排灌机械工程学报

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2024, 42(10): 1.

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2024, 42(10): 2.

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泵理论与技术

三代压水堆核主泵关键部件制造及工艺研究进展

龙云, 胡波, 朱荣生, 付强, 孙琪, 杨雨, 袁寿其

2024, 42(10): 973-982. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0037

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核主泵作为反应堆冷却剂系统中唯一高速旋转的设备,其正常运行对于整个核电站的安全至关重要.长期以来,核主泵制造的安全性与可靠性一直是中国核电技术发展的“卡脖子”难题.近年来,得益于国家对核电技术基础研究的大力投入,以及依托重大课题项目的推进,中国三代压水堆核主泵国产化进程在各个方面都取得了重大成果.文中从核主泵制造及工艺的角度,深入剖析叶轮、泵壳、定子、转子、屏蔽套、密封、轴承等关键部件的发展历程,并针对各部件的材料选择、加工、转配工艺、检测方法及技术体系等进行详细分析,总结了中国核主泵的制造进度及难点.最后,结合当前核主泵制造的现状,提出中国核主泵制造发展的相关建议,这对中国核电事业的国产化进程具有重要意义.

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泵理论与技术

地热井用潜水泵冲蚀磨损特性

张永学, 苏家玉, 祁紫伟, 袁志懿

2024, 42(10): 983-988. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0063

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为研究颗粒属性对地热井用潜水泵外特性和冲蚀磨损的影响,采用离散相模型和RNG k-ε湍流模型对两级潜水泵内流场进行了全流道数值模拟.结果表明:随着固体颗粒体积分数的增大,潜水泵各级扬程和效率均呈下降趋势,单级扬程最大下降1.68 m,单级效率最大下降5.18%;叶轮的冲蚀磨损主要出现在叶片工作面进口,导叶的冲蚀磨损主要出现在导叶工作面出口和导叶前盖板;随着固体颗粒密度的增大,各部件的平均冲蚀率增加明显;叶轮和导叶的最大冲蚀率均随固体颗粒粒径的增大呈增大趋势,其中导叶的最大冲蚀率随颗粒粒径变化相比叶轮更加明显,当颗粒粒径超过0.65 mm时,过流部件最大冲蚀磨损率急剧上升.

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泵理论与技术

空间导叶式多级离心泵级间能量损失机理

张金凤, 张文佳, 王国军, 李贵东, 俞鑫厚

2024, 42(10): 989-996. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0093

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为探究空间导叶式多级离心泵级间能量损失的原因,以1个单级和1个3级潜水泵为研究对象,通过试验和数值模拟相结合的方法,分析其级间能量损失的机理.对单级和3级潜水泵分别进行全流场外特性试验.基于ANSYS软件对3级潜水泵不同流量点进行数值模拟和内流场分析,着重对各级叶轮进口流态、内部旋涡结构和叶片载荷分析比较.结果表明:小流量工况下,3级潜水泵各级扬程接近且与单级扬程相差不大;额定流量工况和大流量工况下,3级潜水泵第1级扬程与单级扬程仍相差不大,但后2级扬程相比于第1级降低了6%~10%.随着流量的增大,首级叶轮来流稳定性不受影响,其后各级叶轮进流流态变差.后2级叶轮进口液体介质冲角变化使其对叶片进口边的冲击增大.后2级叶轮进口处的涡在流量较大时发展为流向涡,从而引起叶片载荷突变,削弱了叶轮做功能力,导致后2级能量损失.研究结果可为多级离心泵的设计提供理论依据.

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泵理论与技术

基于数字孪生的多级离心泵模型降阶与检验

马斯卓, 李伟, 苏保才, 宋伟, 季磊磊, 杨巧月, 杨万运

2024, 42(10): 997-1004. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0086

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为了探讨非设计工况下的二阶仿真方法以及数字孪生实时仿真交互的可行性,以14级离心泵为研究对象,运用拉丁超立方抽样法随机选取样本工况点,训练出满足均方根误差(RMS)小于1%精度条件的多级离心泵数字孪生稳态ROM.通过对比内部流场压力、速度和涡旋结构的分布,检验了ROM与FOM数值模拟结果的一致性.研究结果显示,基于正交分解方法训练的多级泵ROM能够准确且迅速地预测和计算特定工况点下的扬程和内部流场压力分布.叶轮附近的平均相对误差小于2%,足以满足实际应用中快速仿真的需求.ROM的叶轮转子-定子界面速度分布与FOM相符,但在大速度梯度区域对速度变化的敏感度不足.随着训练样本的增多,精度逐步提高.ROM能够准确估计叶轮大尺度涡旋的形状,然而由于在模型降阶过程中高阶信息的省略,ROM所得到的涡旋边缘较FOM计算结果更为平滑且体积较小,平均相对误差约为-7.8%.本研究验证了POD方法ROM在离心泵内部流场中的有效性,并为流体机械领域数字孪生的构建和实时仿真奠定了计算基础.

