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    2024, 42(4): 1.
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    2024, 42(4): 2.
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    • 泵理论与技术
  • 泵理论与技术
    基于高维混合模型的离心泵叶轮子午面优化设计
    张金凤,俞鑫厚*,高淑瑜,曹璞钰,张文佳
    2024, 42(4): 325-332. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0142
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    为提高离心泵在设计工况下的运行效率和扬程,文中提出一种基于高维混合模型的离心泵叶轮优化设计方法.选取一台比转数为157的单级离心泵作为研究对象,通过CFturbo软件对优化变量进行参数化,然后结合数值模拟获得高维混合模型的训练集.在此基础上采用获取的训练集通过MATLAB机器学习得出效率、扬程与优化参数之间关于支持向量回归的高维模型,并采用遗传算法寻优.在设计工况下,所拟合的高维混合模型预测的效率和扬程值比原模型分别高1.5%和3.2 m,数值模拟验证优化方案的效率和扬程分别比原模型高0.9%和2.1 m.算例研究表明,将高维混合模型应用于离心泵叶轮的优化设计中可以实现快速寻优并提高离心泵水力性能.
  • 泵理论与技术
    立式自吸泵前口环几何参数对其自吸性能的影响
    赵伟国,*,强欢欢,许强,刘明建
    2024, 42(4): 333-341. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0170
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    为探究立式自吸泵前口环几何参数对其自吸性能的影响,以350WFB-1200-50型外混式无密封立式自吸泵为研究对象,在保证自吸泵其他参数不变的情况下,通过改变前口环间隙δ和前口环长度l的数值大小,共设计20种方案.利用数值计算和试验验证相结合的研究方法,通过定常数值计算得到不同方案外特性曲线图及前口环进出口压差图;通过非定常数值计算得到不同方案不同时刻中间截面气体体积分布云图,不同方案自吸泵出口含气率变化图及不同方案自吸完成时间曲线图,从而探究前口环几何参数对其自吸性能的影响规律.研究发现:前口环间隙δ和前口环长度l对自吸泵自吸性能均有影响,适当减小前口环间隙δ和增大前口环长度l均能提高自吸泵自吸性能,且当前口环间隙δ过大时,前口环间隙δ对自吸泵自吸性能的影响大于前口环长度l对自吸泵自吸性能的影响.
  • 泵理论与技术
    液环式航空燃油离心泵自吸性能
    张岭,杨兴,李一鸣,王凯*,龚永祥,刘厚林
    2024, 42(4): 342-349. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0213
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    基于Mixture模型对液环式航空燃油泵进行自吸阶段的非稳态数值计算,研究自吸过程中燃油泵内气液两相分布的变化过程,对不同时刻下燃油泵内部含气率、气液两相分布、压力及速度流线、熵产率和湍动能变化规律进行分析.结果表明:燃油泵的吸气和排气主要集中在自吸过程的前期和中期;随着自吸时间的增加,各监测面的含气率逐渐降低,当自吸时间为3 s时,蜗壳出口含气率接近于0,自吸过程结束;泵内压力随相对距离的增加而增大,泵内同一相对距离平面压力随自吸时间的增加而增大;在气液混合时,高速区域主要集中在叶轮中间流道和蜗壳壁面处,低速区域则集中分布在隔舌附近和导叶出口;随着自吸过程的进行,泵内湍动能和熵产率也随之增大,泵内能量损失增大,主要集中在叶轮叶片、导叶叶片和蜗壳出口处.
  • 泵理论与技术
    叶片安放角对微型轴流式水轮机性能的影响
    杨孙圣*,赵尔策,孔祥序
    2024, 42(4): 350-357. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0209
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    为探究叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响,以一比转数为548的微型轴流式水轮机为研究对象,在不改变其他几何参数的前提下,仅偏置转轮叶片各翼型剖面,得到7个不同叶片安放角的转轮;在试验验证的基础上,通过全流场数值计算,分析了改变叶片安放角对微型轴流式水轮机水力性能的影响.结果表明:随着叶片安放角的减小,在相同流量下水轮机的水头与出力均增大,高效率区域向小流量区域偏移,水轮机可高效运转的范围有一定程度的增大;随着叶片安放角的增大,水轮机的水头与出力减小,高效率区域向大流量区域偏移.适当减小叶片安放角的水轮机能在较大水头(流量)变化范围内维持较好的性能.其中,安放角为-4°的水轮机最高效率达到82.13%,高效率区的范围最大.该研究可为微型轴流式水轮机转轮的设计提供一定参考.
