排灌机械工程学报

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泵理论与技术

串列叶片结构对离心泵空化性能的影响

赵伟国^{1, 2}, 杨良¹, 李家豪¹, 石晓亮¹

2025, 43(1): 1-8. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0115

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为改善低比转数离心泵的空化性能,设计了一种串列叶片结构的叶轮模型,采用修正的SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型对离心泵进行瞬态的数值分析,并通过外特性试验和空化试验对算法进行验证,通过对比原模型与串列叶片叶轮模型的外特性与空化特性以及叶轮内的流场结构、压力分布、湍动能分布、空泡体积和压力脉动情况,分析串列叶片结构对离心泵空化性能的影响.结果表明:串列叶片结构对离心泵的外特性影响较小,但在空化发展和严重阶段抑制了空泡的产生,改善了泵的空化性能;同时抑制了空化初生阶段的高湍动能区域的扩张,削弱了空化发展和严重阶段叶轮出口湍动能强度,减少了旋转叶轮周围形成的低压区;降低了空化发展和严重阶段时蜗壳隔舌处的压力脉动主频幅值,对空化诱导产生的噪声和喘振起到抑制作用,可使泵的运行更加稳定.

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泵理论与技术

前置宽体竖井进水流道水泵装置特性

陈加琦¹, 周正富¹, 施伟², 倪春², 鲁健², 于贤磊², 肖正友¹

2025, 43(1): 9-16.

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为解决水泵机组设备布置与泵装置性能优化之间的矛盾,提出宽体竖井设计方法.基于三维湍流数值计算方法和熵产理论,比较了宽体竖井进水流道与2个常见的尖锥形竖井进水流道的水力特性.设计制作宽体竖井进水流道水泵装置模型,并试验测试5个叶片角下泵装置的能量特性、空化特性和飞逸特性.结果表明:宽体竖井方案与其他2个方案的内流场相似,在设计流量工况下流速均匀度均为95%左右,加权平均角度均大于89°;不同流量工况下,3种方案水力损失均接近,竖井前段熵产仅占后段的7.470%,竖井前段宽体型线对流道能量耗散无影响;当叶片角为0°时,水泵装置效率最高达79.19%;5个叶片角的泵装置临界空化余量均小于6.0 m;当叶片角为-6°时,扬程为2.36 m的最大飞逸转速为278.6 r/min;宽体竖井的水力特性与常规竖井相近,具有可同时满足设备布置与泵装置性能需求的特点.

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泵理论与技术

透平式能量回收一体机轴向力特性

高鸿, 杨港, 丁竞飞, 张德胜

2025, 43(1): 17-23. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0062

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为研究透平式能量回收一体机的转子系统轴向窜动平衡轴向力特性,应用雷诺时均法(RANS)并采用SST k-ω模型对一体机进行了全流场数值模拟计算,分析了轴向间隙尺寸变化对一体机水力性能的影响,获得了一体机在5组轴向间隙尺寸下的内流特性及轴向力变化特性.结果表明:轴向间隙尺寸对透平端的间隙泄漏流影响较大,增大轴向间隙可使透平端效率最大下降8%,而泵端水力性能所受影响较小,基本保持不变;在额定工况下,随着轴向间隙尺寸增大,透平端前腔体内平均压力最终下降0.37 MPa,一体机转子系统的轴向力指向透平端,轴向力值增大5 kN左右.研究结果可为透平式能量回收一体机设计和运行提供理论指导.

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泵理论与技术

配肥注肥用蠕动泵滑靴结构优化和性能试验

刘青松, 刘俊萍, 王鑫建, 温兴斌

2025, 43(1): 24-30. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0264

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基于蠕动泵配肥注肥一体化装置,针对蠕动泵在工作过程中由回流现象导致装置配肥注肥精度降低的问题,对蠕动泵中滑靴结构进行优化,并开展水力性能试验,以揭示关键结构参数对配肥流量、泵管温度、瞬时流量、回流系数的影响规律.研究结果表明:在相同蠕动泵转速条件下,随着滑靴半径增大,配肥流量逐渐减小,而泵管温度逐渐增大,在半径为37.5 mm时达到最大值,为51.3 ℃,平均回流系数先减小再增大,在半径为30.0 mm时达到最小值,为0.56;在相同滑靴半径条件下,随着蠕动泵转速增大,配肥流量逐渐增大,瞬时流量呈先增大再减小的趋势,泵管温度先急剧上升,后趋于稳定,而回流系数呈先减小后增大再减小的趋势;采用综合评分法和熵权法进行分析,获得最优滑靴半径为30.0 mm,灌溉系统工作中蠕动泵转速为30 r/min.研究结果可为水肥一体化装置提高施肥精准性提供一定依据.