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流体工程

基于离子风荷电的细水雾喷雾及抑尘特性

刘桂生, 李科文, 左子文, 蒋鹏

2024, 42(10): 1005-1010. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0092

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基于离子风荷电及设计的缩放喷管搭建了荷电细水雾抑尘系统,利用激光粒度分析仪和荷质比测量装置,通过改变荷电及喷雾系统参数,研究了荷电电压和雾化压力等对喷雾雾滴粒径及抑尘特性的影响.结果表明:荷电细水雾索太尔平均直径d_st整体随荷电电压和雾化压力提升而减小,但荷电电压较低时液滴易聚并,d_st略微增大.液滴荷质比随荷电电压和雾化压力提升而增大,其增速随荷电电压提升而减缓.荷电细水雾抑尘系统抑尘效率整体随荷电电压和雾化压力提升而上升,但雾化压力较高时提高荷电电压,液滴粒径过小则会导致蒸发加剧,抑尘效率下降.分级抑尘效率随颗粒物粒径下降呈U形分布,其拐点随荷电电压提升而前移.荷电电压20 kV雾化压力0.6 MPa时存在最佳抑尘效率.

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流体工程

典型控流调压阀后突扩体的压力特性

王蛟, 胡亚安, 段金宏, 周家俞

2024, 42(10): 1011-1017. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0030

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为了研究突扩体对控流调压阀门的增压减振作用,以典型控流调压阀门(活塞式调流阀和固定式锥形阀)为研究对象,采用物模试验和三维数值模拟相结合的研究方法,重点对2类阀门在不同突扩体型、阀门开度及空化强度下的阀后流态及管壁压力特性进行了观测分析,探究突扩比与阀后稳定压力的定量关系,试验阀门通径为150 mm,阀门直径为150~370 mm,突扩体长度为1 000 mm.结果表明,突扩体能提升阀后管壁时均压力、减弱压力脉动的基本原理是水垫层效应.综合物模与数模试验结果,拟合得到了突扩比与阀后管壁稳定时均压力的关系式.突扩体可以提升阀门的工作背压,提升程度随突扩比的增大而渐缓.当突扩比为4.00时,阀后管壁稳定时均压力的增幅已非常平缓,趋于稳定.不同阀型试验结果差异小,说明突扩体的增压减振作用具有普适性.研究结果可供输水调压工程阀门段管道系统设计参考借鉴.

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流体工程

文丘里空化器非定常空化流动能量指标构建及分析

洪锋, 邓煜阳, 邵哲闻, 刘书畅, 向可心, 雷恩宏, 张兆年, 黄应平,

2024, 42(10): 1018-1023. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0090

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为了研究文丘里空化器内非定常空化流动诱导的能量特性,构建了一种评估空化能量指标的物理模型,并基于Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity(WALE)亚格子模型的大涡模拟方法(LES-WALE)和Schnerr-Sauer空化模型,对文丘里空化器内的空化流动特性进行了数值分析,研究了3种空化阶段下(σ为0.76,0.51和0.26)文丘里空化器内空化能量分布规律.研究表明:LES-WALE湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型联合的数值计算方法可以对文丘里空化器内片状空化对称脱落及云空化溃灭的细节进行精确捕捉;随着空化数的降低,文丘里空化器内空化能量呈现范围及对应数值逐渐增大,在不同空化阶段下,计算域内空化能量的极值发生在片状空穴末端位置处;沿着整个文丘里空化器壁面,其喉部与扩散管连接处存在的空化能量最高,表明该处极易受到空化的破坏作用.研究结果为以文丘里空化器为典型代表的水力空化装置空化能量特性研究提供了一种有效的数值计算方法及能量评估指标.

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流体工程

双阿基米德螺旋水轮机阵列特性

宋科, 康宇驰

2024, 42(10): 1024-1030. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0008

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为了探究双机组的阵列特性,从而实现该型水轮机的高效利用,采用计算流体力学方法对不同排列方式及间距下的双机组阵列进行了三维数值模拟研究.结果表明,在并列排布中,两机组都将获得高于单独机组的性能指标,且二者之间的水动力相互作用的增益效果在达到峰值后随着并列间距的增大而逐渐减弱.反向旋转设置中的两机组的叶尖涡将出现类似于齿轮的啮合效应,而同向旋转设置中的两机组的叶尖涡相互冲突且交织在一起,导致一侧机组的叶尖涡在向下游发展的过程中过早地出现破碎.在串列排布中,当串列间距大于5D后,上游的机组性能基本不受影响,下游机组的性能随着串列间距的减小而下降明显.反向旋转设置的下游机组的涡流结构较为混乱,出现了一定程度的尾流畸变,而同向旋转设置的下游机组几乎完美地与来自上游的涡流进行了融合,其尾流更像是对上游涡流的一种延伸和继承.研究结果为阿基米德螺旋水轮机的优化布置提供了一定的参考.

