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    2024, 42(8): 1.
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    2024, 42(8): 2.
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    • 泵理论与技术
  • 泵理论与技术
    双吸离心泵变频调速过程中叶轮的径向力特性
    何川, 赖喜德, 陈小明, 刘雪垠, 宋冬梅
    2024, 42(8): 757-763.
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    为研究离心泵在变频调节过程中叶轮的受力特性,以某一单级双吸泵离心泵为研究对象,对其在“线性”及“非线性”2种变转速调节规律下泵内流场进行数值模拟,分析变转速过程中叶轮所受径向力及其流道内压力变化.结果表明:不同的变转速过程,转速变化率对径向力变化出现差异起主导作用;2种变转速过程中径向力在圆周方向的矢量分布呈现略微差异,非线性变化时各方向受力更加均匀,更利于设备稳定运行;相比不同时刻所对应的定转速工况,变速工况下径向力均偏大,在0.11 s时刻最为明显,且非线性变化过程径向力值增幅更大,达到534 N;在变频调节过程中,径向力的脉动频率以低频为主;相比于其他部位,叶轮出口的压力变化较明显,引起叶轮叶轮出口受力变化,是影响径向力大小的直接因素.
  • 泵理论与技术
    基于放大机构的压电叠堆泵设计分析及试验
    陈凤, 赵凯, 纪晶, 胡笑奇, 杨晓斌, 胡彩旗
    2024, 42(8): 764-770. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0079
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    为了克服压电叠堆输出位移较小、对泵振子泵送能力弱的缺点,综合杠杆铰链与三角形铰链结构性能优点,提出基于放大机构的压电叠堆泵,分别开展理论放大倍数分析、ANSYS仿真分析、流固耦合分析及泵送性能试验测定研究.结果表明,压电叠堆泵仿真放大倍数为20.3,与理论计算值相对误差为11.7%;ANSYS仿真分析表明,泵振子的二阶频率对应的弯振为最佳振型,该振型对应的工作频率为1 356.3 Hz,在该工作频率下对压电叠堆泵进行流固耦合分析,得出泵送流量为41.78 mL/min.在上述研究分析的基础上试制压电叠堆泵样机并进行泵送性能试验,发现在驱动电压50 V下,测得泵送流量为32.5 mL/min,仿真流量与试验流量相对误差为28.5%,进而分析了误差产生的原因,最大压差值为13.7 mm.试验结果具有良好的稳定性,验证了仿真数据结果的可靠性,可为压电泵新型放大机构和压电叠堆驱动方式的进一步研究提供可靠参考.
    • 流体工程
  • 流体工程
    具有前缘凹凸结构的组合翼型优化设计及其气动特性分析
    陈坤*,贵红亮,赵培尧,冯文慧,郝振华
    2024, 42(8): 771-777. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0056
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    为了不断探索翼型改型的方法和提高翼型的气动性能,将传统翼型与生物翼型进行轮廓修型设计得到组合翼型,通过数值模拟的方法对组合翼型进行气动特性分析.同时,对组合翼型进行前缘凹凸结构优化设计,采用正交试验优选出气动特性表现最优的参数,并对最优前缘组合翼型进行气动特性分析.研究发现:相比标准NACA64-618翼型,组合翼型在小范围攻角有着较高的升力系数,升力系数最大提高了7.3%,此外,具有前缘凹凸结构的前缘组合翼型升阻比最大提高了9.89%.组合翼型的弯度前移使得吸力面负压峰值区域面积增大,翼型上下表面压差增大,进而提高了气动性能;前缘组合翼型由于前缘凹凸结构的存在,在翼型吸力面靠近尾缘处,形成一对反向这样旋涡,增加了流体在翼型表面覆盖的面积,抑制了流动分离的提前发生,进而达到失速延迟的效能.
  • 流体工程
    风电场功率预测的研究进展及发展趋势
    李根银,郁冶,王异成,何嘉桦,王强,罗坤,*,樊建人,
    2024, 42(8): 778-784. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0197
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    风电场功率预测可以有效地帮助平衡系统电力供应和负荷需求,从而降低风电功率波动性、不确定性对电力系统稳定性的影响.随着风电接入电力系统的比例增加,如何准确地预测风电场发电功率成为一大难点,将影响风电场并网运行.由此,系统总结了近些年来国内外学者在风电场功率预测方面的研究进展.首先,以预测时间尺度、预测物理量、预测原理、预测特点为分类标准,对多种风电场功率预测方法进行了分类梳理,总结了各类预测方法的研究情况,阐述了其特点及应用场景,为预测模型的选择提供了参考.之后,从单点预测、概率预测、预测曲线的角度总结了预测效果的评价指标,并就评价指标的选择给出建议.最后,总结了当前风电场功率预测全过程遇到的影响预测准确性、实用性的关键因素,提出了未来风电场功率预测可能的发展趋势,为准确预测风电场功率及电网的稳定并网运行提供了参考.
