排灌机械工程学报

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泵理论与技术

带导叶离心泵内部旋转失速研究进展

阳君, 袁寿其, 裴吉, 张金凤

2015, 33(5): 369-373. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0107

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带导叶离心泵的旋转失速现象严重制约了产品的安全性和稳定性.旋转失速随其传播方向不同主要分为正向旋转失速和反向旋转失速.研究表明,带导叶离心泵在小流量工况下易在叶轮进口处发生正向旋转失速,在近设计流量工况时则易在导叶流道内发生反向旋转失速,这2种失速都对泵的性能曲线产生较为明显的影响.目前国内外对带导叶离心泵的旋转失速的主要研究方法是CFD分析、PIV技术及压力脉动试验相结合,通过对泵内部流动结构变化和压力波动的频域及时频域分析以获得旋转失速的主要特征,包括失速频率、失速核的个数及传播速度等.但是失速团是怎样发生、发展的等问题都没有得到很好地解答,针对这些问题,还需要进一步试验和理论研究.

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泵理论与技术

船用喷水推进泵装置水力特性的数值模拟

罗灿, 成立, 刘超, 祁卫军, 商邑楠

2015, 33(5): 374-379. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0005

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为了更好地分析喷水推进导叶式混流泵装置的水力特性,通过选取标准k-ε湍流模型,采用计算流体动力学分析软件CFX对包括推进泵、进水流道、船底水体和喷嘴在内的船用喷水推进装置在各流量工况下的运行情况进行了数值模拟,分别从流道水力损失分布、装置水力性能、轴向力和内流场特性等方面展开分析.模拟结果表明:流道进口断面到方变圆断面段几何形状较为复杂,水力损失占总损失比重最大,特别是小流量工况,该比重超过了90%,但随着流量的增大,该比重会减小,其余各段水力损失的比重则增加;装置在0.50Q_d附近进入水力不稳定区,0.76Q_d~1.10Q_d为装置运行的高效区,喷水推进泵装置受到的轴向力随着流量的增大而减小;在小流量工况下,叶槽内流态较为复杂,展向涡、径向涡和泄漏涡均较为明显,随着流量的增大,这些涡均逐渐缩小直至消失.

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泵理论与技术

无轴式喷水推进泵的水动力特性

刘瑞华, 曹璞钰, 王洋, 宁超

2015, 33(5): 380-386. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0028

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为提高现有SDPM-450型喷水推进泵的水动力特性,提出了无轴式喷水推进泵的理念.采用齿轮轮缘驱动结构代替原有的皮带轮——驱动轴传动结构,避免了驱动轴对泵进流场的扰动作用.应用商业CFD软件分别对无轴式喷水推进泵和原模型进行三维建模和数值计算,围绕理论、内部流动和推进性能3个方面进行水动力特性研究.对比分析表明:驱动轴的摒弃降低了进水流道的损失系数和伴流系数,减小了不均匀进流对喷水推进泵速度场的扰动,进而加强了喷水推进泵的过流能力和做功能力;无轴式结构增强了喷水推进器的推进性能,在高航速区间内尤为明显,推力增大了20%,推进效率提高了15%;高效区间向高航速方向延伸,船舶的航行范围得以拓宽,平均增幅为3~5节.因此,无轴式喷水推进器结构上具有可行性,水动力特性上具有优越性,该研究为喷水推进装置的未来发展提供了一个方向.

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泵理论与技术

泵作透平性能试验台设计开发

孔繁余, 陈凯, 杨孙圣, 汪家琼, 袁昕

2015, 33(5): 387-390. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0153

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为了设计开发离心泵作透平的试验台,分析了国内外离心泵作透平的实验现状及现有试验台的优缺点,结合泵作透平的基本知识以及流体机械测试技术,设计开发了离心泵作透平的手动测试试验台和自动测试试验台.对手动测试试验台和自动测试试验台分别进行了测试试验,并对比分析了2种测验台的优缺点.从2种试验台的测试结果可以看出,2种试验台均可以准确测得泵作透平的真实水力性能,为测试泵作透平的水力性能提供可靠试验依据.研制的自动测试试验台设计更合理、便于操作,测试范围广,对泵作透平的研究有重要的意义.