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水利水电工程

基于CNN-BiLSTM的特高拱坝变形预测模型

欧斌, 张才溢, 傅蜀燕, 杨霖, 陈德辉, 杨石勇,

2024, 42(10): 1031-1035. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0180

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为提高特高拱坝的变形预测精度,提出了一种基于卷积神经网络(CNN)和双向长短时记忆网络(BiLSTM)的大坝变形预测模型.该模型利用CNN捕捉数据之间的空间关系,进行特征提取,再将其输入到BiLSTM中进行时间维度上的演变规律考虑.通过特征融合和全连接层的拼接,得到更丰富和综合的特征表示,最终映射到预测输出层进行拱坝变形预测.以某拱坝为例,验证了CNN-BiLSTM模型在RMSE等评价指标上具有高精度和稳定性,为混凝土拱坝结构的安全监测提供了新的思路.

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水利水电工程

塔里木灌区多泥沙明渠测流设备比测与精度分析

陆永鑫, 李林, 王立成, 宁聪毅, 邓小来

2024, 42(10): 1036-1043. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0193

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为探究新疆塔里木灌区含沙水流对测流设备精度的影响,选取灌区测流条件较好且具有代表性的明渠水流为研究对象,以电磁流量计为基准,在室内明渠水槽测试了时差法超声流量计、旋桨式流速仪、多普勒流速仪,在不同含沙量(最大含沙量55 kg/m³,塔里木灌区明渠天然沙,中值粒径0.034 mm)下的测流精度.结果表明:在含沙量范围内测流平均意义上,时差法超声流量计在含沙量S≤33 kg/m³下测流误差为-0.66%~7.92%,符合明渠量水误差规范要求,能够满足塔里木灌区最高含沙量(29 kg/m³)下的量水精度;旋桨式流速仪在低流速下测量结果偏低,随着含沙量的增大其测量结果逐渐偏大,误差最大达93%;多普勒流速仪在低含沙量下测量结果比清水条件下更精准,但高含沙量下测量误差较高,达140%~190%.研究结果可为塔里木灌区明渠测流设备选用提供借鉴,继而促进推广与应用.

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水利水电工程

堰槽组合设施水力特性试验与数值模拟

张文科, 何新林, 李小龙, 曾钰峰, 王佳鑫,

2024, 42(10): 1044-1051. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0198

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为探究堰槽组合设施的水力特性及适用性,通过模型试验与数值模拟相结合的方法,设计 3 组坡度(0.1%,0.4%,0.8%)、9 组流量进行水力性能试验,验证了数值模拟对于堰槽组合的适用性,探究了不同底坡下堰槽组合装置的测流机制.结果表明:3 组坡度阈值相对水深为0.880,0.930和0.873,测流公式精度较高,对应的平均误差分别为1.20%,1.69%和1.74%;不同坡度下,量水槽内水深沿程降低,中垂线平均流速沿程增加,流量小于阈值流量时,综合流量系数和中垂线平均流速随流量的增加而增大;流量大于阈值流量时,在过渡段上游1/3附近中垂线平均流速大小一致,流量系数和上游中垂线平均流速随流量的增大而减小,下游随流量的增大而增大;数值模拟结果最大误差为4.16%,与试验相吻合,数值模拟适用于堰槽组合量水设施的研究.

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农业水土工程

灌水量与加气对干播湿出棉田幼苗生长及光合特性的影响

周琴, 白云岗, 柴仲平, 卢震林, 张江辉, 郑明, 刘洪波, 肖军, 周豪杰

2024, 42(10): 1052-1057. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0174

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为探讨灌水量与加气对干播湿出棉花幼苗的叶绿素、光合特性及干物质的影响,试验共设计了6个处理(WP1—WP6),其中WP1,WP2与WP3处理灌水定额分别为150,225与300 m³/hm²,加气量分别为3 600,5 400与7 200 L/hm²;WP4,WP5与WP6处理灌水定额分别为150,225与300 m³/hm²,试验处理均不加气(作为对照).结果表明:随灌水量与加气量的升高,棉花幼苗叶片叶绿素含量呈先升高后降低的趋势,加气较不加气处理叶绿素含量最大可提高12.56%.加气对光下最大荧光F_m′、光下最大光能利用效率F_v′/F_m′、光下光系统PSⅡ潜在光化学活性F_v′/F₀′、实际原初光能捕获效率Yield具有提升效果.与非加气处理相比,加气处理的叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度分别增加了0.4 μmol/(m²·s),0.2 mmol/(m²·s)与3 mmol/(m²·s)以上,胞间CO₂浓度降低了9 mmol·mol^-1.同等灌水定额下,加气处理的干物质较非加气处理均有显著增加,其中WP2处理干物质增加显著.加气灌溉可显著提高棉花叶片叶绿素含量,增强光合作用,提高干物质积累量.

