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• 2016年, 34卷, 第3期
  刊出日期：2016-03-25

    

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  余热排出泵叶轮内空化流动特性的数值分析

  洪锋^,, 袁建平, 周帮伦

  2016, 34(3): 185-190. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0114

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  为研究余热排出泵叶轮内空化流动特性,基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型和剪切应力运输SST k-ω湍流模型,对余热排出泵水力样机叶轮内空化流动进行数值计算.根据计算结果获得了余热排出泵水力样机空化性能、设计流量工况不同装置空化余量条件下叶轮内空泡分布规律及其叶片表面载荷分布.研究结果表明:设计流量工况下,叶轮内空泡随着装置空化余量的降低逐渐呈不对称性分布,当装置空化余量低至2.63 m时,个别流道发生了堵塞.叶轮不同切面上的空泡分布不一样,切面越靠近后盖板,叶片吸力面上空化区面积越大,扬程发生突降之前,泵叶轮内空化表现为准静态空穴的特征.由于主流方向在叶轮进口处发生了急剧变化,使得叶片压力面靠近叶片进口边处上叶片载荷出现了先突然增大然后又迅速降低的变化规律.
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  基于正交试验及CFD的多级离心泵叶轮优化设计

  王伟, 施卫东, 蒋小平, 冯琦, 陆伟刚, 张德胜^,

  2016, 34(3): 191-197. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0035

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  以某一典型悬臂式多级离心泵为研究对象,在原模型的基础上,对叶轮进行优化设计以提高水泵的水力性能.选择叶片出口宽度、叶轮出口直径、叶片数、叶片出口角等4个参数为因素,每个因素取3个水平,基于正交试验和数值计算对叶轮进行优化,应用计算流体动力学软件CFX 14.5对多级离心泵内三维定常流动进行数值计算.结果表明:不同工况下,多级离心泵原模型的外特性试验与数值计算结果相吻合,证明了数值预测水泵性能的正确性和可靠性.按照L₉(3⁴)正交表,计算9组叶轮设计方案的额定工况时的扬程和效率,利用极差分析研究几何参数对水泵性能的影响,最终得到优化模型.通过优化模型与原模型的数值计算结果对比,证明其扬程、效率性能得到提高,并从内部流动分析提高的原因,即泵体内部无旋涡和回流,静压梯度大,流动损失小,使得泵水力性能得到提升.
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  离心泵流动空化噪声测试

  卿彪^,, 余波, 兰崴, 胡锦蘅

  2016, 34(3): 198-203. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0091

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  选择3个流量工况(80, 92,100 m³/h)对离心泵进行空化试验,利用TST6200动态采集系统、NoiseA 2.10噪声测试软件和灵敏度为-210 dB的水听器构成的噪声测试系统采集空化噪声信号,并利用照相机同时拍摄3个流量工况下水流中空泡的变化过程.采用功率谱法对空化噪声信号进行频域分析和处理,将整个频域分为高中低3个频段,统计各频段信号的平均功率,得到信号功率随汽蚀余量之间的关系曲线.研究结果表明:离心泵流动空化信号的特征主要集中在低频段,而在中高频段没有明显特征;利用功率谱法对空化噪声信号进行分析和处理,得到的结果能够很好地反映离心泵流动空化的发展过程;选择了2个功率带分别作为判断离心泵空化初生和临界空化时的阈值,利用该阈值可以对离心泵空化进行实时监测.
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  导叶周向安装位置对离心泵叶轮径向力的影响

  郭豹, 刘厚林, 谈明高, 丁荣, 王凯

  2016, 34(3): 204-209. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0079

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  为研究导叶和环形蜗室周向相对位置对离心泵叶轮径向力的影响,以一配有导叶和环形蜗室的离心泵为研究对象,设计相对位置角α分别为0°,10°,20°和30°的4套计算方案.采用ANSYS CFX对泵内全流场进行非定常的数值模拟,并通过试验对数值计算结果进行验证.基于数值计算结果,分析了导叶和环形蜗室不同相对位置下泵能量性能和叶轮径向力的变化规律.结果表明:α的变化对泵能量性能有明显的影响,不同的α下,扬程的最大变化为1.95%,效率的最大变化为1.39%,且α=20°时,其能量特性最优;随着α的增大,径向力脉动的幅值先减小后增大,α=20°,其脉动幅值最小,为最大脉动幅值的80%;随着α的增大,径向力脉动的主频先增加后减小,主频和次频对应的脉动幅值则先减小后增加,α=20°时,主频和次频处的脉动幅值最小;α的改变会对径向力矢量的分布产生影响,当α=0°和30°时,其分布具有较强的规律性,且α=0°时,其分布更有利于离心泵的长期运行.
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  开缝叶片低比转数离心泵空化性能的数值模拟

