排灌机械工程学报

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泵理论与技术

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2020, 38(10): 1.

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泵理论与技术

2020, 38(10): 2.

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泵理论与技术

平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响

刘在伦,杨凯越*,芦维强,苏丹枫

2020, 38(10): 973-978. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.18.0167

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为研究平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响,在降速后的IS80-50-315型离心泵上,用平衡孔直径d分别为0,4,6,8,10 mm的同一个叶轮,对离心泵的扬程、效率和轴功率进行预测,研究泵在设计工况、不同平衡孔直径时叶轮进口处速度矢量和压力的分布情况,并监测叶轮进口处的压力脉动特性.结果表明:加大叶轮平衡孔直径,泵的扬程与效率下降、轴功率提高,且在小流量工况下泵扬程变化更为明显;随着平衡孔直径的增大,平衡孔内液体流速减小,对叶轮进口流体的冲击作用逐渐减弱,叶轮进口处压力变得均匀,在一定程度上改善了泵的抗汽蚀性能;随着平衡孔直径的增大,叶轮进口主流区的压力脉动幅值减小,在一定程度上稳定了压力脉动幅值的变化,改善了其不稳定特性;平衡孔直径增大时,叶轮进口区平均静压变化逐渐稳定.研究成果为离心泵叶轮平衡孔直径的选择提供了参考.

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泵理论与技术

动静转子间隙比对核主泵水力性能的影响

程效锐,魏彦强*,吴超,刘贺,王堃

2020, 38(10): 979-984. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530. 18.0081

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基于三维不可压缩流体的N-S方程和RNG k-ε湍流模型,运用试验和数值计算相结合的方法,对设计工况下不同动静转子间隙比Δδ的混流式核主泵水力模型的三维湍流流场进行数值计算,研究Δδ对模型泵水力性能及内部流场的影响.结果表明:在所取的间隙比范围内,设计流量工况下,随着Δδ的增大,泵的总扬程和效率先增大后减小;当Δδ=3.1时,泵的总扬程和效率都达到最大值;导叶和压水室内的水力损失受Δδ的影响较大,导叶内水力损失在Δδ=2.2时最大,压水室内水力损失在Δδ=5.8时最大,当Δδ在3.1~4.0时,在导叶和压水室内的水力损失均较小.叶轮出口和导叶进口的相对速度随Δδ的增大而相互趋近,从前盖板流线到后盖板流线相对速度基本呈单调递减,叶轮出口和导叶进口相对速度分布在Δδ=3.1时最合理.研究结果可用于分析混流式核主泵水力模型的内部流场特征,并为其高效水力模型的优化设计提供参考.

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泵理论与技术

弹性体转子泵压力特性数值分析与试验

连加俤,潘国军*,朱泽飞

2020, 38(10): 985-990. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0180

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针对弹性体转子型线存在密封性能差和转子尖部容易发生粒子卡滑的缺陷,提出一种新型宽头刮边转子,其型线由宽圆弧ab、刮边圆弧bc、长幅内摆线cd和圆弧de组成.基于CFX浸入式实体技术和RNG k-ε湍流模型,通过转子泵全流场瞬态计算,研究了包角θ=5°,8°,11°,15°,18°和半径r=30.9,37.1,44.5,53.4 mm结构参数下转子腔内脉动特性.结果表明:包角和半径是影响转子泵性能的关键参数,随着包角增大,瞬时质量脉动率减小,半径对出口瞬时质量脉动率、进出口转子腔压力脉动无影响.进口啮合处汽蚀和出口啮合处压力随包角增大而增大;半径增加,进口啮合处汽蚀减小,出口啮合处压力减小.对θ=18°,r=53.4 mm新型转子泵及传统转子泵进行性能对比试验,试验表明新型转子型线性能优于传统转子型线,新型转子泵理论流量较传统转子泵小3.35%,新型转子泵容积效率较传统转子泵大1%~5%;新型转子泵整机效率较传统转子泵高1.5%~4.9%.

