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• 2016年, 34卷, 第2期
  刊出日期：2016-02-25

    

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  Computational fluid dynamics of left ventricular assist device under unsteady flow

  BUMRUNGPETCH J., TAN A. C.

  2016, 34(2): 93-98. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0120

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  Left ventricular assist device (LVAD) in this study is a mechanical tool that is used to support blood flow in the patient with heart disease. It supports left ventricle by building up the pressure to the pump outlet connected to the aorta. This pump was designed based on the magnetic driven centrifugal pump with a unique small washout hole constructed inside the impeller to generate the washout flow passage to prevent the stagnation at the region underneath and around the rotor. Computational fluid dynamics (CFD) was adopted in this study to assess the performance and optimize the design to avoid recirculation and high shear stress which is the main cause of stagnation and blood damage. Transient simulation was used for this study due to the asymmetric design of the washout hole and the complication of the bottom support of the impeller that have a risk of thrombosis, also, it was used to predict the variation of hydraulic performance caused by the rotation of the impeller and pulsed flow at the pump inlet. The simulation results show no excessive stress and no recirculation observed within the computational domain; in addition, the research result also provided information for further optimization and development to the pump.
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  异常低水头对水泵水轮机压力脉动的影响

  李琪飞, 谭海燕, 李仁年, 蒋雷, 吕文娟

  2016, 34(2): 99-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.1008

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  为研究水泵水轮机在异常低水头时的压力脉动特性,采用Realizable k-ε湍流模型对水泵水轮机运行于低水头的4个工况点进行了非定常数值计算,得到了蜗壳进口、导叶后转轮前、尾水管的锥管上游和肘管内侧4个监测点的压力信号,并与试验结果进行对比.重点考察了导叶开度37 mm、单位流量0.865 m³/s工况点的压力脉动时域和频域特征.研究结果表明:在异常低水头下,Realizable k-ε湍流模型能够精确地模拟大开度时水泵水轮机的压力脉动;蜗壳入口的压力脉动比较紊乱,在机组刚开启阶段脉动值较大,蜗壳进口压力脉动主频为转频19.78 Hz,说明在此工况下水泵水轮机蜗壳进口的压力脉动受到下游转轮转动的影响;导叶与转轮之间无叶区的压力脉动受到转轮与活动导叶之间的动静干涉作用,呈周期性变化且其主频为叶片通过频率;由于尾水管内部流动及涡带的作用,尾水管内的压力脉动为低频脉动,其主频约为0.35倍转频.
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  蜗壳断面形状及叶轮位置对蜗壳式轴流泵性能的影响

  王党雄, 曹卫东, 张忆宁, 刘晓娟, 马金星

  2016, 34(2): 105-109. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0030

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  根据速度系数法设计了1种对称的“马蹄形”断面蜗壳和2种非对称的 “圆形”断面蜗壳与相同的轴流泵叶轮组合,并基于标准k-ε模型封闭的雷诺平均方程,应用 ANSYS CFX 14.5 软件,对设计的3个蜗壳式轴流泵内部的三维流动开展数值模拟.当采用“马蹄形”蜗壳时,设计流量点的扬程和效率最低,蜗壳内部压力分布不如非对称的圆形断面蜗壳均匀.选择水力效率相对较高的蜗壳,将4种轴向位置不同的叶轮与该蜗壳组合,并进行三维流动数值模拟,结果表明:叶轮出口与蜗壳进口中间平面距离40 mm时,轴流泵效率最高,叶轮出口与蜗壳进口中间平面距离80 mm时,轴流泵效率最低.此时,过流段和蜗壳内有明显回流和旋涡.轴流式叶轮与蜗壳的相对位置对蜗壳轴流泵的扬程-流量曲线和效率-流量曲线都有明显的影响.
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  混流式核主泵导叶-壳体匹配水力特性

  杨敏官, 王达, 高波, 陆胜

  2016, 34(2): 110-114. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0082

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  为了研究导叶与壳体之间沿轴向和周向的位置关系对匹配球型壳体的混流式核主泵水力性能的影响,获得最优水力特性下导叶与壳体之间的匹配位置,以比转数n_s为390的混流式核主泵水力模型为研究对象,基于雷诺时均方程和RNG k-ε湍流模型,对其内部流动进行三维全流道数值模拟.结果表明,随着两者之间匹配位置的变化,泵水力性能及内部流动情况也随之变化.在沿泵轴方向上,当导叶出口中心线与壳体出口段中心线相距1/4导叶出口宽度时,泵水力效率提高0.6%;在沿导叶出口圆周方向,导叶叶片出口边与壳体对称轴面重合时,泵水力性能及内部流动情况最优,泵水力效率提高近0.8%.研究结果为混流式核主泵的水力设计及优化和泵内部流动的主动控制提供有益参考.
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  非均匀进流下喷水推进泵进流速度场的数值分析