  王洋, 谢山峰, 王维军

  2016, 34(3): 210-215. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0009

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  为了进一步提高低比转数离心泵的空化性能,对离心泵叶轮叶片进口附近的开缝进行研究.考虑开缝的3个参数,设计6组水力模型探究开缝对低比转数离心泵性能的影响.针对离心泵运行过程中产生空化的流动特点,基于Rayleigh-Plesset方程来描述空泡成长和溃灭过程的空泡动力学模型,采用RNG k-ε模型对在相同工况下的离心泵中两相流动进行数值模拟与分析.模拟结果表明:在叶片进口处开缝可以提高泵空化性能,其中第二组模型的空化性能提升比较明显,空化余量由4.447 m下降到3.910 m,降低了12.1%,水力效率由71.56%上升至76.46%;在相同工况下,开缝叶轮流道内的能量分布更加均匀,而扬程在额定流量下只有很小的变化.该模拟结果对研究低比转数离心泵内部流动特性及性能的提升具有一定的参考价值.
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  沙特某海水泵站水泵选型

  刘超, 谢伟东, 李彬, 汤红岩

  2016, 34(3): 216-219. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0106

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  沙特某大型海水泵站的设计、采购遵循API相关标准,项目的海水泵执行标准API 610.业主招标文件前端设计中规定海水泵按额定流量为55 000 m³/h对应扬程为16.1 m进行选型,但通过分析,得知招标文件中规定的主机容量不足;同时,投标阶段海水泵报价偏低,中标后承包商存在商务风险.为了解决技术商务风险,详细的设计通过对泵站前后水位变化情况进行分析,并优化设计,海水泵按正常流量为50 000 m³/h对应扬程为16.1 m进行选型.优化后,导叶体式混流泵运行流量范围为50 000~59 100 m³/h,效率为85%~87%,效率曲线平缓,运行范围位于高效区.优化后主机容量满足项目要求.海水泵由抽出式结构优化为非抽出整体式结构.
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  水下自激脉冲射流装置流场的数值模拟及试验研究

  高传昌, 解克宇, 刘新阳, 胡亚州, 马文良

  2016, 34(3): 220-226. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0177

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  利用自行研制的淹没射流试验平台进行水下自激脉冲射流试验,得到水下自激脉冲射流驻点压力的径向和轴向分布,通过建立相应的物理模型和数学模型,对水下自激脉冲射流内外流场进行了数值模拟,得到装置内、外流场的压力和速度分布,并对计算结果进行试验验证.结果表明:自激脉冲射流在非淹没条件下,有明显的低频脉冲发生,而在淹没条件下,部分射流能量消耗在淹没水流中,以致在腔室内难以形成空化,没有产生明显的脉冲,且驻点压力大幅度减小;不同水深的径向压力分布曲线基本是相同的,近似服从高斯正态分布;轴向驻点压力均随靶距的增大而减小,其衰减特性与连续射流及非淹没情况相似,只是其在有围压情况下衰减速度更快;水下自激脉冲射流装置的内部流场存在轴心主射流低压区、两个对称的负压区、碰撞高压区,并在靠近碰撞体的腔体处产生漩涡,其外流场和冲击射流流场相似,但不存在射流核心区.
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  推流器布置对氧化沟流场特性的影响