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泵理论与技术

考虑介质黏性影响的多相混输泵叶片应力应变分析

史广泰*,姚显彤,王闪,李和林

2020, 38(10): 991-996. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0183

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针对多相混输泵叶片应力应变问题,以单级多相混输泵为研究对象,分别选取水、轻质油、中质油、重质油作为运输介质,基于ANSYS软件进行数值计算.流体域采用ICEMCFD和TurboGrid进行结构化网格划分.通过数值计算得到不同叶高处流场分布规律,同时对0.6Q~1.6Q、含气率10%条件下叶片表面的应力和应变分布规律进行分析.结果表明:最大应力主要集中在进口边靠近轮毂处,而最大变形主要集中在进口边靠近轮缘处,且随着介质黏度的增加,应力集中区域和最大变形区域向进口边偏移;在小流量下,随着介质黏度的增加,等效应力和变形量逐渐减小,而在大流量下,随着介质黏度的增加,等效应力和变形量反而增大.研究结果深刻揭示了多相混输泵叶片的应力应变分布规律,可以为多相混输泵的开发与结构优化提供参考.

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泵理论与技术

两种叶轮型式潜水排污泵的内流特征与通过能力

张丽丽,马金星,康灿,*,李明义

2020, 38(10): 997-1002. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0063

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为了比较具有不同叶轮型式的2台潜水排污泵的通过性能,采用计算流体动力学方法和SST湍流模型,分别选用清水和固液两相流体为液体介质,模拟双流道污水泵与双叶片污水泵在3种不同流量工况(0.8Q,1.0Q,1.2Q)下的流动特征.对比2台污水泵在输送清水与固液两相流体时的流动参数分布,并对输送这2种介质时的固体颗粒速度和固相颗粒体积分数分布进行分析.结果表明:与双叶片污水泵相比,双流道污水泵内的流动参数分布更加均匀.双流道污水泵叶轮进口存在1个大尺度旋涡,在一定程度上提高了双流道污水泵的通过能力.对比双流道污水泵与双叶片污水泵内固相颗粒分布规律,发现双流道污水泵内固体颗粒的速度更快,局部固体颗粒聚集程度较小,因而双流道污水泵的通过能力强于双叶片污水泵.

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泵理论与技术

基于CFD的双螺杆膨胀机瞬态特性

王鑫伟,蒋小平,*,王行元,王莉,吴国桥

2020, 38(10): 1003-1009. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.18.0072

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为研究双螺杆膨胀机的瞬态特性,以4/6齿双螺杆空气膨胀机模型为研究对象,使用SCORG和Pumplinx软件对膨胀机内部流体域以及进出口处流体域进行静止网格和动网格的划分.采用CFD分析方法对膨胀机进行全流场瞬态数值模拟,得到双螺杆膨胀机内部的压力场和速度场以及不同转角下流量、扭矩和转子的受力情况. 结果表明:膨胀机内部流体域从进口高压端至出口低压端可区分为4个压力等级,且从进口端到出口端压力逐级递减,而阴、阳转子接触线将螺杆流域分为上高压区和下低压区;内泄漏主要包括径向间隙泄露、齿间间隙泄漏和泄漏三角形这3种泄露方式,三者中齿间间隙泄漏的速度最大.整个流场中的最高流速和最低压力均出现在接触线附近;吸气阶段的节流损失和预膨胀带来的压降损失使阳转子对外做功能力下降,并使螺杆膨胀机效率降低;流量、扭矩、径向力和轴向力呈周期性变化,阳转子所受径向力对螺杆膨胀机工作性能影响最大.

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水利水电工程

超驼峰工况下轴流泵站事故停泵防护方案寻优

梁兴,张剑焜,李志红*,肖博屹,陈实

2020, 38(10): 1010-1015. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0240

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针对带虹吸式出水流道的轴流泵站超驼峰工况下事故停泵防护问题,基于瞬变流基本理论,以闸门总关闭时间、闸门快关行程和快关时间为决策变量,以最大倒转转速、最大倒流流量、最大水锤压力和最小水锤压力为评估目标,建立多目标水锤防护措施优化模型,并采用混沌-粒子群算法进行求解.研究表明,相对于标准粒子群算法,混沌粒子群算法粒子多样性强、寻优能力高、算法稳定性好,有效提升了两阶段关闸水锤防护效果;多次寻优结果表明两阶段关闸中,第一阶段关闸速度和关闸角度对倒转转速、倒流流量等指标影响较大,而关闸规律和闸门流量系数对最大水锤压力影响较大;当泵站最大超驼峰水位小于2 m时,采用“14 s快关行程66%,104 s慢关行程34%”的策略可以有效防护事故停泵水锤.