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基于博弈论组合赋权TOPSIS法的宁夏中部干旱带枸杞水肥综合评判

杨震,尹娟,*,孙富斌,马正虎,杨莹攀,韩雨禄

2024, 42(10): 1058-1065. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0173

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为探寻宁夏中部干旱带枸杞最优水肥组合,设置灌水和施肥二因素三水平共9个处理,分析不同水肥交互对枸杞生长、产量、果实品质多个指标的影响.引入层次分析法(analytic hie-rarchy process, AHP)和熵权法对3类因素10个指标进行多层赋权,运用博弈论的组合赋权法获得各单一指标最终权重,基于TOPSIS法构建枸杞生长评价体系,并以高产、优质、高效为目标建立枸杞水肥交互响应数学模型.结果表明,高水对枸杞生长、产量和品质的影响具有统计学意义(P<0.05),各生长指标最优处理均出现在高水处理,中肥和高肥对品质产量影响较大;综合协调各指标,赋权值最高为干重(0.226 7),总糖次之(0.135 2);多指标综合评价最优水肥处理为高水低肥(W3F1).解析枸杞生长对水肥耦合的响应模型,得到最适灌水和施肥区间分别为灌水量75%~110% ET₀、施肥量(N-P₂O₅-K₂O)为165-60-105 kg/hm²~223.5-79.5-144.0 kg/hm²,在此区间利用回归模型Y=-0.090 4+0.370 6X₁+0.000 2X₂²-0.010 4X₁X₂(综合评分Y、灌水量X₁、施肥量X₂)确定最优水肥组合有利于实现枸杞的优质高效生产.

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应急供水技术与装备

山区应急供水装备路径规划系统设计与应用

李伟, 赵晨淞, 袁寿其, 李昊明, 曹卫东, 周岭, 朱勇, 季磊磊

2024, 42(10): 1066-1072. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.24.0033

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灾后救援保障中,应急供水扮演着至关重要的角色.然而,由于山区地形和地貌条件复杂多变,现场指挥调度尤为关键,关系着救援人员能否迅速展开保障装备进行应急供水作业.文中基于多智能体强化学习(multi-agent proximal policy optimization,MAPPO)算法进行了路径规划系统的设计,并进行了试验仿真验证,根据奖励图结果确认该路径规划系统的可行性,并实现系统运行可视化,证明该路径规划系统可以初步满足山区应急供水装备路径规划需求.在此基础上,结合Mask2Former图像分割模型优化山区应急供水装备路径规划系统,将地物信息输出结果和路径规划结果相结合,有效避免了单一路径规划算法在受到环境影响时结果波动较大的问题,提高了路径规划的鲁棒性和可靠性.将该路径规划系统集成至山区应急供水装备指挥平台,以解决山区应急供水路径规划问题,为山区应急供水装备的实际运行提供了有力支持.

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应急供水技术与装备

山区及边远灾区重金属污染水PP棉载磷酸化壳聚糖处理与再生试验

刘杰, 侯永金, 陈阿凤, 余龙华, 范峻雨

2024, 42(10): 1073-1080. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0187

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根据灾后重金属水质净化难题,探索使用磷酸化壳聚糖负载的PP棉纤维材料吸附处理模拟重金属污染水.对材料进行了表面性质表征;以水中Cd(II)为目标,考察了材料吸附效能的影响因素、吸附动力学与等温线特征及再生条件;评估了材料对多种典型二价重金属离子的去除效能,并开展了随装实际水体现场测试.结果表明,材料表面附着有明显的磷酸化活性膜层,活性层磷酸化程度对材料吸附效能的发挥至关重要,材料的水环境适应性良好,在pH 4~10时,其Cd(II)吸附去除效能保持稳定,且受水中除重碳酸盐、磷酸盐外的常见共存阴离子影响小.材料的再生性能良好,循环再生处理3次后的Cd(II)吸附率仍高于80%.材料对除Cd(II)外的其他典型二价重金属去除性能良好,作为反渗透保安过滤器滤芯填料应用于依托资助项目研制的便携式净水装置,能够起到膜前重金属屏障的作用,具备良好的实际应用潜能.

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