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    2024, 42(7): 1.
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    2024, 42(7): 2.
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    • 泵理论与技术
  • 泵理论与技术
    叶片隆起对离心泵空化性能的影响
    刘厚林*顾建彬,王勇,王哓林,李明
    2024, 42(7): 649-656. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0183
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    提出一种在叶片工作面布置隆起结构来提高离心泵抗空化性能的方法,基于RNG k-ε湍流模型和Kubota空化模型对离心泵非定常工况下的空化流动进行数值模拟,并对初始叶型和隆起叶型下的空化发展进行对比分析.结果表明:在未发生空化阶段,隆起叶型的泵扬程较初始光滑叶型有小幅度下降;在空化数减小至0.43时,隆起叶型的扬程大于原始叶型,其中隆起直径为2 mm的扬程最高;隆起结构延缓了空化的发生,表现出对空化现象的良好抑制效果;在空化发展阶段,叶片工作面的隆起结构增大了叶片工作面面积和表面粗糙度,改变了叶轮内部流道结构,在近壁面处形成了相对高压和高湍动能区域,增大了压力梯度,减小了叶轮进口低压区面积,有效抑制空化的发生和发展,减小空泡体积;在不同的空化发展阶段,隆起结构在工作面的不同位置未对空化发展产生明显影响.
  • 泵理论与技术
    进水池吸气涡控制方法
    黄先北,奚超男,董兆华,仇宝云*,庞凯文,郭嫱
    2024, 42(7): 657-662. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0272
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    以进水池模型为研究对象,探索有效的吸气涡控制方法,基于计算流体动力学(CFD)技术,分析消波板与幕墙2种方法对吸气涡的抑制效果,并重点研究关键几何参数的影响.采用开源CFD软件OpenFOAM进行数值模拟,基于三方程的Bifurcation湍流模型求解湍流场以及CLSVOF方法捕捉气液交界面,从吸气涡形态、涡量、流线和出口吸气率等多角度对计算结果进行处理和对比分析.研究结果表明:深度为0.25D1的幕墙可以有效抑制进水池吸气涡,且吸气率可降低一半;随着幕墙深度增大,吸气率上升;参考海洋工程领域提出的消波板仅能推迟吸气涡的出现与发展,但无法起到抑制作用;在消波板中心位置和长度不变的情况下,改变消波板宽度均对吸气涡无明显抑制效果.研究结果可为进水池及相关工程设施优化设计提供一定的借鉴和参考.
  • 泵理论与技术
    地下泵站进水流道数值模拟与方案优化
    李甲振,王涛,薛兴祖,郭永鑫,付辉,纪昌知
    2024, 42(7): 663-669. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0224
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    以典型地下泵站的进水流道为研究对象,建立数值仿真模型,分析设计方案的水力特性及存在不足,并给出优化方案.研究结果表明:在原方案中,外侧水泵进水管入口中心和圆洞出口中心的连线与来流方向的夹角达到70°,水流大角度偏转,并在进水管入口出现脱流现象,水头损失系数达到2.30~2.45,水泵进水管出口的流速分布均匀度为95%~97%,速度加权平均角为86.5°~87.5°,原方案的圆洞突扩进入压力罐,然后突缩进入水泵的进水管,且压力罐内无任何导流措施,致使局部流道产生了较大的水头损失;优化方案提出了“集管+岔管”的分流措施,通过2个60°弯头实现水流流向的偏移,平面和垂直方向均没有突扩或突缩结构,水头损失系数减小至0.93~1.07,优化方案不仅改善了流道的水力性能,也避免了开挖、衬砌压力罐.研究结果可为类似地下泵站进水流道设计提供一定依据.
  • 泵理论与技术
    双吸泵交错叶轮内流诱导噪声
    吴贤芳,王东*,谈明高,刘厚林,邵晨,潘光辉
    2024, 42(7): 670-677. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0248
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    为研究叶轮交错布置对双吸泵内流噪声的影响,根据叶片夹角设计了4组叶轮交错方案.在设计工况下,采用标准k-ε湍流模型对双吸泵内部流动进行了非定常数值模拟,基于数值模拟结果提取偶极子声源,应用直接声学边界元法计算了双吸泵内声场,分析了不同叶轮交错方案对泵能量性能、压力脉动和内流噪声等的影响规律.研究结果表明:叶轮交错布置能够提高双吸泵能量性能,扬程和效率最高分别提升3.0%和5.7%;随着交错角度增大,压力脉动峰峰值逐渐减小,最大降幅达79.6%;当交错角为叶轮夹角1/2时,蜗壳内流场压力脉动、偶极子声源流动噪声和声压频响曲线的主频均从1倍叶频变为2倍叶频,且主频处幅值明显降低;随着交错角增大,吸水室、叶轮和蜗壳表面高声压区范围逐渐减小,表面声压最大值和声压频响曲线逐渐降低,最大降幅分别为9.9%和18.7%.研究结果可为双吸泵优化设计和减振降噪提供一定的理论参考.