  • 流体工程
    过滤双流体模型的水平管道内稠油输送数值模拟
    陈羽佳,王淑彦*,邵宝力,袁子涵,谢磊,马一玫
    2024, 42(8): 785-793. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0125
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    针对介观尺度下蜡晶颗粒聚团在管壁形成宏观尺度下石蜡层的现象,采用过滤双流体模型研究水平管道输送伴有固态沥青质的稠油的液固两相流流动和传热特性.对比均匀结构曳力模型和亚格子曳力模型的模拟结果,获得了颗粒相时均体积分数、颗粒相压力和过滤传热系数修正系数等参数分布规律.同时分析了壁面温度对稠油温度分布和传热的影响.结果表明:与均匀模型Gidaspow model相比,过滤模型能够揭示蜡晶颗粒非均匀流动结构对液固两相流的变化规律.Filtered model II的结果更加接近于试验结果,Filtered model II的结果随着蜡晶颗粒体积分数的增加而减小.当蜡晶颗粒相体积分数增加到12%时,加入壁面修正的亚格子模型的误差仅为4.1%.而ZAMBRANO等人模拟结果与试验压降的误差为12.9%.亚格子尺度模型能够详细地再现沥青质颗粒聚团的介观尺度流动行为,为稠油输送过程中的蜡晶聚集以及流动过程的预测提供了新的方法.
  • 流体工程
    Experimental study of erosion wear on hydrofoils with emphasis on wear morphology
    ZHONG Qinqin,QIAN Zhongdong
    2024, 42(8): 794-801. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0139
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    Erosion wear is a major challenge for hydraulic machinery operating in sedimentladen rivers. The results shows four main wear morphologies on the hydrofoil which includes pits, smooth grooves, sharp grooves, and scratches. Additionally, we could also observe iridescent rings and ripple patterns. On the leading edge of the hydrofoil, we can mainly observe pits and smooth grooves. We as well discover all four wear morphologies and iridescent rings in the middle. on the trailing edge, we see pits, sharp grooves, and ripple patterns. The dominant wear mechanisms and sub-mechanisms on the hydrofoil are surface fatigue (indenting), abrasion (microploughing, micro-cutting, and sliding), and tribochemical reactions (heating).
    • 水利水电工程
  • 水利水电工程
    泥沙粒径对轴流式水轮机磨损特性的影响
    王彤,李晓飞,郭鹏程*,张健,范文睿,陈红吉
    2024, 42(8): 802-809. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0165
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    为了明确轴流式水轮机泥沙磨损特性,以某电站水轮机为研究对象,基于欧拉-拉格朗日多相流模型开展了固液两相流动数值研究,重点关注泥沙粒径对机组过流部件表面侵蚀率和侵蚀分布的影响.研究发现,叶片正、背面轮缘附近为泥沙磨损高风险区.随着泥沙粒径增大,叶片正面侵蚀程度加剧,背面侵蚀程度减小,磨损区域逐渐集中在轮缘附近;颗粒受泄漏涡影响在转轮室壁面形成沿旋转方向的条状侵蚀痕迹;尾水管锥管段侵蚀率逐渐降低,不同出口流道磨损程度的差异性增大,泥沙颗粒在锥管段形成沿泄漏涡延伸方向的带状螺旋侵蚀痕迹.在运行过程中,磨损程度最大的部件是尾水管,其次为转轮和转轮室,应避免机组长时间在过小或者过大泥沙粒径条件下运行,检修时应重点关注转轮叶片和转轮室的泥沙磨损情况.研究归纳出轴流式机组运行过程中的泥沙磨损高风险区,可为水轮机各过流部件泥沙磨损的定量分析提供一定参考,有助于合理安排机组检修周期,同时为轴流式水轮机进一步优化设计提供理论基础.
