排灌机械工程学报

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泵理论与技术

双心室心脏泵内部流动非定常数值模拟

袁建平, 孙文婷, 王龙滟, 付燕霞, 洪锋, 周帮伦

2015, 33(7): 553-559. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0111

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为了研究某新型离心式双心室人工心脏泵内部血液流动特性,采用CFD技术对泵设计工况下的内部流场进行数值模拟分析,获得了该心脏泵内部速度、湍流动能和切应力分布规律,同时得到了泵进口流量、作用在不同过流部件的轴向力和径向力变化情况,并对蜗壳处的压力脉动进行分析.研究结果表明:该型双心室心脏泵内部流场没有出现明显的流动死水区,满足心脏泵的抗血栓要求;泵内压力和切应力分布规律相似,整体分布均匀,满足抗溶血性能的要求;由于心脏泵的整体设计为对称结构,很好地平衡了左右叶轮的轴向力;较小的泵整体结构的径向力和转矩有利于心脏泵抵御瞬态的径向负荷;左右两泵蜗壳处的压力脉动呈现明显的正弦周期性变化规律,均含有6个波峰和6个波谷,且各监测点处压力脉动的主频为叶片通过频率,这是由于叶轮和蜗壳的动静干涉作用.

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泵理论与技术

叶顶间隙对斜流泵进口压力脉动影响的数值分析

李仁年^,, 胡鹏林, 黎义斌^,, 毕祯, 周栋

2015, 33(7): 560-565. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0168

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由于叶顶间隙对斜流泵内外特性的影响甚大,因此在斜流泵设计时叶顶间隙的合理选取具有重要的工程意义.为了研究叶顶间隙大小对斜流泵进口压力脉动特性的影响,选取叶顶间隙分别为0,0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为研究对象,基于SST k-ω湍流模型和LES大涡模拟方法,采用SIMPLEC算法与块结构化网格,在小流量工况下,对斜流泵内部流场进行三维非定常数值计算,并监测叶轮进口处压力脉动特性.计算结果表明:随着叶顶间隙的增大,斜流泵的扬程逐渐降低;叶顶间隙对斜流泵叶轮进口压力脉动的径向分布影响显著,叶轮进口主流区的压力脉动幅值较小,而近壁区压力脉动幅值较大;较大的叶顶间隙可以降低叶轮进口的压力脉动幅值,有利于改善模型斜流泵运行的稳定性.

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泵理论与技术

多级离心泵内部级间影响及压力脉动特征

康灿, 杨鑫, 于晓杰

2015, 33(7): 566-571. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0108

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为了研究多级离心泵内级间相互影响及流道内的瞬时流动特征,对一两级泵内部流动进行了三维定常与非定常数值计算,获得并分析了不同流量工况条件下流道内各个监测点的压力脉动特征.研究表明:首级导叶的存在是导致次级叶轮入口截面上不均匀流动状态的关键因素;在每级叶轮的出口与导叶进口联结处均存在剧烈的动静耦合作用;尽管整体流道的几何形状复杂,叶片通过频率仍支配着该两级泵内全流道的特征压力脉动,而导叶叶片数对压力脉动特征的影响较弱;叶轮内与叶频对应的压力脉动幅值自叶轮进口到叶轮出口逐渐增大,且在叶轮出口处达到极大值,导叶中的相应变化规律则与之相反;偏离最优流量工况,叶频仍占据统治地位,但整个流道内的压力脉动幅值增大,该趋势在小流量工况下尤为明显.

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泵理论与技术

一种湍流计算的非线性PANS模型

刘锦涛, 左志钢, 刘树红, 吴玉林, 王乐勤

2015, 33(7): 572-576. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.1014

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大多数雷诺平均湍流模型(RANS)基于线性和各项同性假设求解雷诺应力(Reynolds stress),因此对高压力梯度区、大曲率回流以及复杂的分离流动的预测误差较大.在近壁区较少网格的条件下,部分时均(PANS)方法被认为比大涡模拟(LES)获得结果更好.通过RNG k-ε湍流模型构造部分时均化模型,引入雷诺应力的非线性求解方法,提出了一种新的非线性PANS模型,并应用该非线性PANS模型分别对绕NACA0015水翼翼型流场和90°长方形截面弯管内流场进行了流动的数值模拟.结果表明:非线性PANS模型的数值结果与试验数据吻合较好,其在高压力梯度区的预测准确性高,并能准确预测流动分离诱发的三维非线性流动,证明了该方法捕捉高压力梯度、大曲率流动的有效性.该计算方法可以用来预测透平机械内部复杂的涡结构.