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泵理论与技术

300 MW轴封型核主泵循环油泵的数值模拟与试验研究

冯晓东, 蔡龙, 吴大转, 杨立峰, 吕向平

2015, 33(5): 391-396. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0148

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研究了300 MW轴封型核主泵循环油泵的螺旋轴流式叶轮结构功能和性能特点,对循环油泵过流部件的内部流动进行了三维数值模拟,并预测了油泵的水力性能,论证了螺旋轴流式叶轮和径向导叶设计及参数选取的合理性.通过对循环油泵在不同介质温度下的水力性能试验,分析不同油温下滑油黏度对水力性能的影响及其机理.结果表明:在大流量工况下,循环油泵性能的预测结果和试验结果具有较好的一致性;螺旋轴流式结构使循环油泵具有高抗汽蚀性能和高可靠性,但效率仅为10%左右;循环油泵的效率和扬程均随着温度的升高而升高,这是由于滑油黏度随温度升高而减小,叶轮的圆盘摩擦损失、叶轮和导叶流道内部的流动损失均明显减小;循环油泵的水力特性完全满足核主泵推力轴承滑油系统的的运行要求,研究结果可为润滑油系统的分析与设计提供依据.

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泵理论与技术

一种改进的四面体网格质量优化算法

董亮, 代翠, 张彦明, 肖佳伟, 唐晓晨, 刘永付

2015, 33(5): 397-401. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0069

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网格质量直接影响计算的精度和计算的效率,为了更好地提高离心泵边界网格质量,针对现有网格质量优化算法中网格质量衡量准则、目标函数以及求解算法不合理等问题,提出了一种基于优化光顺的网格质量优化算法.该算法在提出一种新的四面体质量衡量准则并验证其合理性的基础上,建立了一个新的基于优化光顺的目标函数,并在求解目标函数最小值过程中,采用点态松弛技术将求解全局最小值问题转化为求解一系列局部最小值问题,应用变尺度算法求解非线性函数的局部最小值,以提高算法效率.数值试验结果表明,优化前网格中单元质量最小值为0.005 2,平均值为0.510 5,且在叶轮的进口边处在大量的劣质单元;采用本文算法优化后,网格中单元质量最小值为0.058 4,平均值为0.585 0,网格中的最差单元质量得到了显著提高,该算法能够较好地提高边界处和整体网格质量.

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泵理论与技术

1 000 MW级核电站用喷淋泵泵壳安全性分析

王文博, 刘厚林, 王凯, 黄浩钦, 李永进

2015, 33(5): 402-406. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0097

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安全壳喷淋系统是保障核电站安全的关键设施,该系统中的喷淋泵更是核电站的核心安全设备.以一台核电站用安全壳喷淋泵为研究对象,对其进行安全特性方面的研究,以验证其设计是否满足抗震规范要求.首先,对泵壳结构体进行模态分析;其次,对其结构体加载运行基准地震载荷和安全停堆地震载荷,并进行基于模态响应下的地震动分析;最后,对泵壳内壁表面加载热变载荷,并对结构体进行热冲击计算.结构体安全性分析的结果表明:喷淋泵壳体的基频为104.45 Hz,远大于33 Hz,为刚性结构,结构体振动方式以水平方向运动为主.热冲击作用下产生的高热应力区域集中在泵座与壳体交界处;地震动作用下的地震动效应高应力区域集中在壳体上的结构分布不均匀处.无论是在热冲击还是地震动作用下,高形变区域均集中在泵底.泵壳结构体上出现的最大应力小于ASMEⅡ所确定的材料许用应力,满足抗震规范要求.

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水利水电工程

冲击式水轮机喷射机构的磨损特性数值分析

曾崇济^,, 肖业祥^,, 张瑾^,, 安守皇^,, 王正伟^,

2015, 33(5): 407-411. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.1012

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冲击式水轮机广泛应用于高水头地区,应用水头一般高于500 m,因此喷嘴出口流速将大于100 m/s.高速的自由射流中,水中携带的细小沙粒不仅会对冲击式水轮机的水斗表面结构造成磨损,而且会破坏喷射机构.喷射机构的主要作用在于形成高质量圆柱射流,提高转轮中的能量转换效率.沙粒磨损喷射机构将影响射流质量,造成效率损失.对喷射机构以及自由射流的水固气三相流动进行了三维非定常的数值模拟.水中携带的细小沙粒简化为圆形固体颗粒,并采用离散颗粒模型模拟其运动特性以及喷射机构的磨损特性.研究发现不同颗粒直径的沙粒其运动轨迹区别很大,造成的喷射机构磨损特性也不相同.喷针表面磨损预测结果显示,直径小的颗粒随流性较强,会对喷针头部造成磨损;直径大的颗粒惯性大,容易撞击喷针颈部上游区域,造成磨损.