  金实斌, 曹璞钰, 王洋

  2016, 34(2): 115-121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0176

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  为具体描述喷水推进泵非均匀进流的结构特点,并深入探究非均匀流对喷水推进泵性能的影响,运用CFD-Post软件提取进水流道的出流速度场,将其Profile Data文件定义为喷水推进泵的附加进流条件,数值计算非均匀进流下泵的水动力性能,并与均匀进流下的仿真结果进行比较,获得了喷水推进泵扬程和效率的降幅曲线,其下降幅值随进流场不均匀度的增大而上升.围绕喷水推进泵叶轮进口边的周向平均速度分量,具体分析泵在非均匀进流场中性能下降的原因.结果表明,喷水推进泵的传统设计方法无法满足实际工作要求,相关假设在非均匀进流中也不再适用.其中,非均匀进流场中进口预旋不可忽略;叶轮进口轴面速度和环量不再遵循线性分布规律;圆柱面无关假设也不再成立.非均匀进流对叶轮的干扰集中于叶片进口轮缘处,二次回流的出现堵塞了流道,降低了泵的过流能力,同时诱发叶片轮缘处的载荷突变,降低了泵的做功能力.
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  水机电共同作用的离心泵内部非定常流动分析

  孙慧, 袁寿其, 骆寅, 郭义航

  2016, 34(2): 122-127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0297

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  为得到准确的离心泵非定常负载转矩,以型号为IS65-50-160-00的离心泵和Y160M-2 B3的三相异步电动机为研究对象,首先采用Fluent和Matlab对模型离心泵和电动机进行联合仿真.基于TCP/IP通信协议设计了C++源程序作为软件通信的接口程序,建立了双向同步耦合仿真平台,实现了离心泵内部流动非定常求解过程中的转速和转矩数据传输.研究结果表明:定转速计算时,在设计工况下,扬程计算相对误差为8.66%,效率计算相对误差为5.24%;变转速计算时,在设计工况下,扬程计算相对误差为2.45%,效率计算相对误差为2.47%;采用联合仿真方法进行数值模拟,考虑了电动机对泵运行的影响以及转速变化的实际情况,比传统方法更加准确地预测出离心泵的外特性,数值计算结果可靠.Fluent/Matlab联合仿真技术为今后深入研究离心泵内部流动非定常特性提供新方法.
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  水轮机泥沙磨损两相湍流场数值模拟

  黄剑峰, 张立翔, 姚激, 龙立焱

  2016, 34(2): 128-133. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0078

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  为研究水轮机内部泥沙磨损的固液两相流动特性,应用基于计算多相流动力学理论中欧拉-欧拉方法的代数滑移混合多相流模型,采用多面体网格技术、标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的SIMPLEC算法,转动区域应用多重参考系模型,对混流式水轮机全流道进行了三维定常泥沙磨损两相湍流场的数值模拟.利用商业CFD求解器ANSYS Fluent,获得了小开度工况下水轮机泥沙磨损发生的部位与程度,分析水轮机流道内泥沙磨损的特征规律,其中叶片上泥沙颗粒分布模拟结果与真机转轮实际磨损情况相符,表明该方法可以准确预测水轮机各过流部件的泥沙磨损情况,对揭示泥沙颗粒与水相互作用的固液两相湍流场诱发水轮机振动的影响机理及解决工程实际问题具有重要的意义,而且具有较高的工程应用价值.
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  投影寻踪法在泵站建筑物安全评价中的应用

  曹睿哲^,, 田浪^,, 郭蓉^,, 肖俊龙^,

  2016, 34(2): 134-138. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0108

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  为了评价在役泵站工程建筑物安全状况,建立了泵站工程建筑物安全评价指标体系.对安全评价指标重要性进行分析,着重分析了泵站工程建筑物安全评价客观赋权方法之一的投影寻踪方法.根据泵站工程建筑物安全评价指标的实测值求计算数据,通过投影寻踪法模型计算并联系基于遗传算法的投影寻踪计算原理分析计算结果.利用江苏省某泵站作为实例,对影响泵站建筑物安全状态各指标层指标重要性进行分析,分别对混凝土结构安全状态和站身稳定安全状态2个指标层进行了研究.利用投影寻踪计算模型分析各指标层下各评价指标重要性,应用Matlab自带的遗传算法工具箱进行具体计算.计算结果表明,此泵站混凝土结构安全状态指标层中混凝土实测强度最为重要,而泵站站身稳定安全指标层中站身抗滑稳定这一指标权重最大.
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  卸荷引起堆积体边坡变形的空间变异性分析