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泵理论与技术

基于准稳态过程的混流泵启动性能优化

李伟^{1, 2}, 杨毅¹, 李硕¹, 刘明江¹, 齐寒东¹

2025, 43(1): 31-37.

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在ANSYS Workbench的基础上结合OptiSLang优化设计软件,对混流泵启动过程进行优化.利用准稳态理论和全流域模型计算数据,建立了混流泵准稳态启动过程的水力性能响应面替代模型.通过NSGA遗传算法优化内部流动状态,降低启动过程中的涡致能量损失,从而提升混流泵的水力性能.将原始混流泵与优化后混流泵的外特性、叶片压力分布进行对比,并分析混流泵内部涡结构,验证了所提出的准稳态启动过程水力性能优化方案的可行性.研究结果表明:叶片进口安放角α₁,α₄,α₅,叶片出口安放角β₁,β₂,β₃,β₄,β₅,叶片包角φ和叶片厚度系数θ对混流泵加权平均扬程和加权平均效率的影响程度较大;对比不同启动时刻下混流泵的叶片压力分布,发现该方法能够有效提升混流泵启动中后期的瞬态扬程和启动中期的水力效率.

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水利水电工程

基于EEMD结合LCTDBO-BP的水泵机组故障诊断

吕顺利¹, 曾云¹, 李想¹, 张兼博¹, 汪洋², 赵翔宽³

2025, 43(1): 38-44.

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水泵机组振动信号的诊断对机组安全稳定运行至关重要.基于现有技术存在的诸多问题,提出一种基于EEMD分解融合多尺度排列熵和多策略优化算法结合的水泵机组故障诊断模型.利用EEMD对原始信号进行分解并进行重构,然后计算重构信号的多尺度排列熵组作为特征集,最后建立DBO-BP故障诊断模型.针对DBO算法易陷入局部最优解和迭代速度慢等问题,采用莱维飞行、混沌映射和自适应t分布3种方法对蜣螂算法进行优化,最终得到LCTDBO-BP的新模型.为探究优化后模型的性能,引入多种维度的函数进行再次分析.结果表明,在单峰和多峰函数下,所提模型具有明显的优越性.同时利用转子故障平台数据模拟水泵机组典型故障并进行故障分类验证,仿真结果表明该模型的准确度达到了98%,与未优化模型对比提高了8%.该项研究为水泵机组故障诊断提供了新的手段.

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水利水电工程

养护温度与沙漠砂替代率对机制砂混凝土抗压强度与孔结构的影响

郭雨雨¹, 周海龙¹, 张洁², 韩长君¹, 王海龙¹

2025, 43(1): 45-52.

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为探究不同养护温度下沙漠砂替代率对机制砂混凝土抗压强度及孔结构的影响规律,试验选用不同比例的沙漠砂替代机制砂用作细骨料配制C40混凝土.测试不同沙漠砂替代率下混凝土的抗压强度,借助SEM,XRD、核磁共振等测试手段分析不同养护温度下,混凝土水化产物、微观形貌及孔结构.结果表明:标准养护下沙漠砂体积替代率为30%时,混凝土抗压强度最高;沙漠砂替代机制砂降低了混凝土低温养护下7 d强度损失率,减缓了高温水泥水化的速率;30%的沙漠砂替代机制砂,改善了骨料的颗粒级配,优化了混凝土内部的孔隙结构,从而提高了体系的密实性;考虑到混凝土孔隙结构的复杂性,引入分形维数间接评价混凝土的孔隙特征,其分形维数具有分段性;将分形维数与孔径分布进行线性拟合,分形维数与无害孔呈正比关系,与多害孔呈反比关系.该研究可为10~30 ℃养护下混合砂混凝土的研究与实践提供一定的参考.

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水利水电工程

混合砂混凝土加速盐侵蚀作用的孔隙结构分析

高猛, 姚占全, 王海龙

2025, 43(1): 53-59. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0120

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为探究不同环境工况条件下加速硫酸盐侵蚀混合砂混凝土内部孔隙结构的变化规律,通过初始损伤、复合盐、冻融循环、干湿循环、多倍浓度和高温环境工况条件下硫酸盐侵蚀混合砂混凝土试验,结果表明:不同环境工况下硫酸盐侵蚀作用对混合砂混凝土内部的孔隙结构变化规律影响不同,随着侵蚀周期的增加,除多倍浓度与复合盐工况下无害孔呈现略有增加外,其余工况下无害孔和少害孔占比总体均呈现降低趋势;与对照组相比,多倍浓度、初始损伤和冻融循环工况下无害孔占比减少,而复合盐、高温和干湿循环工况下无害孔占比相对增多,初始损伤和高温工况下多害孔占比大幅增多而其余工况多害孔占比均减少;与对照组相比,干湿循环工况条件下孔隙度最大提升32%,多倍浓度工况条件下平均孔径最大提升3 255.4%,初始损伤工况条件下,束缚流体饱和度损伤量和自由流体饱和度的增大量最大.