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水利水电工程

大型贯流式泵站快速门加速启动过渡过程

许哲,郑源*,阚阚,陈会向,陆洋,戴景

2020, 38(10): 1016-1022. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0247

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为研究大型贯流式泵站机组闸门加速启动过程中的外特性参数变化及流态变化,对灯泡贯流泵机组进行三维建模,采用Fluent软件中的UDF来控制闸门的启动过程,使用铺层法动网格技术来控制闸门处网格生成与消灭,并设定S-A模型作为湍流模型,对灯泡贯流泵机组启动过程进行瞬态数值模拟.计算结果表明:当贯流泵机组快速门以10倍设计速度启动时,机组的转速与流量将以更快的速度达到额定转速与额定流量,同时瞬间最大倒灌流量相比未加速启动时增加了30%.当贯流泵机组处于倒流状态时,靠近轮毂处叶轮叶道压力面的压强呈现出从叶轮进水边向出水边逐渐递增的分布规律.当机组处于零流量的临界状态时,混乱的流态导致压力集中及脱流现象加重,叶轮进水边负压区范围扩大且程度加深.

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流体工程

气泡在横流中的几何及动力学特性

庞春波,袁寿其*

2020, 38(10): 1023-1029. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0106

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为研究横流中气泡的几何特征和动力学特征,采用向循环水洞中通气的方法形成气泡,利用高速摄像技术对气泡的形态及演化过程进行采集,并基于MATLAB软件编写特定算法,对获得图像中的气泡特征参数进行提取.对气泡的初生形态、受力分析、运动轨迹、上升角度、尺寸与脱离频率进行分析,并获得了气泡终速度和当量直径的线性关系,通过量纲一数的分析,将气泡纵横比与韦伯数相关联,得到以下结论:随着雷诺数的增加,气泡脱离尺寸减小,脱离角度增加并且脱离频率呈线性增加趋势;气泡运动轨迹与静水环境中相似,分为直线段和振荡段,上升角度变化呈正弦规律且随雷诺数增加而逐渐稳定.轨迹随着水流速度的上升逐渐倾斜接近于直线,振荡段摆幅降低;气泡的终速度随着当量直径的增加迅速减小,小气泡的速度上升速度较快;高雷诺数下气泡形变与表面张力的关联可以忽略.

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流体工程

用于修复三尖瓣反流的三尖瓣塞离体试验研究

杨梦旭,王颢,荆腾,周中玺,王昆,贺照明*

2020, 38(10): 1030-1036. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0269

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研究三尖瓣塞的血流动力学性能并评价其修复效果.使用8个新鲜猪心三尖瓣,安装在离体试验台上,用扩张瓣环50%,75%的方法构建2种三尖瓣反流病理模型.使用3D打印技术打印直径为20,25mm的三尖瓣塞(记为TP20和TP25),分别进行脉动试验和静态试验,测量并分析瓣塞修复前后的跨瓣压差积分、心输出量、反流流量、关闭流量、泄漏流量以及有效孔口面积和有效反流孔口面积.结果表明:三尖瓣在使用瓣塞修复之后,跨瓣压差积分增加30%~100%,反流流量减小42%~47%,有效孔口面积和有效反流孔口面积减小37%~74%,瓣环扩张75%时心输出量增加43%~47%;扩张50%时,使用TP25比TP20修复之后的跨瓣压差积分、有效孔口面积减小9%~26%,每搏反流流量增大29%;扩张75%时使用TP25比TP20修复时有效孔口面积和有效反流孔口面积小15%~17%,其他参数无差异.三尖瓣塞可以有效减少三尖瓣反流;瓣环扩张50%时TP20的修复效果优于TP25,扩张75%时2种瓣塞修复效果没有差异.