  阮永芬, 刘克文, 高丙勋, 黄兴周

  2016, 34(2): 139-145. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0148

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  利用地质统计学原理和遗传算法,确定出卸荷条件下堆积体边坡变形的变异函数,对堆积体边坡进行卸荷条件下变形的时间变异性分析.采用角度误差限和距离误差限,对并不完全呈网格状的实际观测点布置进行网格化处理,求出各方向的变异函数,进行卸荷条件堆积体边坡变形的空间变异性分析,同时构造出方向综合变异指标,分析堆积体边坡卸荷条件下哪个方向的变异性最大,从而关注此方向的变形发展.利用熵权理论对普通克立格方程组的负权值进行修正,用修正后的权值对卸荷条件下堆积体边坡待估点的变形进行普通克立格估值.用所提理论对堆积体边坡卸荷时实际监测到的变形资料进行空间变异性分析,分析结果和实际监测情况较吻合,证明了分析理论的正确性和可行性,也为变形分析提供了一种新的分析方法和思路.
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  基于猫群算法的渠道断面优化及设计参数分析

  尚关蕾, 刘东^,,,, 胡宇祥

  2016, 34(2): 146-150. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0164

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  为替代工程设计优化问题求解过程中运用的低效经验试算法,提出猫群算法以解决渠道断面优化设计问题.采用猫群算法在全局空间下搜索边坡系数的变化对渠道断面优化的影响,并且取得了良好的效果,在满足其他的约束条件下,选择适合的边坡系数1.5能够减少占地面积,节约投资.以黑龙江省江川灌区为例,对灌溉渠道断面进行优化并且对断面设计参数进行分析,算例表明,猫群算法高效迅速,精度高,能有效地解决渠道断面设计中的优化问题,具有相当高的应用价值.优化结果显示,模型计算所得渠道过水断面面积减小4.2%,工程占地随之减小.各个参数中,边坡系数取1.5、渠道底宽取2.000 0 m、水深取1.500 0 m时总体目标最佳,并且分析这3个参数对目标函数的影响规律,最佳目标随着边坡系数和水深的增大呈现出先增大后减小的趋势,随着渠道底宽的增大呈现逐渐增大的趋势.
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  Effect of water and fertilizer coupling optimization test on water use efficiency of rice in black soil regions

  LIN Yanyu, ZHANG Zhongxue, XU Dan, NIE Tangzhe

  2016, 34(2): 151-156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.14.0190

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  How to improve the water use efficiency of rice in black soil regions was studied. The black soil region in paddy fields was chosen as the research object. The research showed the fertilizer coupling mathematical model with N,P,K, irrigation water (W) and water use efficiency(WUE), which was set up under the condition of controlled irrigation with quadratic D-416 optimized saturation design. The results showed that the decending order of single factor′s influence on the WUE was N，K，P，W. All the interactions between N＆P, N＆K, N＆W, K＆P, P＆W and K＆W on the WUE were raised initially, and when they reached a certain value, it began to decline. The decending order of each interaction on the WUE was K＆P，K＆W，N＆K，N＆P，P＆W，N＆W. When the WUE was targeted within 18-25 kg／km3, an optimized proportion plan was obtained in the 95％ confidence interval, i.e. N 8776-10332 kg／hm2,K2O 5237-6653 kg／hm2 and P2O5 3680-4671 kg／hm2. Furthermore, the late tillering of the soil moisture content was 7007％-7257％ of the saturated moisture content.
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  土壤盐分对春小麦水盐动态及光合特性的影响

