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    泵理论与技术
  • 泵理论与技术
    封面
    2021, 39(6): 1.
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  • 泵理论与技术
    目录
    2021, 39(6): 2.
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  • 泵理论与技术
    海上平台立式长轴消防泵转子静力学特性分析
    张金凤*,宋海勤,张帆,杨志军,赖良庆
    2021, 39(6): 541-547. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.20.0076
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    为了研究立式长轴消防泵转子的静力学特性,以XBC18-178-240LC3型号的立式长轴消防泵为研究对象.首先根据设计参数通过Creo建立了立式长轴消防泵内部流场的三维模型以及转子的物理模型,采用CFX对该泵在0.20Qd,0.65Qd,1.00Qd,1.20Qd,1.40Qd和1.50Qd这6种工况下进行三级泵内流场的定常数值模拟;然后把物理模型导入ANSYS Workbench中,并根据实际运行过程设置约束条件,根据模块耦合功能,将流场的模拟结果导入固体结构实现单向流固耦合,对转子模型进行了带预应力的静力学特性分析.结果表明:叶轮内部受到的流体载荷随叶轮级数增加而增大,随流量增加而减小;转子总变形量的最大值位于第三级叶轮后盖板的边缘处,等效应力与等效应变的最大值位于第三级叶轮后盖板边缘与叶片出口边的交点上,都随流量增加而减小;在0.20Qd,0.65Qd,1.00Qd和1.50Qd这4种工况下转子的最大等效应力为118.23 MPa,小于其许用应力250 MPa,符合强度要求;该泵的工作转速1 485 r/min小于其0.85倍的一阶临界转速,符合动力学设计要求.因此,在满足安全运行的工况下,XBC18-178-240LC3型号的立式长轴消防泵满足设计要求和使用要求.
  • 泵理论与技术
    环形槽位置对高速诱导轮空化性能的影响
    程效锐*,杨登峰,刘明建
    2021, 39(6): 548-554. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.20.0187
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    为抑制由高速诱导轮叶顶间隙泄漏涡引起的空化,在高速诱导轮上游和下游设立能吸纳泄漏涡的结构(即环形槽),并设计了5种环形槽方案,通过试验及数值计算相结合的方法研究不同环形槽方案对空化的抑制机理.研究发现:空泡最先出现在诱导轮吸力面进口边与轮缘相交的位置,随着管道进口压力的不断降低,空泡会不断向诱导轮流道内发展,进而漫延至离心叶轮叶片背面;环形槽能有效抑制间隙泄漏涡空化、不对称涡空化和旋转涡空化现象的发生,并在几乎不影响离心泵扬程及效率的情况下,提高离心叶轮的入口压力和离心泵扬程,有效地改善其空化性能;但同时发现,当环形槽位于诱导轮下游即轴向距离L3=-10.0 mm和L4=-12.5 mm时,会干涉诱导轮流道内流体的流动状态,影响诱导轮做功和能量交换,即环形槽在与诱导轮匹配时,两者有最佳轴向位置,此时环形槽与诱导轮的轴向距离L1=2.5 mm.
  • 泵理论与技术
    固相浓度对旋流泵内循环流动结构的影响
    权辉*,康蕾,郭英,程静,于欣洋,权思哲
    2021, 39(6): 555-561. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0322
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    为研究固相体积分数对旋流泵内部循环流结构的影响,以150WX-200-20型旋流泵为研究对象,基于流体动力学理论,采用Eulerian双流体模型,以体积分数为10%~35%的固相与清水的6种混合流体为介质进行数值模拟.对比分析旋流泵内流场的流线变化规律,研究不同固相体积分数时,在泵内以轴为中心阵列的4个1/4截面上涡结构的涡核位置及形状变化规律.结果表明,固液两相流时,在叶轮旋转作用下旋流泵内形成一组主循环流Ⅰ和一组次循环流Ⅱ,主循环流传递至进口处的流体形成另一组次循环流Ⅲ,固相的介入会减弱旋涡的强度并抑制循环流Ⅱ截面涡结构面积的扩展,提出一种了旋流泵流动模型;固相体积分数增大时,主循环流在无叶腔内变化范围随流量的增大缩小,在无叶腔内,涡核效率均随流量增大而增大,而当涡核进入叶轮域被破坏后,泵效率降低.在高效点1.2Qd,固相体积分数越大,涡核与轴线距离越小;在无叶腔内,表征截面上涡结构的形状系数e的值在高效点1.2Qd处均较大,涡结构的形状均较扁.