  • 泵理论与技术
    自循环机匣提高轴流泵稳定性的参数化研究
    童志庭,原野,张志民,张超,*
    2024, 42(4): 358-364. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0218
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    为了探究有效扩大轴流泵稳定运行范围的方法,针对轴流泵进行自循环机匣处理的单通道定常数值模拟,分析周向覆盖比例、抽吸口位置和喉部高度对水泵扩稳性能的影响规律,并揭示自循环机匣对轴流泵扩稳的改善机理.结果表明,抽吸口位置保持不变,扩大周向覆盖比例和喉部高度都可以增大流量裕度,但设计点效率降低;喉部高度为1.8 mm的自循环机匣流量裕度随着抽吸口位置的后移先增加后降低,效率先降低后增加,说明在叶顶上方存在一个最佳位置.在研究的范围内,流量裕度最大达到5.93%,设计点的效率最低降低1.12%.通过自循环机匣处理,使叶顶泄漏流与主流在叶顶上方相互作用形成的堵塞区面积有所减小,是扩大轴流泵流量范围和提升小流量工况效率的原因.该研究可为轴流泵在自循环机匣的端壁处理方式下扩稳提供参考.
    • 流体工程
  • 流体工程
    仿鸮翼型风力机叶片气动弹性变形分析
    陈坤*,赵培尧,冯文慧,贵红亮,郝振华
    2024, 42(4): 365-372. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0066
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    为抑制风力机叶片的气动弹性变形,提出一种用于大型风力机的仿鸮类翼型改型设计方案.通过单向流固耦合方法分析了仿生翼型对叶片气动弹性变形的影响,并通过模态分析和共振响应阐述了仿生翼型抑制叶片气动弹性变形的机理.结果发现:与模型叶片相比,仿生翼型叶片气动弹性变形量降低了11.05%.仿生翼型使叶片压力面应力分布趋势发生改变,使叶片压力面的最大应力值由叶中转移至前缘.仿生翼型使叶片上下表面的压力差提高,且吸力面的压力值约为原来的2倍,使叶片提高了在挥舞方向的抗变形能力.同时,叶片的气动性能有所提高.仿生翼型使叶片的一阶至六阶固有频率升高;仿生翼型使叶片在挥舞方向上的共振变形量减小了89.23%,叶片的共振速度和加速度幅值也降低了.故仿生翼型能够有效抑制叶片的气动弹性变形,其设计方法及结论可为抑制大型风力机叶片的气动弹性变形研究提供一种新思路.
  • 流体工程
    有压与无压交接水力系统有限体积法模拟分析
    吴金远,周领,*,胡垠盈,许宇阳
    2024, 42(4): 373-379. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0249
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    针对含无压段的长距离调水工程,采用二阶Godunov格式的有限体积法进行有压与无压交接水力计算模拟.首先根据有限体积法,分别对有压与无压的控制方程离散,采用Riemann求解器计算通量,并引入MINMOD斜率限制器进行数据重构.边界处采用虚拟边界,实现了计算区域与边界处的统一.在1个无压计算时步内,进行数个有压计算,从而实现有压与无压的交接计算.将所建模型与传统特征线法计算结果进行对比,验证了所建模型的精确性.结果表明,在库朗数小于1时,MOC在有压流与无压流均会产生较大的计算误差,而FVM计算更加准确.对比了有压无压交接水力计算结果与有压段独立计算的结果,后者结果更加保守,工程经济性较差,证明了提出的有压无压的交接水力计算的必要性与准确性.
