加,显著减小了Pb对小桐子幼树的抑制作用,采用水平N2提高了水平Pb2污染土壤中小桐子幼树的生物量及有效Pb的提取量,使得修复效率得到了提高.
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  灰色关联理论-TOPSIS法的大型灌区运行状况综合评价

  王锦辉, 费良军, 谢芳, 王光社, 冯缠利

  2015, 33(11): 985-990. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0080

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  首先对大型灌区运行状况建立了客观、科学的评价指标体系;然后运用博弈论的思想将G1法计算的主观权重与变异系数法计算的客观权重进行综合集成,得到最终的指标权重;最后将灰色关联理论与TOPSIS法相结合,对大型灌区的运行状况进行评价验证.通过以陕西省大型自流渠灌区洛惠渠为实例进行验证,评价结果显示洛惠渠灌区在2007—2012年的相对贴近度分别为0.179 1,0.156 1,0.214 9,0.415 1,0.509 1,0.768 2,运行状况级别分别为中等、中等、中等、良好、良好、良好.灰色关联理论-TOPSIS法的综合评价结果与可拓评价法结果基本一致,都随着时间的推移,洛惠渠灌区评价级别从中等逐渐变为良好,运行状况越来越好,这也符合洛惠渠灌区的客观实际和发展规律.因此,灰色关联理论-TOPSIS法可以运用在大型灌区运行状况综合评价中.
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  小粒咖啡光合特性和抗氧化物酶对有限灌溉和氮素的响应

  张岩, 刘小刚, 万梦丹, 王露, 徐航, 杨启良

  2015, 33(11): 991-1000. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0173

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  为了探明云南小粒咖啡水氮高效管理模式,通过温室种植槽小区进行了为期1.5 a的试验,研究4个灌水水平(W₁:充分灌水,W₂:高水,W₃:中水,W₄:低水)和3个施氮水平(N₁:高氮,N₂:中氮,N₃:低氮)对小粒咖啡生长和生理特性的影响.结果表明:土壤贮水量的降幅在灌水周期内先增后减,灌水后第3天降幅最大.灌水对小粒咖啡叶片光合及水分利用效率的影响大于氮肥,水平N₁条件下,与水平W₄相比,其他3种灌水水平在时刻10:00,12:00,14:00,16:00的净光合速率分别提高了19.60%~57.35%,18.06%~94.72%,4.40%~107.62%, 4.40%~107.62%.叶片净光合速率和蒸腾速率均随着氮肥的增加呈现先增后减的趋势,叶片水分利用效率随着灌水增加而增大.叶片抗氧化物酶(超氧化物歧化酶、过氧化物酶、抗坏血酸过氧化物酶)活性随着水分减少呈现先增后减的趋势,峰值均出现在水平W₃中;与水平W₄相比,W₃水平下的3种抗氧化物酶分别增加5.01%,97.70%和167.61%,说明水分相对缺乏时,酶活性最强.增加灌水和氮肥都能够提高小粒咖啡株高、茎粗、分枝数、冠幅、叶片数和新枝长度等生长指标.处理N₂W₂下的叶片水分利用效率最大,同时此处理的小粒咖啡生长指标及初次产量也相对较大,因此N₂W₂为水氮高效利用的组合.
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  滴灌技术与装备进一步发展的思考

  韩启彪^,, 冯绍元, 曹林来, 黄修桥, 范永申, 李浩

  2015, 33(11): 1001-1005. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0019

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  为了未来中国滴灌技术与滴灌产品、装备更好地发展、推广和应用是灌溉行业需要思考总结的问题.文中结合中国农业生产的新形势,分析了滴灌技术总体发展趋势,认为未来滴灌应用范围会更广阔,将更加体现技术集成和智能灌溉理念,更加强调能源资源的高效利用.在此基础上,对滴灌理论与技术以及滴灌装备与制造等方面的发展进行了若干思考和总结:认为在理论技术上,需加强管网优化、多水源滴灌系统、低能耗滴灌等方面研究;而在产品研发上,大流量过滤器、精准施灌设备、新型灌水器、智能化硬件和软件、滴灌铺设回收装置等滴灌新产品需进一步强化研制研发.同时呼吁建立完善的滴灌基层服务队伍.可为滴灌技术与装备的改进提供一定的借鉴.
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  植保无人机药箱建模与姿态控制器设计

  王大伟, 高席丰

  2015, 33(11): 1006-1012. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0159

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  为了提高八旋翼植保无人机的可控制性,对无人机喷洒过程中药箱进行了分析和建模,推导出长方体药箱质量和转动惯量随时间变化的公式,进一步得到了植保无人机精确的时变性动力学模型.为了验证模型的正确性和先进控制律的控制效果,设计自适应反步终端滑模姿态控制器,第一步采用典型反演控制;第二步应用终端滑模控制,使最后状态在有限时间内收敛到理想值;第三步设计了自适应控制律以消除未知干扰的影响,设计的控制器均满足Lyapunov稳定性理论.对控制器进行了仿真和试验验证,控制效果与模糊PID姿态控制器进行对比分析,结果表明:建立的时变性动力学模型可以使自适应反步终端滑模控制器良好地应用到无人机上,姿态角控制效果得到明显改善,试验中姿态角误差分别降低了25.57%,24.21%和19.41%,同时控制器对外界未知干扰不敏感,且具有较强的鲁棒性.