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水利水电工程

基于泵阀联合调节的供暖系统节能优化运行

李晨¹, 仇宝云², 严天序³, 王慧洁¹, 赵方玲¹, 戚桂鹏¹

2025, 43(1): 60-65.

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针对居民楼供暖系统,目前的研究未实现时空精细划分控制,供暖质量差、能耗大.为满足人们供暖热舒适性需求和节能减排的目标,通过理论分析和优化调节,对居民楼供暖进行分时分区控制,实现精细化供暖.首先,根据不同时段楼栋各功能区域供暖要求,计算确定居民楼分区分时最佳供暖量;其次,根据供暖系统传热特性、管路及阀门阻力特性和离心泵性能,在满足精准供暖要求的前提下,建立系统热平衡方程和变阀、变频、变频与变阀结合的系统水力平衡方程组,求解系统各出户阀门阻力和最优水泵变频转速.对郑州市某居民楼进行了供暖优化运行计算,分析比较了原设计供暖模式、变阀、变频、变频与变阀结合调节4种供暖模式的能耗,结果表明,相对于原设计运行方案,变阀优化运行、变频优化运行和变频与变阀结合优化运行的能耗分别节省12%,18%和37%;供暖量分别节省4%,20%和20%;总运行费用分别节省12%,18%和35%.

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流体工程

梯形墩-悬栅消力池水力特性数值模拟

俞晓伟^{1, 2}, 牧振伟^{1, 2}, 高尚^{1, 2}

2025, 43(1): 66-73.

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针对低弗劳德数水跃消能问题,以消力池内布置的梯形墩-悬栅联合消能工为研究对象,采用RNG k-ε湍流模型和VOF法进行数值模拟,研究消力池内水力特性和消能效果.结果表明:梯形墩可有效降低消力池底板压强和入池临底流速,墩后压强低于100 Pa,流速降至0.20 m/s时,随着Fr增大,压强和流速分布改善效果越显著;消力池内涡量强度最大值位于陡坡段水跃旋滚区,该区域存在明显涡核,为能量耗散主要区域,梯形墩和悬栅区域涡结构间断分布,属于弱涡结构,能量部分耗散;梯形墩-悬栅联合消力池中能量耗散主要由水跃能量耗散、梯形墩剪切耗散和悬栅沿程耗散组成,3种工况下消能率较传统消力池分别提升4.49%,9.74%,9.79%,充分发挥出联合消能工叠加消能的效果,研究结果可为类似工程消能工设计研究提供一定的参考.

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流体工程

基于VOF模型的真空引水罐内流动特性

王欢, 赵睿杰, 李红, 杨帆, 潘绪伟

2025, 43(1): 74-79.

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为解决真空引水罐出口气体流出问题,探究罐内气液两相流动机理,基于RNG k-ε湍流模型和VOF模型对真空引水罐进行计算,对不同初始状态下真空引水罐内的气液两相交界面形态、出口管气体流出量以及出口管内流动状态进行分析,讨论了真空引水罐内初始状态对罐内流场的影响,总结了罐内水位对内部流场及出口管的作用关系.结果显示:当初始水位远高于进水管时会大幅优化真空引水罐内流场;与原初始水位相比,罐内气液两相交界面的交互作用减少;气体流出量体积分数峰值从最初的6.916%降至0.106%,平均值从3.442%降至0.027%;出口管流态得到明显改善,顶部低压区域减少.研究结果表明初始水位的变化会影响真空引水罐内流场特性、气体流出量及出口管流态,为深入认识真空引水罐内部流动及真空引水罐的设计提供了数据支撑.

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流体工程

不同植物穿孔板结构的水输运特性分析

伍根生¹, 苏桐¹, 谢建军¹, 陈伟宇¹, 袁志山²

2025, 43(1): 80-86.