    • 流体工程
  • 流体工程
    立式紊流搅拌机多相流场及混合性能
    陈作炳,付云*,艾佳,卢怀旭
    2024, 42(7): 678-684. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0007
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    为研究液体与固体颗粒在大容积立式搅拌机中的混合特性,建立了转轴与转筒耦合运动形式的双轴立式搅拌机和单轴立式搅拌机模型,利用计算流体动力学仿真软件Fluent中的双欧拉模型和RNG k-ε湍流模型,以污泥和铁尾矿颗粒作为混合介质,分别模拟2种搅拌机内部物料的混合过程,对流体流动特性以及固相颗粒体积分布规律进行分析,并对比分析了双轴搅拌和单轴搅拌对液固两相混合性能的影响.结果表明:相同工况下,2种搅拌机内的流场特性差异较大,双轴搅拌机内流体的紊流效果明显强于单轴搅拌机;固相颗粒在单轴搅拌机内从上到下呈阶梯状分布,而在双轴搅拌机内各处均匀分布;结合示踪剂扩散时间可得出,双轴搅拌机单位体积混合能耗远小于单轴搅拌机,所以双轴搅拌机的搅拌混合效果以及混合效率优于单轴搅拌机.研究结果可为大容积搅拌混合设备的设计与优化提供重要的参考.
  • 流体工程
    仿生水翼结构对空化抑制效果影响的数值分析
    赵伟国,*,刘金晶,张佳瑜,秦嘉伟
    2024, 42(7): 685-692. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0226
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    空化对流体机械表面造成高频脉动冲击,使其动力性能下降.为提高水翼的抗空化性能,研究水翼表面仿生结构参数对空化抑制效果的影响.采用SST-TM湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对不同参数仿生结构水翼的空化流场和水动力学特性进行了数值模拟研究.探究仿生结构的弦向位置、宽度、角度对空化效果的影响,初步揭示空化抑制机理.结果表明:当仿生结构的弦向位置为L=0.3c、宽度为b=0.15δmax、角度为θ=14°时抑制效果最明显,与原型水翼相比空泡数减少24%,水翼振动频率减小23%,升阻比提高4.73%,回射流厚度和强度明显减弱;随着仿生结构接近尾缘,吸力侧上的空化区先减小后增大,在空化充分发展的空腔末端设置仿生结构抑制效果最明显;存在最佳宽度参数使空泡体积数最少,最小压力系数增大明显,升阻比最大;仿生结构角度的增大能更好地增大水翼近壁面压力,同时也会引起旋涡的生成,加剧流场的不稳定性.
  • 流体工程
    基于DDES耦合FW-H方法的吊舱推进器水动力噪声特性
    高波*,梅子逸,张宁,赖元庆,倪丹
    2024, 42(7): 693-700. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0224
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    为研究吊舱推进器非定常流场和诱发的声场结构,采用DDES耦合FW-H方法,对其开展了高精度非定常数值计算.结果表明:由于吊柱诱发的强烈动静干涉作用,使螺旋桨至吊柱区域内的压力脉动幅值上升;吊舱推进器的涡量分布较为复杂,由于吊舱体的扰流作用,除螺旋桨本身产生的主、副涡外,还出现干涉尾涡结构,且主涡区向上偏移.通过计算盘面上各个声接收点处的谐波频率标准差发现,声场在浆盘面上无明显声指向性.通过设置空间曲面内的声接收点阵列,获得了吊舱推进器的声场空间分布特性.发现轴频和叶频始终是其主要频率;在螺旋桨桨盘面附近的声压脉动无明显指向性,但在空间曲面上,轴频和叶频的分布特征明显,存在有明显形状的高低值区;在吊舱推进器后方,声压逐渐衰减,但叶频处能量衰减趋势小于轴频处.