  • 流体工程
    基于动态边界的90°弯管壁面渐进磨损特性
    陈雨,李仁年,*,韩伟,周巍巍
    2024, 42(4): 380-387. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0045
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    固定边界磨损预测方法只能得到磨损初始边界状态下的磨损特性,无法获得壁面破坏后的流场动力学响应.文中基于计算流体力学提出动态边界的水力机械过流壁面渐进磨损数值预测方法,通过研究90°弯管在不同磨损时刻的磨损表面形貌,流场特性、磨损特性和颗粒冲击特性,揭示由于过流壁面磨损形貌演变引起的多相流特性和磨损演变机理.研究结果表明:在来流速度6.3 m/s、颗粒体积分数为0.35%的90°弯管中,磨损主要集中在末端(50°~90°)内壁附近,且在20 000 h以后,外侧内壁的平均磨损率与内侧之比增大到2倍附近;颗粒冲击速度呈现先增加后减小的规律,最大变化量为0.81 m/s,而颗粒冲击角度呈现近乎线性增加,平均最大增幅为1.13°;此外,磨损坑内颗粒冲击速度减小,磨损坑边缘冲击速度增加,说明随着磨损时间的增加磨损范围会进一步扩大,结果为弯管的磨损防护提供了一定的参考.
  • 流体工程
    考虑表面粗糙度与空化效应的组合密封润滑分析
    张毅*,熊子杰,李大建,熊思阳,钟思鹏
    2024, 42(4): 388-394. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0220
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    表面粗糙度及空化效应对压裂泵柱塞密封副密封性能有较大的影响,基于稳态Reynolds方程,建立了粗糙峰和空化效应影响下组合密封的弹流润滑数值模型.在数值模拟基础上,采用有限体积法求解稳态Reynolds方程,研究了密封副在表面粗糙度影响下的油膜厚度、油膜压力、油膜流速分布规律,以及不同的往复速度和滑环表面粗糙度对密封性能的影响.结果表明,外行程流体动压效应微弱,油膜在空气侧附近会出现空化现象;较高的往复速度有利于减小泄漏量及摩擦阻力;滑环表面粗糙度从0.8 μm增加到1.8 μm时,净泄漏量与外行程摩擦力分别升高了180.4%和11.17%.因此,在工作过程中应设置较高的往复速度和使用较低粗糙度的滑环以提高密封性能.
  • 流体工程
    基于Omega涡识别方法的径流式水涡轮尾水管涡带特性
    蒋宇浩,汤玲迪*
    2024, 42(4): 395-402. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0004
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    为了研究水涡轮尾水管的涡带特性与Omega涡识别方法对尾水管涡带的识别效果,对比了Q准则和λ2准则以及Omega涡识别方法对尾水管涡带的识别效果,并基于Omega方法和降维的Omega方法分析了不同工况下尾水管的涡带特性.结果表明:对于径流式水涡轮,通过合理调整阈值,Q准则和λ2准则以及Omega涡识别方法均能识别到清晰合理的尾水管涡结构,而Omega方法阈值选取区间较小且具有不敏感性;水涡轮尾水管在小流量工况时会出现较长的涡带,不利于机械的稳定性.同时运用二维Omega涡识别方法与拟涡能指标,在不同工况下对尾水管各监测面进行定量分析,确定涡量浓度高的区域,研究尾水管的能量耗散规律.结果发现,尾水管进水口到弯管之间的区域涡量浓度最高,能量耗散最大,流态最不稳定,这可为该型式水涡轮的结构优化提供理论参考与数据支撑.
    • 水利水电工程
  • 水利水电工程
    某水电站泄洪底孔消能工体型优化
    张曜,尹进步*,吴西杰,吴伟,龚刚
    2024, 42(4): 403-409. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0096
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    针对某水电站消能区狭窄、左岸电站尾水渠易受到影响的问题,为了将水舌导向消力池中央,进行了挑流导向方案和面流扩散方案体型优选,最终推荐体型为面流扩散式消能工,并采用模型试验和数值模拟相结合的方法对原设计体型和推荐体型的流态、底板时均压力、脉动压力、流速分布、冲刷特性和消能率进行了对比研究.结果表明:原设计窄缝方案消能效果良好,但水舌主流集中在左右岸两侧,造成了两岸局部冲刷;而面流扩散式方案,使下泄水流形成自由面流流态,并快速扩散至整个河道,消能区扩大,有效地降低了底板时均压力、脉动压力、临底流速,且流速和压强分布更加均匀,使得下游河道的冲刷坑深度减小了34%,冲刷范围减小了35%,保障了左岸电站的安全运行,推荐方案可为类似工程提供参考.