  • 泵理论与技术
    离心泵作透平性能预测研究综述及展望
    林通,*,朱祖超,李晓俊,谢京
    2021, 39(6): 562-568. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.20.0086
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    在化工、石油、矿山等高耗能产业中,存在大量高压流体通过减压阀进行直接排放的现象,造成了大量的能源浪费.采用离心泵反作透平对这部分能量进行回收利用是一种经济且实用的方法,但对于离心泵在透平工况下的性能预测是其应用的关键技术及难点之一.本文系统总结了近年来国内外对于离心泵作透平在性能预测方面的研究进展,并对未来的研究方向进行了展望.首先,对离心泵作透平的高效点预测、全工况特性预测方面的研究及进展进行了分类总结和评述:在透平的高效点预测方面,主要采用了经验预估、理论分析、智能算法预测等方法对泵和透平工况下的流量、扬程换算因子进行了计算;在透平的全工况特性预测方面,主要采用了试验拟合、理论分析、数值计算等方法揭示了透平在偏工况与最佳工况下的特性换算关系.最后,探讨了目前研究中存在的一些问题及对未来的研究方向进行了展望.
  • 泵理论与技术
    旋壳差速效应对旋喷泵性能影响
    黄祺*,刘在伦,王小兵,李琪飞,权辉,王东伟
    2021, 39(6): 569-575. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.20.0111
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    以旋喷泵为试验对象,完成了旋壳与叶轮同步变转速性能试验以及旋壳与叶轮非同步差速数值研究.为避免各向同性涡黏假设,数值计算选择雷诺应力RSM linear pressure-strain模型,将数值计算与试验结果对比以验证其可信度.结果表明:变转速试验中该泵的流量与扬程符合相似定律,最优效率基本保持不变,各转速下最优效率的最大偏差为3.1%,趋于常数.差速试验中旋壳转速在升高引起径向液体压力梯度增大,导致旋壳内任意位置半径r大于叶轮出口半径r2区域的液体压力增加,而旋壳内任意位置半径小于叶轮出口半径区域液体的压力降低.受叶轮与旋壳差速扰动影响,集流管进口和尾涡区域湍流动能数值普遍较高,该区域能量损失大,涡的大小、形态、涡心位置随旋壳转速不断变化,主要分布在叶轮出口与流动中心区.与额定工况相比,旋壳转速的升高能够提高旋喷泵的扬程,但由内壁面带动液体快速旋转增加液体能量的方式会导致泵效率下降.旋壳转速在一定范围内的降低有利于能源的高效利用,提高泵效率,该泵试验范围内最优旋壳与叶轮转速比为0.75,研究结果对今后旋喷泵差速运行有指导意义.
    • 水利水电工程
  • 水利水电工程
    波浪补偿控制算法综述
    唐刚,胡超,姚小强,李建霞,韩重阳,邵辰彤,胡雄
    2021, 39(6): 576-582. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0042
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    为了实现对船舶在波浪中的运动响应进行补偿,提高海上作业的效率,需要对波浪补偿设备采用更为先进的运动控制技术.采用前馈控制和反馈控制的分类方式,简述了适合用于波浪补偿设备的控制算法研究现状,以便于更好地了解波浪补偿控制技术的发展.其中属于前馈控制类算法的主要有卡尔曼滤波法、神经网络和时间序列分析法;属于反馈控制类的主要算法有PID控制算法和模型预测控制算法.分析这些算法在波浪补偿控制中的理论原理和研究进展,并且通过对相关学者的研究文献进行了对比分析,指出了卡尔曼滤波法、神经网络和时间序列分析法以及PID控制算法和模型预测控制算法的关键特征.在结论中根据不同控制算法的原理和特征给出了这些算法在波浪补偿控制中可能的研究方向,可以为波浪补偿控制系统的研究和发展提供指导意见.