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流体工程

多路阀可视化机液系统建模及动态特性

张莉萍,徐雷*,王夏金,何思奇

2020, 38(10): 1037-1044. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0063

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为研究LBF20型电液比例负载敏感多路阀的动态特性及参数优化,分析了此多路阀的工作原理及流量共享分配特性,提出了用AMEsim软件建立基于挖掘机的可视化机液一体化系统模型的新方法.再将铲斗动臂收缩复合动作时系统流量分配特性的仿真结果与理论分析对比,验证系统模型的正确性.采用批参数运行和控制变量的方法,研究了三通流量补偿阀的弹簧预压力、LS管路的直径、长度和横截面形状对系统动态特性的影响,确定最佳参数范围.结果表明:三通流量补偿阀的弹簧预压力设定在150~350 N较合理,且预压力增大,进入负载联的流量、压力裕度和泵出口压力均增加;LS管径适当增大,管内流体为层流,管路上的压降几乎为0,此时管路长度和横截面形状对系统特性影响较小.建模方法可为其他多控制阀机液系统建模提供参考,LBF20型多路阀系统模型可用于其进一步的参数优化和动态特性研究.

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流体工程

搅拌机布置方式对生化池流场的影响及优化

陈云帆,周勇胜,张华,*,杨陈,汪源,徐云峰

2020, 38(10): 1045-1050. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0210

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针对某缺氧池混合液搅拌效果的好坏不仅与设备自身设计有关,更受到搅拌机布置方式影响的问题,研究搅拌机布置方式对生化池流场的影响.基于Star-ccm+虚拟仿真平台,对缺氧池及搅拌机区域进行多面体网格划分,采用K-Epsilon湍流模型进行全流场数值模拟,剖析池内流场物理结构.根据搅拌机搅拌形成的环流布局,设计整体推流和分布推流2种布置方式,最终获得最佳安放角度和位置.计算结果表明:该缺氧池采用整体推流能有效减小低速区域面积,提高平均搅拌速度;当2台搅拌机与壁面呈一定角安放时,更利于推流的扩散和死角区域的改善.根据优化结果对现场进行布置,试验结果与数值模拟接近.因此,采用多面体网格计算,具有较好的收敛速度和计算精度,可为生化池流场中搅拌机布置提供参考.

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农业水土工程

桶栽条件下冬小麦产量的连旱效应

李道西*,楼睿焘,李彦彬,边泽鹏,朱亚南

2020, 38(10): 1051-1056. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0263

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为了研究连续干旱对冬小麦产量的影响,以冬小麦品种“矮抗58”为试验材料,通过桶栽试验,在冬小麦的拔节期、抽穗期和灌浆期分别设置轻度干旱、中度干旱、重度干旱,分别对应土壤含水率控制在田间持水率的60%~70%,50%~60%,40%~50%.试验设置了单阶段受旱9个、两阶段连旱6个,三阶段连旱4个,试验对照1个,共计20个试验处理.研究结果表明,单旱条件下,拔节期减产最明显,抽穗期其次;拔节期轻旱、中旱和重旱分别减产4.08%,21.71%和36.73%.两阶段连旱条件下,拔节期和抽穗期连续中旱对产量影响最大,减产率达28.42%;抽穗期和灌浆期连续中旱对产量影响相对较小.三阶段连旱条件下,连续轻旱减产不明显,连续中旱和重旱分别减产24.96%,53.99%.总体上,拔节期是冬小麦的需水关键期,中旱及以上水平就会引起显著减产;相反,水资源紧缺条件下,抽穗期和灌浆期可以适当中旱,甚至重旱,对产量影响较小.