  • 水利水电工程
    粉煤灰对高强混凝土力学性能及孔隙结构影响
    韩长君,周海龙*,陈岩,张雪鹏
    2024, 42(4): 410-417. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0097
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    为探究粉煤灰替代水泥比例对机制砂高强混凝土(MSC)和天然砂高强混凝土(NSC)的强度影响以及内部孔隙结构变化,设计粉煤灰替代水泥比例分别为0,10%,15%,20%和25%配制C80高强混凝土,借助核磁共振技术(NMR)分析混凝土孔隙演变规律,利用X射线衍射(XRD)、差热-热重综合仪、场发射扫描电镜(SEM)技术分析胶凝材料水化产物形态和微观形貌.结果表明:MSC工作性能略低于NSC,各龄期下MSC强度均高于NSC,前期强度随粉煤灰掺量的增加而降低,后期10%粉煤灰混凝土强度最高;10%粉煤灰促进水泥水化进程,填充凝胶孔隙降低裂隙生成,从而优化混凝土内部结构孔隙,提升混凝土整体密实度;考虑细骨料形貌参数及粉煤灰掺量对混凝土强度的影响,基于可压缩堆积理论建立了粉煤灰混凝土28 d抗压强度预测模型,模型精度良好.研究可为粉煤灰高强混凝土高质量应用提供一定参考.
    • 排灌装备制造技术
  • 排灌装备制造技术
    智能完井系统液压控制管线特性分析
    何东升*,贺前龙,张林锋,周广恒
    2024, 42(4): 418-425. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0196
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    井内连续变化的地层温度会对智能完井系统液压控制管线内流体流动造成较大的影响,而现有的连续方程、运动方程对变温环境下液压管线内流体流动不能很好地求解,针对此问题,根据能量方程的定义,分析流体微元以及所采用的32号液压油特性,推导出一个特定形式的能量方程,再联立现有的连续方程、运动方程,得到一个新方程组,并利用特征线法(method of characteristics, MOC)结合MATLAB软件对新方程组进行计算求解.若干恒温条件与2种连续变温条件下的仿真结果显示新方程组均比旧方程组求解精度高,验证了所推导的能量方程的合理性与准确性,表示其能用于恒温与变温环境下液压管线内流体流动问题的计算求解,进而推广至智能完井系统液压控制管线等问题的计算求解,对智能完井井下流量控制阀开启状态进行判断.该研究可为智能完井系统液压控制等研究提供参考.
  • 排灌装备制造技术
    不同结构参数对喷头雾化特性的影响规律
    冯静之,朱兴业,*,华珊,钱兆,刘俊萍
    2024, 42(4): 426-432. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0019
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    针对目前雾化喷嘴存在的雾化压力高、雾化范围小等问题,设计了一种雾化喷头,并分析了该喷头的雾化特性.利用激光粒度测试仪探究压力为0.15~0.30 MPa、出口直径为0.3~0.9 mm等条件下对喷头雾化锥角、速度场和液滴粒径的影响,获取了不同试验条件下流场流动特性的变化规律:在低压力下,雾化锥角受喷头出口直径的影响较大,出口收缩角越大则雾化特性越优良;出口直径0.9 mm的喷头,喷腔长孔比为1、出口收缩角为75°时更能实现大范围的作业;随着喷雾压力增大,水滴速度最大值也显著增大,但压力对雾化流场整体速度分布的趋势影响不大;喷腔长孔比越大,速度分布越集中,雾化锥角越小.水滴直径也随着喷头出口直径增大而增大,且喷头出口直径对水滴直径影响显著,但水滴直径相同时,出口直径越大,水滴速度越小.该结果为后期雾化喷头在中低压范围内的应用提供了理论参考.