  • 流体工程
    多孔质气体静压径向轴承的可压流动建模及数值求解
    顾延东*,杨安龙,程金武,谢超杰,孙浩,成立
    2024, 42(7): 701-708. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0212
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    为研究可压流动下多孔质静压径向轴承的静特性,基于雷诺润滑方程、多孔质达西方程、气体压力-密度方程,建立了多孔质径向轴承的流动模型.提出了一种处理多孔质轴向端面压力边界条件的Laplace-Neumann虚拟节点法,结合有限差分法、松弛迭代法、压力-密度耦合迭代法对流动模型进行数值求解.分析了可压流动下轴承半径间隙和供给压力对静压特性的影响,并与不可压流动计算结果进行对比.结果表明:在同一最小膜厚下,随着半径间隙和供给压力的增大,可压流动与不可压流动的承载能力、质量流量和功耗均增大.可压流动下的承载能力在半径间隙0.01 mm和0.03 mm下小于不可压流动,在半径间隙0.05 mm下大于不可压.可压流动下的质量流量和功耗均大于不可压流动.本研究可为多孔质静压径向轴承的设计及快速计算提供参考.
    • 水利水电工程
  • 水利水电工程
    基于镜像原理的田间暗管排水流量计算方法
    金铭锐,王红雨,*,李杰,马明泽,马俊毅,张广招
    2024, 42(7): 709-719. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0018
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    针对目前尚无适宜的计入复合型外包滤料影响的暗管排水流量计算方法,结合渗流力学中的镜像法和势流叠加原理,以宁夏银北灌区冬灌洗盐为背景,提出一种田面积水土壤饱和条件下考虑外包滤料影响的暗管流量公式.通过室内渗流槽试验和HYDRUS-2D软件模拟确定相关水力特征参数,将试验数据、数值模拟和努美罗夫解与文中计算公式进行了对比分析,结果表明:公式计算值与渗流槽试验数据、数值模拟值的相对误差分别在7.00%及2.05%以内;当外包滤料厚度小于15 cm时,计算值及引入有效半径概念的努美罗夫解与模拟值有较高吻合度;当外包滤料厚度大于15 cm时,计算值与数值模拟值更接近,并且优于努美罗夫解;暗管的排水流量随外包滤料渗透系数或厚度的增加而逐渐增大,但增长率逐渐变缓.基于镜像法提出的考虑复合外包滤料影响的田间暗管排水流量计算公式合理可行,拓展了暗管排水计算思路.
  • 水利水电工程
    梯度过滤工艺对地表雨水径流净化规律
    常铖炜,董进波,汤燕,马顺博,熊新港,解清杰*
    2024, 42(7): 720-727. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0119
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    通过采样分析确定了某高教区雨水径流中SS,COD,TN,NH3-N, TP的时间质量浓度均值(EMCs),综合比选了不同种类过滤介质的透水、抗堵塞性能和截污性能,探究了梯度过滤工艺应用于雨水径流处理时对于过滤系统抗堵塞能力和截污能力的改善情况.结果表明:该高教区雨水径流污染严重;各种类过滤介质的过滤速度和过滤压力之间呈线性关系,过滤介质单位面积质量越大或过滤精度越高,其透水、抗堵塞性能越差,截污能力越强;以单位面积质量为300 g/m2的土工布作为过滤介质时,出水满足国标《城市污水再生利用 景观环境用水水质》(GB/T 18921—2019)要求;梯度过滤工艺相较于单级梯度过滤工艺能有效改善梯度过滤系统的抗堵塞性能和截污性能,以150目规格尼龙网作为第一级梯度过滤介质、以300 g/m2土工布作为第二级过滤介质时,梯度过滤系统抗堵塞性能、污染物截污性能最佳.