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为揭示木质部穿孔板几何分布及结构参数对导管水输运的影响,采用计算流体动力学方法构建了植物微结构流体模型,并结合伯努利方程,基于低雷诺数k-ε湍流物理场,研究3种穿孔板结构内部微流动机理.通过压力差、流动阻力系数及水力传导率的变化分析导管内径、穿孔板种类、倾斜角、孔数及等效直径比对导管水输运的影响规律.结果表明:相较内径40 μm,穿孔板倾斜角20°、等效直径比0.84的单穿孔板导管,网状穿孔板导管压力差增大了44.2%,流动阻力系数增大了53.3%;梯状穿孔板导管压力差增大了76.5%,流动阻力系数增大了92.3%.相同参数下,导管压力差及流动阻力系数与导管内径、穿孔板倾斜角及等效直径比成反比,与穿孔板孔数成正比.其中,单穿孔板倾斜角对导管水输运特性影响较小.3种导管水力传导率按孔板排序从大到小依次为单穿孔板、网状穿孔板和梯状穿孔板.内径越大的导管水力传导率越高.

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流体工程

基于中尺度模式的大气稳定性对风电场运行特性

乐可定¹, 郁冶², 王异成³, 吴春雷⁴, 王强^{4, 5}, 罗坤^{4, 5}, 樊建人^{4, 5}

2025, 43(1): 87-93. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.22.0241

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为了了解大气稳定性决定的风速廓线分布对风电场运行特性的影响,基于耦合风电场参数化方案的数值天气预报模式,探索了不同大气稳定性下大型风电场的尾流效应和风力机功率输出规律.结果表明:风电场在稳定大气边界条件下具有明显的尾流效应,随着大气由非稳定性转为强稳定性,尾流呈现加强趋势.另外,上下游风电场的相互干扰在稳定大气边界层下较为明显;功率输出方面,稳定边界条件下风电场功率输出较平均功率高了约4%,而不稳定边界层下低于平均功率输出约9%.此外,地表切应力和大气稳定强度对风力机功率输出影响显著,在不稳定大气边界条件下,大气稳定度可以作为风功率的评估参数,因此传统上仅考虑风切变对功率的影响是片面的.

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排灌装备制造技术

自走式喷杆喷雾机喷雾沉积特性试验研究

朱兴业¹, 赵莹¹, 李向阳², 钱兆¹, 刘俊萍¹

2025, 43(1): 94-100.

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为了探究各因素对喷杆喷雾机喷雾沉积的影响规律,进一步提高自走式喷杆喷雾机的作业效率,使用Box-Behnken响应面法,分析并得到前进速度v、工作高度h和喷雾压力p等影响因素与喷雾沉积特性的数学模型,根据回归分析结果得出各影响因素对喷雾沉积特性的影响程度以及喷雾机最佳工作参数.结果表明:前进速度、工作高度和喷雾压力均对喷雾沉积特性有显著影响,影响程度按因素排序由大到小为喷雾压力,工作高度,前进速度.单位面积雾滴沉积量均值与前进速度和喷头工作高度成负相关,与喷雾压力成正相关.沉积量变异系数与喷雾压力成负相关,与前进速度成正相关,与工作高度的增加呈先减小后增大的趋势,这说明在工作高度一定的情况下,增大喷雾压力或者减小前进速度可以有效提高喷雾机的雾滴沉积均匀性.

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排灌装备制造技术

大型管网关阀优化方案及阀门开度扰动对流量均匀性影响

杨国苗¹, 李小芹^{1, 2}, 唐学林^{1, 2}, 崔春亮³, 彭致功⁴, 张兴峰¹, 封顶梁¹

2025, 43(1): 101-108.

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为解决新疆克拉玛依市大型灌溉管网关阀过程中的水锤和灌溉出流流量不均匀等问题,基于一维特征线法,利用Flowmaster软件建立管网水力模型,研究管网在不同阀门关闭规律下的瞬变流特性以及阀门开度扰动对管网流量均匀性的影响.研究结果表明:模型预测的相关水力特性与管网设计参数对比误差不超过8%,验证了模型的准确性.针对管网运行的瞬变水力特性,总阀采用20至60 min的不同总历时一阶段线性关闭规律,即使关阀时间长达 60 min,管网管段仍发生空化现象;开展关阀总历时30 min和快关10 min、快关开度分别为65%,75%,85%等不同组合的先快后慢两段关闭规律,其中快关85%、慢关15%的关闭规律下,管网管段不会产生空化,且管道内最大水锤压力小于管道设计压力.针对管网压力波动引起的流量均匀性变化,通过阀门开度扰动仿真压力波动,阀门开度由100%到90%调节后,各支管流量下降比例平均值为0.079%,流量波动较小;各出水桩流量下降比例平均值为0.074%,克里斯琴森系数为0.989 9,灌溉均匀性较好.研究结果可为大型灌溉管网的水锤防护及阀门开度扰动对管网流量均匀性分析提供一定的指导.

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