  裴磊^,, 王振华^,, 郑旭荣^,, 李文昊^,

  2016, 34(2): 157-164. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0041

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  为了解土壤含盐量对滴灌春小麦土壤水盐运动以及其光合生理指标的影响,并为滴灌春小麦在盐碱地种植提供理论依据和技术支撑,通过桶栽试验,研究了土壤含盐量分别为0.15%(CK),0.80%,1.10%,1.40%,1.70%,2.00%,2.30%,2.60%条件下,春小麦土壤水盐运动规律以及其光合特性变化状态.结果表明,在春小麦整个生育期内,土壤含水率总体变化呈现递减趋势;随着土层深度的增加,土壤水分和盐分质量分数均表现出增加的趋势,土壤含盐量越高其平均含水率越高;各处理0~40 cm土层盐分质量分数在小麦生育期末与播种时相比均有不同程度的下降,处于脱盐状态;土壤盐分初始质量分数为0.15%,0.80%以及1.10%的春小麦叶片水分利用效率最高,同时也具有较高的净光合速率.
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  秋耕覆盖对马铃薯生长及水分利用效率的影响

  侯贤清, 汤京, 余龙龙, 赵凤萍, 王全旺, 虎恩娟, 魏科润

  2016, 34(2): 165-172. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0118

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  在宁南旱区,采用免耕、深松、翻耕结合秸秆、地膜等覆盖耕作措施,以翻耕不覆盖为对照,研究覆盖耕作模式下休闲期土壤的蓄水保墒效果、马铃薯生育期土壤水分的变化特征及对作物生长、产量及水分利用效率的影响.结果表明:在休闲末期,不同覆盖耕作处理下0~200 cm土层土壤蓄水量均比休闲初期明显提高.与翻耕不覆盖处理相比,免耕覆盖地膜、深松覆盖地膜和翻耕覆盖地膜处理0~200 cm土层土壤蓄水量分别比对照处理提高7.6%,9.3%和8.0%.马铃薯生育前期,覆盖地膜结合不同耕作措施下0~200 cm土层土壤蓄水量最高,生育中后期覆盖秸秆结合不同耕作处理对0~200 cm土层土壤保水效果最佳.覆盖地膜结合不同耕作处理能促进马铃薯生育前期的生长,生育中后期以覆盖秸秆结合不同耕作处理促进作用最为显著.不同覆盖耕作处理均能提高马铃薯的产量和水分利用效率,增产效果以免耕覆盖秸秆、深松覆盖秸秆和翻耕覆盖秸秆处理最为显著,分别较对照组增产51.2%,42.8%和35.3%,水分利用效率分别比对照组提高50.0%,42.3%和32.3%.可见,覆盖秸秆结合不同耕作处理的增产效果和提高水分利用效率最高.
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  基于样本流量偏差率的微灌灌水均匀度评价方法

  鞠学良^,, 吴普特^,, 朱德兰, 张林^,

  2016, 34(2): 173-178. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0174

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  为了探索一种简便有效评价大田微灌系统灌水均匀度的新方法,定义了样本流量偏差率.基于灌水器流量服从正态分布的假设,建立了样本流量偏差率与现有灌水均匀度评价指标之间的关系,推导了抽样误差的计算公式,提出了合理的样本容量和样本分组数.建立了基于样本流量偏差率的灌水均匀度评价标准,最终提出了基于样本流量偏差率评价大田微灌灌水均匀度的新方法.案例应用表明:相比图解法,新方法根据数值计算结果评价灌水均匀度,可避免人为画线误差,提高评价结果的可靠度;相比传统数值法,新方法计算量少,可作为快速评价大田微灌系统灌水均匀度的有效方法.
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  轻小型喷灌机组的运行速率与压力水头损失

  曹华^,, 郭凤台, 范永申, 段福义, 韩启彪, 贾艳辉, 陈震

  2016, 34(2): 179-184. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0180

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  为研究轻小型喷灌机组低压喷灌条件下运行速率的合理取值以及工作压力与喷灌机组压力水头损失的关系,以轻小型喷灌机组为研究对象,经过室内喷灌试验,研究了一定工作压力和流量条件下机组的运行速率、灌水定额之间的关系,并对机组的局部水头损失和沿程水头损失进行了分析.结果表明:灌水定额与轻小型喷灌机组的运行速率、工作压力有一定的关系,通过确定灌水定额,能够调制出相应的运行速率.轻小型喷灌机组卷盘车处入口压力增大,喷水车单喷头处的压力也随之增大,但是入口压力增大到一定程度后,单喷头压力的提高幅度减小,因此在机组正常工作范围内,可以通过适当降低机组的入口压力,以减少机组的压力水头损失,节省能耗,降低机组的运行成本.轻小型喷灌机组在中国有广泛的发展前景,该项研究对于中国轻小型喷灌机组的性能改良具有重要意义,为轻小型喷灌机组的发展提供参考依据.