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水利水电工程

不同长径比和倾角圆管道中的空化现象

杜慧勇, 张青锋, 刘建新, 王站成, 李民, 徐斌

2015, 33(5): 412-416. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0031

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对不同长径比和倾角对圆管道内液体流动所产生的空化现象进行了研究.通过对长径比为5 ∶1和5 ∶2,倾角分别为90°,120°,135°几种情况下的圆管道在背压为0.1 MPa,入口压力分别为0.3,0.5,1.0 MPa条件下的空化现象进行了数值模拟,得到相应圆管道内的压力和空化云图,并分析了空化在圆管道内出现的位置及空化强度.计算结果表明:空化现象均出现的管道的入口处;在相同的进出口压差条件下,随着圆管道直径的增大,空化区域在减小,且空化强度也在减弱;当管道的倾角为90°时,空化现象最为剧烈,且管道入口处上下均出现空化现象;随着圆管道倾角的增大,管道内空化减弱,空化区域在减小,且空化仅仅发生在入口处下部.同时,制作了长径比为5 ∶1和5 ∶2、倾角为90°,以及长径比为5 ∶1、倾角为135°的透明管道试件,并进行了可视化的空化试验,试验结果与数值模拟的结果吻合较好.

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流体工程

几何参数对矩形微通道内流体流动特性的影响

侯亚丽^,, 汪建文^,

2015, 33(5): 417-421. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0192

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以试验手段对8根不同水力直径矩形微通道内蒸馏水的流动特性进行研究,测量得到了矩形微通道内流体流动时摩擦阻力系数f和摩擦常数P_o随Re数的变化规律,分析了矩形微通道水力直径、深宽比及长径比等几何参数对其内流体流动特性的影响规律和方式.结果表明:对于深宽比相同的微矩形通道,水力直径或长径比的减小都将引起内流体流动的f值和Po值的增大;而对于长径比相近而深宽比不同的矩形微通道而言,随着深宽比的减小,微通道内的f值和Po值也将增大;文中研究范围内,深宽比对矩形微通道内流体流动特性的影响更大;矩形微通道内流体流动的摩擦阻力系数是水力直径、深宽比及长径比等几何参数的复杂函数.

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流体工程

螺旋槽干气密封端面气膜温度场的数值分析

产文, 宋鹏云, 毛文元, 焦凤

2015, 33(5): 422-428. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0013

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为了解因黏性剪切和压缩膨胀等因素导致干气密封气体流经密封端面时的温度变化,以空气润滑螺旋槽干气密封为研究对象,利用CFD软件的三维数值模拟功能,分别研究了膜厚t、转速n和密封气体压力po对稳态运行时端面气膜温度分布的影响.结果表明:气膜温度沿径向和周向均发生变化,螺旋槽内靠近外径处的气体温度较低.随着膜厚t的增大,气膜的高温区由台区逐渐转移到密封坝区.膜厚t越大,端面气膜的平均温度越低.转速n对于气膜温度的影响明显,随着转速n增大,气膜温度迅速上升.而随着密封气体压力po的增大,泄漏量St逐渐增大,通过泄漏气体带走的热量相应增大,气膜温度相应降低.

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农业水土工程

改进突变理论对大型灌区运行状况的综合评价

王锦辉, 费良军, 王光社, 冯缠利, 武锦华

2015, 33(5): 429-433. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0187

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对比分析了对大型灌区的常用评价方法,指出这些方法存在的主要缺点是评价中各指标权重的确定易受人们主观因素的影响.改进突变理论避免了评价各指标权重的确定问题,从而相对减少了人们主观因素的影响.对突变理论综合评价方法进行了改进,通过调整突变理论评价综合值的方法,克服了综合评价值过高和过于接近的问题,提高了其评价结果的分辨水平.将改进突变理论综合评价方法运用于大型灌区运行状况综合评价中,以陕西省大型自流渠灌区洛惠渠为实例进行验证,洛惠渠灌区在2009,2010,2011,2012年的评价值分别为0.060 5,0.265 7,0.549 1,0.660 1,运行状况等级分别为中等,良好,良好,良好.其评价结果与改进TOPSIS法的结果基本一致,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,且该方法计算简单、可靠性高,可为大型灌区运行状况综合评价提供一种新方法.