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农业水土工程

原料配比对α-SiO₂基微孔陶瓷灌水器性能的影响

周伟,吴普特,*,张林,姚春萍,赵笑,蔡耀辉

2020, 38(10): 1057-1062. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.18.0222

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选取石英砂为骨架材料,碳粉为造孔剂,高岭土、钠长石为粘结剂制备α-SiO₂-莫来石复相多孔陶瓷灌水器.研究了原料配比对多孔陶瓷灌水器性能的影响规律,得到了多孔陶瓷灌水器的最优配比.结果表明:石英砂含量过高易引起材料性能的下降.随着碳粉含量的增加,多孔陶瓷的孔隙率逐渐加大,密度逐渐降低.钠长石、高岭土含量的增大使得玻璃相的生成减少,晶相含量的上升,有利于改善强度.灌水器的流量随工作压力的增大而增大,其规律近似于线性.在同一工作压力下,随着造孔剂含量的增加,微孔陶瓷灌水器的流量也随之增加,这归因于微孔陶瓷孔隙的增加.多孔陶瓷灌水器渗透系数与孔隙率成幂函数关系.当原料中石英砂:碳粉:高岭土和钠长石质量比为60∶15∶25时,α-SiO₂基多孔陶瓷灌水器兼备良好的材料性能和水力性能,可以满足田间使用要求.

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农业水土工程

滴灌灌水量对玉米耗水及生长的影响

王卫杰,张彦群,祁鸣笛,王传娟,吴忠东*,王建东

2020, 38(10): 1063-1068. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.18.0154

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为了提高玉米水分利用效率、挖掘中国东北地区玉米增产潜力,寻求合适的灌水方式、方法,基于大田试验,研究了不同滴灌灌水量对黑龙江西部地区玉米的耗水规律、生长状况、干物质积累、产量及水分利用效率的影响.结果表明:低水处理(50%充分滴灌量)分别比高水处理(充分滴灌)、中水处理(70%充分滴灌量)和雨养处理(CK)的水分利用效率高16.4%,8.7%和14.1%;高水处理增大了玉米的株高和茎粗,但低水处理和中水处理下叶面积指数更大,有利于叶绿素的保持;高水处理不利于干物质向籽粒的运移;低水处理可获得更好的穗部特征,其经济产量较高水、中水和雨养对照分别高7.7%,5.2%和24.8%.对于黑龙江西部地区玉米滴灌,低水滴灌量可推荐作为当地滴灌技术灌水量的参考指标.

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农业水土工程

微喷带单孔水量分布影响因素试验研究

徐茹,王文娥*,胡笑涛

2020, 38(10): 1069-1075. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0127

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为了探究微喷带管径、喷孔结构、工作压力以及喷射角度对单孔水量分布影响,以常用的机械打孔的Ф28,Ф32,Ф40和Ф50这4种微喷带为研究对象,通过调节微喷带的喷射角度和工作压力,研究微喷带正常运行时单孔喷水(其他孔进行遮挡,不混入测试单孔的水流中)特性,测定了不同工作压力条件下射程、湿润面积、干燥区宽度等参数.结果表明:喷水射程随喷射角度先增大再减小,射程最大值为30°~ 40°,随工作压力的增大而增大;湿润区宽度与喷射角度、工作压力均存在正相关的关系;射程与干燥区宽度随喷射角度的变化规律相同;湿润区面积的最大值出现在喷射角度为50°时.在实际运行中,建议微喷带喷射角度为30°~50°,并应根据干燥区与射程合理布置相邻微喷带的铺设间距.

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农业水土工程

防疫通道喷雾消毒过程的数值模拟

左子文,王林,王军锋*

2020, 38(10): 1076-1080. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.20.0208

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防疫通道喷雾消毒是切断病毒传播的重要方式.以江苏大学与企业产学研合作研制的卫生防疫通道为基础,基于FLUENT仿真平台采用CFD双向耦合DPM方法,数值模拟了人员通过通道时喷雾和多相流场的分布情况.结果表明,雷诺数为1×10⁵左右,喷雾能够很好地分布在人体模型两侧;上排喷雾孔喷雾角为0°,该工况适合较高人员通过消毒通道;上排喷雾孔下倾10°,适合中学未成年人通过防疫通道;下排喷雾孔喷雾角向下倾斜30°时,喷雾主要分布在人体模型脚部附近,可满足对脚部的重点消毒需求.人体模型移动时会在模型周围形成大量的绕流,有利于提高消毒效率.通过适当调整上下排喷雾孔喷雾角,可以满足对人体模型局部重点消毒或整体覆盖消毒的不同需求.分析结果可以为卫生防疫通道设计与改进提供参考.

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