  • 水利水电工程
    基于SOA的水轮机调速系统PID参数优化
    古志,曾云*,李敏,吴一凡,侯睿,钱晶
    2021, 39(6): 583-588. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.20.0022
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    针对现有优化方法复杂、易陷入局部最优等问题,为水轮机调速系统提出了一种基于人群搜索算法的比例-积分-微分控制参数优化方法.为验证该算法的可行性,建立了水轮机调速系统非线性模型,选取水轮发电机组转速偏差的积分时间绝对误差指标作为目标函数进行优化.为验证优化结果的有效性,将人群搜索算法的控制效果与参考文献中粒子群算法的控制效果进行了对比分析.仿真结果表明,在5%频率扰动下,人群搜索算法自第29次迭代起已收敛,经其优化的系统能在8秒内趋于稳定,此时系统的超调量为1.6%;在10%负荷扰动下,人群搜索算法自第25次迭代起已收敛,其优化效果与粒子群算法优化效果基本相同,两者均在10秒内让系统趋于稳定,但人群搜索算法优化的积分时间绝对误差指标比粒子群算法优化的积分时间绝对误差指标小,表明人群搜索算法具有更好的搜索功能,在一定程度上改善了孤网运行条件下机组的动态性能.
    • 流体工程
  • 流体工程
    固相浓度电容传感器特性分析与结构参数优选
    胡国强,张西良，徐云峰,
    2021, 39(6): 589-595. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.20.0004
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    针对螺旋加料管道内固相物料浓度检测受固相分布影响大的问题,基于电容检测原理,设计螺旋表面极板电容传感器.采用有限元仿真方法,建立电容传感器的三维有限元模型,仿真分析电容传感器灵敏度场分布特性,以及源/检测极板张角、极板轴向长度、屏蔽罩半径、保护极板张角等结构参数对电容传感器检测场各项指标的影响.使用单因素轮换法,筛选出每个因素的理想水平范围.以减小均匀性误差为目标,选择正交试验以及方差分析法,得到各因素的主次顺序以及最优的因素组合,其灵敏度场均匀性误差参数为5.06%.设计检测场均匀性验证试验,搭建传感器实物,实测灵敏度场均匀性误差参数为5.43%,显著改善了传感器检测场的软场效应,减小固相分布对固相浓度检测的影响,满足实际应用需要.
  • 流体工程
    小型风力机系统气动及发电性能试验研究
    昝丙合,何淼,朱建勇*,李国文
    2021, 39(6): 596-601. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0294
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    为了揭示小型风力机系统气动及发电性能的差异,分别对某新型的风力机风轮及连接发电机的同一风轮的气动性能和发电性能开展风洞试验,详细分析了风轮的气动特性及发电机的电磁特性.基于风轮气动功率和发电机的发电功率试验数据,给出了风力机不同风速下的最优工作曲线和实际工作曲线,在不同风速下实际工作曲线中的发电功率峰值及其对应转速均小于最优工作曲线中的气动功率峰值及其对应转速.风轮的气动扭矩随转速先增大后减小,然而发电机的电磁扭矩随转速增大而增大,当发电机逐渐增大的电磁扭矩等于开始减小的气动扭矩,发电机的转速无法进一步加速到气动功率最大值对应的转速,这种不匹配是导致风力机系统气动和发电性能差异的主要原因.试验数据可为研究风力机最大功率控制策略提供支持.
    • 农业水土工程
  • 农业水土工程
    基于Faster R-CNN的新疆棉花幼苗与杂草识别方法
    许燕,温德圣,周建平*,樊湘鹏,刘洋
    2021, 39(6): 602-607. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0244
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    针对新疆棉田杂草的伴生特点带来的特征过拟合、精确率低等问题,以新疆棉花幼苗与杂草为研究对象,分析杂草识别率低的影响因素,建立了基于Faster R-CNN的网络识别模型.采集不同角度、不同自然环境和不同密集程度混合生长的棉花幼苗与杂草图像5 370张.为确保样本质量以及多样性,利用颜色迁移和数据增强来提高图像的颜色特征与扩大样本量,以PASCAL VOC格式数据集进行网络模型训练.通过综合对比VGG16,VGG19,ResNet50和ResNet101这4种网络的识别时间与精度,选择VGG16网络训练Faster R-CNN模型.在此基础上设计了纵横比为1∶1的最佳锚尺度,在该模型下对新疆棉花幼苗与杂草进行识别,实现91.49%的平均识别精度,平均识别时间262 ms.为农业智能精确除草装备的研发提供了参考.