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泵理论与技术

双吸泵正反转内部流场数值模拟及性能预测

王春林, 曾成, 杨晓勇, 彭海菠, 刘栋

2015, 33(7): 577-582. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0070

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为了研究双吸离心泵在正转和反转时不同的流动特性,基于CFX软件采用标准k-ε模型对双吸离心泵内部流场进行了数值模拟和性能预测.计算了双吸泵在正转和反转时各自最佳工况点的水力性能,并对比了双吸泵最佳工况点在正转和反转时流场特性的差异.最后将性能预测的计算值与试验值进行对比分析,表明该计算方法能够较准确地预测泵的性能.在双吸泵反转用作液力透平时,发现泵在反转工况下的高效区向大流量偏移,效率在大小流量区的变化差别很大,流量太小将使得泵的转矩方向发生改变,导致流体不再对叶轮做功,并且泵反转的最大损失发生在蜗壳到叶轮的过渡区,即叶片的出口处.通过内部流场的分析,得到了详细的压力和速度矢量分布规律,对进一步研究泵反转作液力透平进行水力设计提供了一定依据.

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泵理论与技术

旋涡自吸泵内部流场压力脉动数值模拟

王洋, 彭帅, 刘瑞华, 刘洋

2015, 33(7): 583-588. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0091

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为研究不同工况下旋涡自吸泵内部瞬态流动特性,利用ANSYS CFX软件并选取雷诺时均N-S方程和RNG k-ε双方程湍流模型,对包括叶轮、泵体和支架在内的旋涡自吸泵整机内部流场进行了瞬态数值模拟.将定常数值模拟结果与外特性试验进行对比验证,并将其作为瞬态非定常计算的初始值,提取了泵内部流动情况和监测点的压力脉动特性.计算结果表明:与叶轮接触的环形流道内主频为单边叶频,径向方向叶频也存在较明显的峰值;靠近壁面的环形流道内,能量集中在单边叶片通过频率及其倍频处;在隔板间隙处能量值更大,除低频段有明显的波动外,峰值集中在单边叶频及其倍频段,在间隙处的径向上从边缘至中间部位,单边叶频与叶频的能量值呈此消彼长趋势,中间部位叶频为主频;叶轮上的压力脉动转频为主频,峰值分布在转频及其倍频,随倍数的增加能量值依次降低.

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水利水电工程

水轮机真机转轮动应力试验分析

陈学力, 何永明, 王军, 汪泉

2015, 33(7): 589-593. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.1023

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在一台容量为600 MW的大型水轮发电机组上开展运行稳定性及转轮叶片动应力试验研究.通过固定在发电机大轴顶端的无线动应力测试仪,实时采集机组运行过程中叶片上30个不同位置的应变数据,离线分析在导叶不同开度工况下的水轮机转轮动应力变化规律和频率特征;在动应力试验进行的同时,采用另一套基于NI硬件平台的测试仪对机组的运行稳定性指标进行实时分析,将稳定性试验结果与动应力测量结果进行比较并做相关分析,发现机组在导叶小开度工况约30%设计流量时,叶片动应力达到比涡带区更高的峰值,此时蜗壳压力钢管部位以及尾水部位的压力脉动波形在频域上与动应力的频谱有一定的相似性,在动应力和压力脉动的频谱上都可以看到较为明显的导叶通过频率和谐波以及分布在20~50 Hz区间的丰富频率成分.

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水利水电工程

多源环状注水系统泵站运行方案与管网同步优化

杨建军, 高淑, 李庆堂

2015, 33(7): 594-598. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0074

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为了最大程度地提高注水系统运行效率,对泵站运行方案与管网同时进行优化.针对多源环状注水系统,以泵的开停状态、流量和管线的连接状态、管径为优化设计变量,以运行能耗和管网投资费用最小为优化目标,考虑流量、压力、环状管网等各类约束条件,建立了多源环状注水系统运行方案与管网同步优化数学模型.针对该同步优化问题的特点,设计了双重广义染色体编码遗传算法对模型求解.泵的编码中,第1行采用二进制编码表示泵的开停状态,第2行采用实数编码表示泵的流量;管线的编码中,第1行采用二进制编码表示管线的连接状态,第2行采用整数编码表示管线的管径.实现了对各优化变量的精确表达,设计了与问题相适应的初始解产生及编码交叉、变异方法,避免或减少了不可行解的产生.并对实例进行优化设计,同步优化与仅进行管网优化对比,运行能耗降低了4.66%,管网投资费用降低了1.73%,表明同步优化的节能效果明显.