  • 水利水电工程
    改进VSG有功和无功双回路的协同反馈控制策略
    王芳芳,曾云,钱晶
    2024, 42(8): 810-817. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0281
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    为了减缓可再生能源入网时会产生的功率振荡问题,提出了一种虚拟同步发电机(VSG)控制回路的改进方法.分析了现有模型,并对有功和无功控制回路进行了详细说明.在传统下垂控制的基础上引入协同控制理论,设计了有功和无功部分的协同控制器,将对应控制器的输出以负反馈的形式分别添加到2个控制回路中,完成了对原有模型的改进.该方法通过宏变量中的状态变量建立了有功和无功控制回路之间的参数联系,实现了2个回路的协同控制.与原有模型的控制结果进行了对比,结果表明,增加反馈环节可以减小虚拟同步发电机的输出功率和频率振荡,证明了该策略的有效性.与单反馈协同控制相比,双反馈协同控制形式在三相短路故障情况下能进一步减小系统的输出超调量,且状态变量均能在0.5 s内实现稳定控制.对协同控制参数影响的分析为后期参数的选取提供了参考.
  • 水利水电工程
    碱激发煤矸石粉对砒砂岩水泥复合土强度影响的试验研究
    李大虎,李晓丽,王重阳,赵晓泽
    2024, 42(8): 818-825. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0182
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    为了降低砒砂岩区严重的水土流失,促进松散砒砂岩的有效利用,同时提高废弃煤矸石的利用率.借助X衍射、扫描电镜、热重和压汞等试验方法,从固化产物构成、微观形貌、孔隙结构演变等微观层面,揭示碱激发及煤矸石粉替代率对砒砂岩水泥复合土力学强度的影响机理.结果表明:碱的加入使得砒砂岩中的蒙脱石和煤矸石粉发生溶蚀,促进N-A-S-H和C-A-S-H凝胶的产生,使其强度增大;随着煤矸石粉替代量的增加和水泥掺量的相对降低,Ca含量降低,C-A-S-H凝胶含量下降,且N-A-S-H凝胶逐渐向无胶结性的钙(钠)菱沸石转化,导致其强度逐渐下降.当碱当量为4%,煤矸石粉替代率为7%时,煤矸石粉-砒砂岩水泥复合土孔隙率为29.20%,小孔占比为46.48%.且7 d强度可满足二级及二级以下公路底基层1.0~3.0 MPa的要求,该研究可为煤矸石粉-砒砂岩水泥复合土在道路铺设和渠道衬砌等应用中提供理论依据.
    • 农业水土工程
  • 农业水土工程
    黑土区坡耕地土壤侵蚀及水分利用效率对不同覆盖耕作模式的响应
    刘继龙,*,王志卓,曹晓强,董泽,刘倩倩,曹冉,
    2024, 42(8): 826-834. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.24.0034
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    为揭示不同覆盖耕作模式对黑土区坡耕地土壤侵蚀防治及水分利用效率的影响机制,设置顺坡免耕碎秆均匀覆盖(SM)、顺坡免耕覆盖作物(SC)、横坡免耕碎杆均匀覆盖(CM)和传统耕作(CK)4种覆盖耕作模式,研究分析黑土区坡耕地土壤水分动态变化规律,明确不同覆盖耕作模式的土壤侵蚀特征,分析不同覆盖耕作模式对水分利用效率的影响.结果表明:顺坡免耕碎杆均匀覆盖(SM)、顺坡免耕覆盖作物(SC)和横坡免耕碎杆均匀覆盖(CM)均能不同程度地增加土壤水分含量,防治土壤侵蚀和提高水分利用效率.SM处理、SC处理与CM处理较CK处理0~80 cm不同土层土壤含水率分别提高9.34%~18.20%,5.30%~9.25%和9.12%~19.84%;径流量、侵蚀量、降雨量和最大30 min雨强(I30)均与水分利用效率呈显著负相关性;SM处理、SC处理和CM处理的水分利用效率较CK处理均有提高,其增幅介于1.18%~10.76%.通过对比分析减流减蚀效果和水分利用效率,发现在防治土壤侵蚀,蓄水保墒及提高水分利用效率方面,横坡免耕碎秆均匀覆盖模式效果更好.