  • 农业水土工程
    江苏里下河平原农田涝灾的情景模拟分析——以高邮灌区典型圩垸为例
    米博宇,陈皓锐,金银龙,王少丽,李江安,孙勇
    2021, 39(6): 608-614. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.20.0294
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    为了分析环境改变后江苏里下河平原农田涝灾的变化特点,以高邮灌区某典型圩垸为例,利用构建的农田涝灾分布式模型模拟了不同暴雨强度、斗沟规模、外排条件、抽排能力和泵站调度规则等环境因子改变条件下的涝灾减产分布.结果表明:现状条件下,在遭遇5%暴雨时受涝面积比为10.47%,最大减产率为4.07%;遭遇2%和1%暴雨时,受涝面积比增至56.54%和86.87%,最大减产率增至10.32%和13.37%.若将斗沟深度由现状的1.3 m挖深至2.0 m,则可以使5%, 2%和1%暴雨条件的受灾面积分别减少14.73%,16.11%和3.91%,最大减产率分别降低5.16%,4.75%和3.81%.若将外河水位预降0.5 m,则可以使5%,2%和1%暴雨条件的受灾面积分别减少86.87%,13.62%和8.52%,最大减产率分别降低66.59%,40.60%和28.12%.若将泵站外排能力由现状的9 m3/s提高到14 m3/s,在遭遇5%暴雨时,受灾情况无变化;2%和1%暴雨条件下的受灾面积分别减少31.68%和11.52%,最大减产率分别降低31.10%和11.44%.单纯降低泵站启排水位而不同时降低外河闸的关闸警戒水位,对涝灾减轻效果几乎没有影响.
  • 农业水土工程
    葡萄分层地下滴灌滴头布设深度优化
    杜一超,蔡耀辉*,张林,朱德兰,张光弟,李玉鼎,贾毅男,吴勇
    2021, 39(6): 615-621. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.20.0173
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    为解决不同树龄葡萄根系的差异使得地下滴灌系统在布设应用中存在的困难,采用室内试验和HYDRUS-2D数值模拟相结合的方法,以宁夏和关中葡萄产区为例,研究了2种土质条件下分层地下滴灌土壤水分运动规律,提出了分层地下滴灌带最佳布设深度.研究结果表明,HYDRUS-2D模拟值与试验实测值具有良好的吻合度.地下滴灌带的埋深直接影响土壤水分的分布,2种土质下湿润体内部处于最佳含水率区间的土壤体积随滴头间距的增加而增大.通过适当增大浅层滴头埋深并减小深层滴头埋深可减小表层水分无效损耗.从避免水分无效消耗以及提高湿润体与根系匹配效果等角度出发,建议关中地区葡萄单滴头灌溉且适宜滴灌带布设深度为20 cm;宁夏贺兰山地区滴灌带布设深度以15 cm和45 cm为宜.
  • 农业水土工程
    基于无人机多光谱遥感的夏玉米冠层叶绿素含量估计
    陈浩,冯浩*,杨祯婷,王乃江,李悦,王青松,
    2021, 39(6): 622-629. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.20.0274
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    为探讨利用无人机多光谱遥感影像监测夏玉米冠层叶绿素含量的可行性,基于2019年不同施氮水平下(0,105,210,315 kg·N/hm2)夏玉米多光谱遥感影像和田间实测冠层叶绿素含量数据,分析了不同施氮水平下夏玉米冠层叶绿素含量的变化规律,同时选取10种常用光谱植被指数与实测冠层叶绿素含量进行相关性分析,采用与实测叶绿素含量极显著相关的9种植被指数,构建了基于遥感光谱指数的夏玉米冠层叶绿素含量遥感监测模型,并通过精度检验确定最优估测模型.结果表明,施用氮肥能够提高夏玉米冠层叶绿素含量,过量氮肥不能持续提高叶绿素含量,同一施氮水平下不同追肥处理之间叶绿素含量没有明显差异.绿色归一化植被指数与叶绿素含量的相关性系数最高,达到了0.892.采用逐步回归分析方法建立的模型表现最优,决定系数为0.87,均方根误差及相对误差分别为0.15和2.68%.因此,无人机多光谱遥感结合逐步回归模型可以实现田间尺度的夏玉米冠层叶绿素含量的实时监测.