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农业水土工程

河套灌区解放闸灌域盐荒地积盐量分析

李亮, 李美艳, 王世锋, 王长生, 李正中

2015, 33(5): 434-441. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0178

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以解放闸灌域为背景对盐荒地水分和盐分的变化展开研究.在田间试验的基础上,通过遥感技术对TM数据解译统计盐荒地面积,利用HYDRUS-1D模型对盐荒地土壤盐分的积聚量与流失量进行了模拟和分析.结果表明,盐分在表层土壤中积聚,解放闸灌域总面积为2 156.47 km²,盐荒地达到了总面积的16.32%.灌域盐荒地1 m深土壤层中,在作物生育期积聚盐量为10.32×10⁶ kg,在秋浇期流失盐量为9.60×10⁶ kg,占积盐量的93.01%;年度积盐量为0.72×10⁶ kg,占积盐量的6.99%.经检验,HYDRUS-1D模型对土壤水分和盐分在垂直方向运移的模拟具有较高精度,反映出盐分积聚和流失规律.盐荒地盐分的积聚与流失对灌区盐分具有重要调节作用,可为灌区水盐运移的研究提供科学依据.

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农业水土工程

机井和地下水位对坎儿井水量影响的数值模拟

张伟, 张爱军, 邢义川, 宋志鹏, 买尔旦·买买提, 柳丽英

2015, 33(5): 442-449. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0150

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长期以来坎儿井和机井是吐鲁番地区2种重要的灌溉水源工程,但由于吐鲁番地区机井布局和水源开采缺乏科学规划,造成区域地下水位的下降,直接威胁到了坎儿井的存在.为了探究机井抽水和地下水位对坎儿井水量的影响规律,在研究火焰山山前洪积扇水文地质条件的基础上,结合坎儿井独特的运行机制,建立了坎儿井出水模型,通过施加不同位置和数量的机井,变换抽水量和地下水位等方式以控制影响因素.结果表明:坎儿井水量与机井的距离和抽水量呈负相关,但会因其位置和排布形式的不同而产生不同程度的影响;单井对坎儿井水量的影响十分有限,群井对坎儿井水量的影响较大,其中又以集水段附近设置机井的影响最大;而在所有对坎儿井水量影响的因素中,地下水位起到了决定性作用.因此坎儿井的保护工作应以控制地下水位为主,同时严格控制坎儿井周围的机井数量和抽水量.

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排灌装备制造技术

我国喷灌技术发展面临的主要问题及对策

范永申^,, 王全九, 周庆峰, 段福义, 王正奇, 陈震

2015, 33(5): 450-455. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0002

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我国喷灌的发展经历从引进到仿制创新,从自发研制到国家组织、计划攻关,在品种繁杂到系列化、标准化的过程,其中有高潮也有低谷.经过近40年的发展,我国的喷灌出现了设备生产混乱、性能差系列化程度低、自有技术少等一些问题,同样也存在投资与效益、制度与体制的问题.未来发展将主要集中在以下几个方面:低压低能耗、综合利用清洁能源、喷灌机组逐渐轻型化控制面积增大、自动控制和精量控制.文中提出我国喷灌发展的对策:一是开发适合我国国情的喷灌机组,降低价格,形成中国特色的喷灌系列产品;二是加大科研力度,拥有一批具有自主产权的专利技术;三是加快设备的研制与产业化进程;四是因地制宜地发展喷灌,讲求社会、生态和经济效益并举.

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排灌装备制造技术

基于节水增粮行动背景下的黑龙江省高效节水灌溉装备需求分析

郎景波, 王俊, 李铁男, 王大伟

2015, 33(5): 456-460. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.1030

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黑龙江省是国家重要的商品粮基地,在节水增粮行动背景下,高效节水灌溉模式、装备类型及装备需求情况亟待解决.文中分析了全省节水增粮行动项目实施以来,其年度任务及完成情况、取得的经验及存在问题.结果表明:喷灌是目前黑龙江省旱田采用的主要灌溉模式,预测到2020年我省旱田采用的主要灌溉模式将从绞盘式喷灌逐渐演变为绞盘式喷灌与中心支轴式喷灌.装备类型将以绞盘式喷灌机与中心支轴式喷灌机为主.预计2015—2020年,绞盘式喷灌机需增加2 734台套,中心支轴式喷灌机需增加277台套,微灌设备需增加415台套.

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