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流体工程

空气阀型式对压力管道水锤防护的影响

李小周, 朱满林, 陶灿

2015, 33(7): 599-605. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0055

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针对目前空气阀在工程应用中的盲目性和随意性,对各种型式空气阀在有压管道中水锤防护进行数值模拟,为空气阀在实际工程应用中的选型提供理论依据.根据水锤理论,建立有压管道水力过渡过程数学模型.结合算例利用特征线法对各种空气阀在有压管道中的水锤防护效果进行数值计算.结果表明:管道凸起点安装传统空气阀可以减小负压,但是同时会引起较大正压;安装孔口面积比ε=0.05~0.20的空气阀组可以有效减小负压并降低正压,上浮压力系数ω接近1.0的防水锤型空气阀也可以起到减小负压,降低正压的作用.选择合理型式空气阀,并对空气阀的参数进行优化,可以显著降低管道内负压,并能防止水柱分离再弥合水锤现象发生.

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流体工程

汽车冷却水泵高速运行时密封件损伤数值模拟与优化

张俊杰, 施卫东, 张德胜, 张琳

2015, 33(7): 606-610. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0203

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以某种型号的汽车冷却水泵为研究对象,观察耐久性试验时汽车水泵的失效现象,发现轴封处密封件因为水封出现干烧现象而损伤.为研究该汽车水泵失效原因,以时均N-S方程作为控制方程,采用SST k-ω双方程湍流模型及均相流空化模型对汽车水泵内空化两相流进行数值模拟.模拟计算结果表明,在高温、高速工况下,叶轮后盖板与机械密封之间出现了压力缺失,产生气体,导致橡胶件处水封流动不充分,发生空化现象.文中通过增加泵壳扰流筋及挡水环,改变叶轮平衡孔位置及平衡孔大小,并将数值模拟和试验研究结果进行对比验证.优化结果表明:改变叶轮和泵壳模型,使得叶轮和密封件之间液体流动更加充分,改善了密封件处的空化性能,消除失效现象.研究成果对工程实际具有一定的指导意义.

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农业水土工程

调亏灌溉对大棚滴灌甜瓜生长发育的影响

原保忠, 张卿亚, 别之龙

2015, 33(7): 611-617. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0193

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在大棚滴灌条件下对厚皮甜瓜伊丽莎白不同生育期进行不同程度的亏缺灌溉,研究调亏灌溉对其植株生长、产量、品质及水分利用效率的影响.以土壤相对含水量为标准,在营养生长期和生殖生长期分别设置不同的土壤水分灌溉下限处理,分别是T1(75%~75%),T2(75%~55%),T3(65%~65%),T4(55%~75%),T5(55%~55%)5个试验处理.结果表明:在营养生长期,随着水分亏缺程度的加大,株高、茎粗、叶面积均呈减小趋势.在果实发育阶段,营养生长期及生殖生长期的水分亏缺对果实的生长、产量都有影响,均随亏缺程度的加大而降低,产量以处理T1和T2的最高,T5的最低,T3的大于T4的,各处理间差异具有统计学意义.水分利用效率为处理T2的最高,T1和T4的较低,T2与T4相比,在灌水基本相同的条件下,产量增加了26.2%,水分利用效率提高了27.7%.品质方面,水分亏缺提高了TSS含量;在营养生长期充分灌溉、生殖生长期亏水灌溉可以提高可溶性蛋白、游离氨基酸、维生素C的含量;而营养生长期亏水灌溉、生殖生长期充分灌溉有利于可滴定酸的合成.经综合分析,认为处理T2的灌溉下限设置可以作为武汉地区大棚滴灌条件下的甜瓜灌溉制度.