  陈斌, 王炳祺, 张华, 王强, 王震

  2016, 34(3): 227-231. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0257

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  针对环形跑道式氧化沟污泥沉积现象,在池形结构不变的前提下,改变推流器的布置位置,以STARCCM+软件为仿真平台,采用多面体网格划分方式,调用标准k-ε湍流模型,对4台推流器同时开启状态下进行全流场模拟.分析流道各断面的速度分布、整体流场的流速分布以及流场死区率(速度低于某一值所占区域的比例),寻找适合于该池型结构的推流器最优布置方式.结果表明:推流器的安装位置对流速的分布至关重要,其与中间导流墙的间距偏大或偏小都会导致流场速度分布不均匀,死区率较高,而当其间距为环形导流墙半径与偏置距离之和的0.85倍时,整体的流速分布最为均匀,主要断面的平均流速较高,且均在0.35 m/s以上,死区率最低;在环形导流墙背后以及中间导流墙的两端不可避免地会出现脱流区域,但可以通过改变推流器位置进行改善;在氧化沟的弯道处受推流以及壁面阻碍作用有明显的涡旋现象.
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  基于响应面法的上游泵送机械密封优化

  陈汇龙, 刘金凤, 任坤腾, 李同, 付杰, 邹强, 殷云潇

  2016, 34(3): 232-237. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0252

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  为了找出更有效的优化方法,在考虑空化模型的基础上,以螺旋槽的几何参数(槽深h、螺旋角α、槽径宽径比β以及槽区宽度比γ)为设计变量,以泄漏量为优化目标,采用均匀试验设计法设计了50组机械密封端面槽型几何参数值,并利用CFD方法计算目标函数值,从而建立端面槽型几何参数和泄漏量的回归模型.运用Matlab软件绘制等值云图,利用响应面法分析端面槽型几何参数槽深、螺旋角、槽径宽径比以及槽区宽度比之间的交互作用对泄漏量的影响,并对机械密封微间隙内流场进行数值模拟验证,从而得到端面参数的最佳组合.研究表明:采用响应面法对上游泵送机械密封进行优化可行;螺旋槽的槽深h、螺旋角α、槽径宽径比β、槽区宽度比γ分别在6~12 μm,16°~20°,0.35~0.55和0.45~0.6取值时,能够获得更好的密封性能.
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  沿江圩区局部洼地排涝模数关联因子分析及应用

  段圣泼, 吴玉柏^,, 金秋, 邵孝侯

  2016, 34(3): 238-243. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0186

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  沿江圩区局部洼地涝灾频发,是目前圩区涝灾治理的重点.针对局部洼地排涝特点,以扬州江都沿江开发区为例,通过排涝水文分析计算得到排涝模数与排涝面积、水面率、调蓄水深、暴雨重现期4种关联因子之间的关系,选取典型区对局部洼地涝灾进行成因分析,并在此基础上提出圩区内局部洼地涝灾的防治措施.结果表明:排涝面积与排涝模数的偏相关系数为-0.905,相关性最大;局部洼地排涝面积小,洪水汇流速度快,洪峰径流模数和排涝模数较大;局部洼地区缺乏小型河网、河流间距过大、水系布置不合理和采用排涝模数较低,是涝灾频发的主要原因.以关联因子分析和成因分析为基础,提出了通过缩小河流间距、增加水面率、充分发挥河道的调蓄作用等措施以防治涝灾的产生,并且提出了符合圩区局部洼地水情特征的一种排水管网与河道布置模式.
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  旱渍胁迫及环境因子对避雨番茄茎流变化的影响

  邓升, 余雷, 邵光成, 孔琼菊, 卢江海

  2016, 34(3): 244-250. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0184

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  根据避雨番茄筒栽试验结果,分析了不同旱渍胁迫组合及不同天气条件下的茎流速率日变化,采用通径分析和灰色关联分析的方法,计算了以太阳辐射、气温、相对湿度和土壤含水率4种环境影响指标为自变量对番茄茎流速率的相关系数、决定系数及灰色关联度.结果表明:不同天气下番茄茎流速率日变化规律差异显著,晴天下呈现峰值在正午的单峰型曲线,多云下呈现在10:00和14:00左右达到峰值的双峰型曲线,阴雨下茎流速率较小且波动不大;相同环境下不同旱渍组合的茎流速率日变化曲线可以反映水分的亏缺和渍害程度,轻度亏缺能够抵抗渍水的迫害,增大茎流速率,但是亏缺程度超过一定范围会显著降低茎流速率;通径分析与灰色关联分析的结果基本一致,影响茎流速率最大的是太阳辐射,决定系数达到0.91.
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  土壤水分再分布特性研究进展