  • 农业水土工程
    无人机载雷达在冰厚及冰层结构探测中的应用
    刘辉,冀鸿兰,罗红春,郜国明,张宝森,牟献友*
    2021, 39(6): 630-636. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.20.0157
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    为提高黄河冰厚测量效率,利用无人机载雷达对黄河内蒙古什四份子弯道进行了冰厚测验,并与人工实测冰厚进行了对比,描述了冰层典型特征雷达图谱.结果表明:弯道冰厚分布不均匀,整体冰厚在40~80 cm,纵向冰厚沿程逐渐减小,弯顶处冰厚最小,横向冰厚凹岸侧大于凸岸侧,清沟断面冰厚呈小-大-小趋势,靠近水面位置冰厚最小;立封区测验效果一般,雷达测量结果大于人工测量结果,误差在10%左右,平封处精度良好,误差在5%以下,雷达与人工对冰厚走向的测量结果基本一致;雷达波在冰层中传播速度为15~17 cm/ns;雷达图谱可以反映冰层结构,确定裂缝的走向、位置,平立封冰盖的雷达图谱差别较大.无人机载雷达能快速对一定区域的冰厚进行连续测量,极大地提升了小范围冰厚的测验效率,为分析黄河冰的冻融过程、冰层结构提供了技术参考,是一种较为理想的冰层探测方法.
  • 农业水土工程
    太阳能喷灌系统供给能源与水力性能关系
    刘俊萍*,许继恩,李滔,ZAMAN Muhammad
    2021, 39(6): 637-642. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0229
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    为了解决太阳能喷灌系统应用中无法对喷头水力性能进行有效预测的问题,以光照强度为影响因素,太阳能喷灌系统泵出口流量、泵出口压力、喷洒射程、水量分布及系统灌溉均匀性系数为评价指标,通过在夏季典型天气25~36℃下的系统水力性能试验,寻找不同光照强度下系统喷洒水力性能的变化规律,获得系统最佳工作状态下所需光照强度.试验结果表明:随着光照强度的增大,系统流量及泵出口压力均增大,泵的流量和压力随光照强度的变化规律基本符合指数分布规律.当光照强度大于900.0 W/m2时,系统流量、泵出口压力、射程及水量分布基本保持不变.获得了平均光照强度与均匀性系数函数关系,当光照强度大于900.0 W/m2时,系统喷灌均匀系数大于88%.当光照强度为200.0~600.0 W/m2时,系统喷灌均匀系数为76%~82%.太阳能喷灌系统在光照强度大于200.0 W/m2时可正常工作.该研究为改善太阳能喷灌系统水力性能,促进太阳能喷灌系统在实际工程中的推广应用提供了参考.
  • 农业水土工程
    冻融循环下红色砒砂岩水泥土力学性能试验研究
    耿凯强,李晓丽*
    2021, 39(6): 643-648. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.19.0245
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    为实现砒砂岩作为一种自然资源的潜在利用价值,提高砒砂岩有效利用,将鄂尔多斯市准格尔旗的红色砒砂岩加入不同掺量水泥制成砒砂岩水泥土,进行不同围压、不同冻融循环次数条件下的不固结不排水三轴试验,得到了砒砂岩水泥土的各力学参数的变化规律,并通过超景深三维显微镜对砒砂岩水泥土的细观结构进行观测.结果表明:砒砂岩水泥土的应力-应变曲线呈应变软化趋势,随水泥掺量的增加其黏聚力和内摩擦角呈线性增长的趋势.砒砂岩水泥土的内摩擦角受冻融循环影响较小,而黏聚力受冻融循环影响较大.水泥掺量越多,砒砂岩水泥土的抗冻性越好,但其脆性特征越明显.对细观结构的观测进一步验证了冻融使得低掺量水泥的固化土细观结构发生较大改变,导致内部空隙增大,而水泥土随水泥掺量的增加其内部结构更加致密,从而提高了水泥土的抗冻性.