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农业水土工程

涝渍胁迫对南方地区冬小麦氮素变化的影响

肖梦华, 金秋, 褚琳琳

2015, 33(7): 618-625. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0144

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水位调控是实现稻田灌排联合调控的关键技术,在改善麦田生态环境方面发挥重要作用.在水位调控技术的基础上,采用田间试验和室内分析方法,研究了麦田水位调控下,冬小麦不同生育期、不同农田水层深度、地下水埋深下的氮素变化规律.研究结果表明:小麦受淹有利于地下水NH⁺₄-N质量浓度的降低,受淹处理的地下水NH⁺₄-N质量浓度均小于相同排水强度的没有受淹处理的.随着淹水时间的延长,NH⁺₄-N的质量浓度降低速度缓慢.在没有淹水的情况下,地下水控制时间越长,则排水速度越慢,地下水有足够的时间与土壤及作物根系接触,因而越有利于降低地下水NH⁺₄-N的质量浓度.麦田地下水NO^-₃-N质量浓度的变化规律表现为淹水有利于降低NO^-₃-N质量浓度;非淹水处理时,在返青分蘖期和拔节孕穗期控水后NO^-₃-N质量浓度略微升高,而在抽穗开花期和乳熟期NO^-₃-N质量浓度则显著升高.冬小麦全生育期内,NO^-₃-N均存在淋失的危险性.

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农业水土工程

省域尺度土壤水气热参数空间变异特征及主控因子分析

王卫华, 李建波, 王铄, 王全九^,

2015, 33(7): 626-633. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0062

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为了研究土壤物理基本参数、水气热参数在省域尺度上的空间分布特征,以实地调研测量的数据为基础,结合GIS技术与统计学原理对陕西省13处采样点的土壤物理基本参数进行空间变异特征分析.运用方差分析和回归分析将土壤质地、土壤类型和土地利用方式对土壤水气热参数的影响作出评价.结果表明:反距离加权插值法(IDW)构建的空间变异分布图显示陕西省自北向南土壤中砂粒含量逐渐减少,黏粒含量逐渐升高;土壤饱和导水率、导气率和热导率随砂粒含量的减少而减小;土壤质地、土壤类型和土地利用方式均与土壤水气热参数空间分布有着较强的关联性;土壤类型对土壤水气热参数空间分异的解释能力大于土地利用方式且小于土壤质地;建议在省域尺度上对土壤水气热参数进行空间分布预测时,应将土壤质地、土壤类型和土地利用方式3因子结合分析,从而提高对土壤水气热参数空间分异的预测准确性.

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排灌装备制造技术

滴灌灌水器三角形迷宫流道优化设计

郭霖, 白丹, 程鹏, 周文

2015, 33(7): 634-639. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0164

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为了研究三角形迷宫流道滴灌灌水器的水力特性,将其结构作为研究单元,以流道转角、流道宽度和齿高3个结构参数为因素,采用均匀设计方法设计出10个结构参数组合方案.对于每个参数方案,通过AutoCAD对灌水器流道进行三维造型设计,采用计算流体动力学软件Fluent 6.2对流道内部流体的流动状态进行数值模拟,并且模拟分析灌水器内部流道的水力性能和流场特性,得到流道内部流场可视化图像,同时计算不同压力对应的流量值,通过回归分析建立压力与流量之间的量化关系和回归曲线图,并获得其流态指数.在此基础上,根据10个组合方案数据,通过多元回归计算,建立流态指数与结构参数之间的数学关系.以流态指数最小为目标,采用遗传算法,获得结构参数优化设计方案,得到一种流道内速度均匀分布、压力变化均匀递减、流量大小控制在滴灌允许范围之内、水力性能优良的三角形迷宫流道灌水器,可为三角形迷宫流道灌水器的参数化结构设计、制造中的精度控制以及最终的研发提供理论依据.

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排灌装备制造技术

浙江省推广喷滴灌技术措施

沈海标, 奕永庆

2015, 33(7): 640-644. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0043

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浙江省推广喷滴灌技术,采用了以下3种做法:一是技术创新,采用单元小型化、管径精准化、肥药简约化等多项措施,降低了喷滴灌工程造价;二是应用创新,把喷滴灌应用于竹笋、杨梅、水稻(育秧)等30多种作物,并应用于灌水,施肥、施药、除霜、除雪,淋洗沙尘等多种用途, 还用于猪兔羊、鸡鸭鹅、石蛙蚯蚓等养殖场降温、消毒,提高了综合效益;三是政府主导,通过制订规划、增加投资、技术培训,加快了喷滴灌技术推广.

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