  金世杰, 费良军, 傅渝亮

  2016, 34(3): 251-259. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0145

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  在干旱半干旱地区,土壤水分的再分布对生态环境、农业发展有着重要的影响,是自然界中水循环的重要过程之一,是土壤墒情的自我调节过程,是土壤水在势力梯度作用下的非饱和运动.在国内外学者多年研究工作的基础上,分别从物理角度和生物角度对土壤水分再分布的基本理论和模型进行了归纳总结.从物理角度分别以耕作措施、雨强、灌水方式、土壤初始含水率等因素对土壤水分再分布过程的影响进行了研究,并归纳了基于土壤水分特征曲线及其滞后作用、土壤水分运动通量法、土壤水分运动基本方程等的数学模型.从生物角度对土壤水分再分布的生态功能及影响因素进行了总结:研究发现土壤水分的再分布作用可以有效地调节根系层土壤水分状况、丰富群落结构,提升土壤养分、增加根层土壤微生物;植物根系在对根层水分进行调节的过程中又会因土壤水分、植物种类和土壤特性的不同而发生变化.通过对前人研究成果的总结,理清研究现状,以期为理论的进一步研究提出建设性意见.
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  新疆头屯河流域饱和砂砾土动三轴试验研究

  张凌凯

  2016, 34(3): 260-264. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0131

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  通过室内动三轴试验,研究了饱和砂砾土在动荷载作用下的动力特性规律,主要分析了振动频率、固结压力和固结应力比对动本构关系和动弹性模量的影响规律.试验结果表明:饱和砂砾土的动本构关系可采用双曲线表示,随着固结压力、固结应力比增大,动本构关系曲线逐步偏向应力轴方向,而振动频率对砂砾土的动本构关系曲线影响较小;动弹性模量E_d随着动应变ε_d增大而减小,最后趋于平缓,不同的振动频率对饱和砂砾土的E_d-ε_d关系曲线影响较小,试验数值基本上都落在同一区域内,固结压力与固结应力比对E_d-ε_d关系曲线的影响较大;不同的振动频率与固结压力作用下的E_d/E_{d max}-ε_d关系曲线具有相对良好的归一性,而在不同的固结应力比作用下的试验点归一性较差.
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  基于AVR单片机的全自动光伏水泵系统

  施爱平, 许冠杰, 施健

  2016, 34(3): 265-269. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0243

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  为探究一种新型的自适应最大功率跟踪算法,提出了基于AVR单片机的光伏水泵系统控制结构.将遗传算法与占空比扰动观察法(P&O)相结合,根据遗传算法的原理计算推导出DC-AC变换器的占空比,可以实现快速搜索到光伏水泵系统的最大功率跟踪点,以克服外界环境的剧烈变化对控制器造成的干扰.通过Simulink环境下的仿真试验,验证了基于遗传算法实现的MPPT方法具有良好的自适应性以及稳定性.在光伏水泵系统的试验平台上进行相关的抽水试验,结果表明:建立于遗传算法进而实现MPPT算法而设计的系统,对于外界不断的气候变化,该光伏水泵系统都可以较好地应对,综合效率基本稳定在60%以上.所开发的系统可以实现对水泵负载的可靠控制,系统工作稳定,整体效率较高,为光伏水泵系统的优化控制提供了参考.
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  涌泉灌双向流流道稳流器工作机理与水力性能分析

  郭霖, 白丹, 王新端, 何靖

  2016, 34(3): 270-276. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.15.0211

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  为了研究双向流稳流器流道结构的水力特性,以其内部双向流形成装置和结构参数为研究对象,取流道结构参数八字形分水件张角α,V字形挡水件张角β、八字形分水件中部过水孔宽度d为因素安排试验方案,利用激光精雕技术制作稳流器样机进行水力试验,测得0.05~0.21 MPa等9个不同压力对应的流量值,应用多元回归拟合其流态指数在0.476~0.501,其水力性能良好;同时采用水力学计算方法,计算当稳流器工作水头分别在5~15 m时,流道总局部损失系数为18.3~19.8,大约是1组传统流道形式局部损失系数的4~10倍,从水力学计算的角度表明双向流流道消能效果的优越性;采用Minitab软件的Gauss-Newton算法进行多元回归,迭代次数设为200次,建立流态指数与结构参数之间的回归方程,通过显著性检验和相关系数检验结论一致,均显示回归效果具有统计学意义,且各因子的系数均有意义,为其流道参数化设计、结构优化以及在农业工程中的研发与应用提供了理论依据.