    • 农业水土工程
  • 农业水土工程
    2种土壤地下滴灌滴头流量变化规律及对入渗空腔的响应
    田作坤,杨婷,陈瑞,何秋,王夺,王剑*
    2024, 42(7): 728-735. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0103
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    为研究入渗空腔对地下滴灌滴头流量和土水势的影响规律,通过土箱试验和数值模拟相结合的方法,对比分析了黏土和壤质砂土2种土壤灌水过程中土壤正压及滴头流量的变化规律,反演了滴头出口处空腔半径,并建立了黏土中空腔半径的计算模型.研究结果表明:相同条件下,壤质砂土中的滴头流量大于黏土中的,但变化幅度小于黏土中的;壤质砂土中土壤正压随时间变化呈上升趋势,黏土中土壤正压随时间变化呈下降趋势,受空腔影响,滴头流量与土壤正压随时间的变化趋势不存在必然关系.模拟中,壤质砂土入渗空腔半径可选择较小值或认为与滴头出口半径相同.黏土中空腔半径随滴头额定流量和容重增大而增大.相对于选用固定值,研究得到的空腔半径可以提高现有计算公式在求解滴头流量和土壤正压的精度,拟合的空腔半径经验模型可以应用于地下滴灌水力设计,同时为土壤水分入渗数值模拟的边界条件设置提供依据.
  • 农业水土工程
    长期膜下滴灌棉田土壤盐分演变规律
    高双龙,李文昊,*,王振华,李海强,
    2024, 42(7): 736-742. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0162
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    为探索棉田长期采用覆膜滴灌技术是否存在土壤积盐的问题,2009—2013年对新疆玛纳斯河灌区5块不同膜下滴灌年限盐碱地棉田土壤可溶性总盐和离子进行了连续定点监测.分析并呈现了现行灌溉制度下应用膜下滴灌技术1—16 a盐碱地棉田可溶性总盐和离子时空演变规律及盐分组成变化.结果表明:滴灌4 a内棉田属于盐土,可溶性总盐由最初的20.44 g/kg快速下降至7.98 g/kg,棉花产量及成活率快速增加.滴灌12 a以后,棉田可溶性总盐小于2.57 g/kg,棉田属于非盐化土,棉花成活率基本稳定在84.53%以上,单产超过5 100 kg/hm2.随着滴灌年限的延长,棉田土壤中的钠吸附比(SAR)和w(Cl-/SO2-4)(Cl-与SO2-4质量比的比值)逐年降低,说明现行灌溉制度下土壤碱化度逐年降低,阴、阳离子的组成也逐年发生变化, Cl-的淋洗效果优于SO2-4.
    • 排灌装备制造技术
  • 排灌装备制造技术
    面向栽培基质的二氧化钛电极EGFET pH传感器设计
    张西良,高涵,张家祺,徐云峰*,陈成,陆海燕
    2024, 42(7): 743-748. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0058
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    针对农业生产中栽培基质直接在线检测pH准确性差的问题,采用化学腐蚀法,制备出具有氢离子敏感特性和超亲水特性的二氧化钛(TiO2)电极,并且采用退火工艺以提高电极表面硬度;将TiO2电极与金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)组合成基于延伸式栅极场效应晶体管(EGFET)的pH传感器.测试得到传感器灵敏度为0.050 63 V/pH,重复性试验的变异系数最大为0.005 7.测试结果表明该传感器具有良好的灵敏度、重复性和稳定性.选取4种典型栽培基质进行pH在线检测应用试验,pH检测误差的绝对值最大为0.18,经过温度补偿后误差的绝对值最大为0.11;使用后电极表面的亲水性依旧保持良好.应用试验结果表明,该传感器适用于栽培基质pH在线检测.
  • 排灌装备制造技术
    微喷带激光打孔质量评价及对喷孔流量的影响
    汪小珊,徐云成,周凌九,檀海斌,惠鑫,严海军,*
    2024, 42(7): 749-756. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0282
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    喷孔参数和流量是研究微喷带水力性能的基础.为探究微喷带喷孔结构与喷洒特性,选取了国内外2种激光打孔的加强压边型微喷带,每组组孔包含12个喷孔,利用图像处理进行了喷孔参数测量与加工质量评价,并进行了喷孔流量试验.结果表明,2种微喷带从喷孔内侧和外侧测得的面积误差均小于10%;进口微喷带和国产微喷带喷孔的平均圆度分别为0.82~0.88和0.82~0.91,进口微喷带不同组孔内相同位置喷孔的圆度偏差系数低于0.040、流量偏差系数小于0.120,而国产微喷带喷孔的圆度偏差系数和流量偏差系数的波动较大,其值分别为0.009~0.069和0.057~0.475.因此以喷孔面积和圆度为指标,可对不同激光打孔的微喷带喷孔进行评价,当喷孔面积的波动范围和圆度偏差系数较小时,微喷带不同组孔内相同位置的喷孔流量差异性较小.