  • 农业水土工程
    轻度调亏涌泉根灌提高山地苹果产量、品质及水分利用效率
    汪精云,费良军*,李中杰,郝琨,刘腾
    2024, 42(8): 835-842. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0216
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    为探明陕北地区山地苹果优质高效生产的涌泉根灌灌溉模式,选择7年生山地苹果(寒富)为试材,以全生育期充分灌水为对照组CK,其灌水上、下限分别为100%Qf和85%Qf(Qf为田间持水率).在萌芽展叶期(Ⅰ期)和果实膨大期(Ⅲ期)分别设置4个灌水水平(轻度调亏灌水DIL、中度调亏灌水DIM1、偏重度调亏灌水DIM2和重度调亏灌水DIS,其灌水上、下限分别为对照组的90%,75%,60%和45%),随机区组设计,分析了陕北山地苹果光合、产量、品质和水分利用效率对调亏灌溉(regulated deficit irrigation, RDI)的响应规律.结果表明:苹果树Ⅲ期的叶片光合特性比Ⅰ期的强,且在同一物候期,与CK相比,DIL处理的光合能力差异不具有统计学意义(P>0.05),其余处理有所减弱;与CK相比,Ⅰ-DIL和Ⅲ-DIL处理的产量、灌溉水利用效率和耗水利用效率差异不具有统计学意义(P>0.05),但其余处理均有所降低;其中Ⅲ-DIL处理的产量最大(31 358 kg/hm2),其次是Ⅰ-DIL处理(31 239 kg/hm2);DIL与CK处理的综合品质较优且差异不具有统计学意义(P>0.05).因此,在山地苹果萌芽展叶期轻度调亏灌水(Ⅰ-DIL处理)和果实膨大期轻度调亏灌水(Ⅲ-DIL处理),可提高苹果的产量和品质.
    • 排灌装备制造技术
  • 排灌装备制造技术
    基于表面辐射声信号的柴油机进气及齿轮故障诊断
    李斌,林杰威,朱小龙,林耕毅,张益铭,张俊红,*
    2024, 42(8): 843-850. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0127
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    利用声振信号进行发动机故障诊断过程中,部分故障激励仅在发动机表面特定位置的振动中有较强响应,振动测点要求高,需要接触测量,部分场景难以实现.为此,提出了一种以表面辐射声为媒介、以自适应变分模态提取(adaptive variational mode extraction,AVME)进行预处理的柴油机进气故障和齿轮故障诊断方法.开展了某直列六缸重型柴油机的进气滤清器堵塞、气门间隙异常和正时齿轮损伤3类故障状态的台架试验,获取了不同故障程度下发动机表面辐射噪声.基于改进的AVME方法,实现噪声信号本征模函数(intrinsic mode function,IMF)的最优分解,通过计算IMF与原信号间的互相关系数,提取高相关IMF构成故障诊断输入.经预处理后,声信号故障特征得到有效增强,再输入到麻雀搜索算法优化支持向量机模型(support vector machine model optimized by sparrow search algorithm,SSA-SVM),进行特征参量和模型参数协同优化可以获得更好的诊断精度.试验验证表明,无需在半消声室测试,仅使用单通道声信号对3类11种程度的进气系统和齿轮故障进行诊断,前端噪声准确率最高(98.89%),顶部噪声准确率最低(88.78%);使用前、顶、后三通道噪声数据后,诊断精度可提升至99.57%.研究结论为基于声信号等非接触测量的发动机故障诊断提供了参考.
  • 排灌装备制造技术
    磁通反向永磁振镜电动机优化设计与分析
    杜怿,刘洋,肖凤*
    2024, 42(8): 851-857.
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    文中提出了一种具有不等定子齿宽的磁通反向永磁振镜电动机,通过敏感度分析,选取大定子齿宽、小定子齿宽、转子齿宽和槽肩宽4个参数作为影响因素,以转矩密度、转矩变化率、齿槽转矩和电感为优化目标,采用田口法进行正交试验分析,获得不同因素水平下的目标响应,并结合灰色关联法,将多目标优化转化为单目标优化问题,实现了电动机的最优设计.通过电动机性能的对比分析,验证了所提出电动机的优越性和优化设计方法的有效性.
  • 排灌装备制造技术
    激光冲击与热处理复合处理对GH4169合金抗高温氧化性能的影响
    张登,朱亚宁,杨培毅,蔡杰,花银群,*
    2024, 42(8): 858-864. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0060
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    为评估GH4169合金在服役工况中的抗高温氧化行为,对激光冲击(laser shock peening, LSP)、热处理和激光冲击与热处理复合工艺下GH4169合金进行抗高温氧化性能测试.使用透射电子显微镜(TEM)对各处理下GH4169合金的微观形貌进行分析,并通过X射线衍射(XRD)表征其氧化物组成,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)对高温氧化后试样的表面形貌、截面形貌以及氧化产物成分进行分析.研究结果表明,激光冲击诱导的位错和晶粒细化加速了前期氧化膜的形成,同时热处理作用下产生的析出相抑制了针状尖晶石的产生,使得复合工艺下的氧化膜更加连续致密,最终结合氧化动力学曲线揭示了经激光冲击强化和热处理复合处理后氧化膜的生长机制.