为了解管道风机流量和噪声对其性能的影响,采用涡轮转子替代传统的多翼离心转子,并结合代理模型和遗传算法优化涡轮转子的5个主要结构参数,以进一步提升涡轮风机的性能.通过拉丁超立方试验设计方法生成了100组样本,以涡轮风机的最大流量作为目标参数,结合计算流体力学建立了回归Kriging模型.随后,利用遗传算法对回归Kriging模型进行寻优.研究结果表明:构建的回归Kriging模型能准确地描述转子的关键设计参数与涡轮风机的最大风量之间的关系,涡轮转子的进口直径D_j及叶片出口角β₂对风机最大风量影响较大,随着数值的增加转子做功能力增强,叶片弯曲度f影响度居中,叶片数N与和进口角β₁对风机最大风量影响较小;优化后的转子使得风机在相同转速下的最大风量提高了22.4%,流量为220 m³/h下噪声下降4.00 dB.

为探究叶片后掠角对燃油泵空化性能的影响规律,以某型号螺旋离心式燃油泵为研究对象,设计了5种不同后掠角θ_i的叶轮模型(θ_i=20°,40°,60°,80°,100°).基于RANS的两方程模型和Zwart空化模型,利用ANSYS CFX软件进行内流场模拟,并通过与试验结果对比验证了数值计算方法的可靠性.研究结果表明,后掠角系数与相对空化系数NPSH_r^*呈三次函数关系,且NPSH_r^*随着后掠角的增大呈先减小后增大的趋势.在其他设计参数不变的前提下,当叶片进口边后掠角系数θ^*为0.32时,燃油泵的NPSH_r^*出现最小值0.79,此时螺旋离心式燃油泵的抗空化性能最佳.可见,螺旋离心式燃油泵采用叶片后掠设计可以抑制空泡的产生和发展,研究结果为优化螺旋离心式燃油泵设计提供了理论依据.

采用选区激光熔化(SLM)增材制造技术以成形高强轻质2095铝锂合金,系统探究了激光能量密度对其成形质量、微观组织演化及室温拉伸力学性能的影响规律.利用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)详细表征了试样的冶金缺陷(如孔隙、裂纹)分布、熔池形貌及微观组织结构;结合X射线衍射(XRD)技术确定了物相组成.采用电子万能试验机对试样进行了准静态室温拉伸性能测试,获取了抗拉强度(UTS)和延伸率(EL)等关键力学性能指标.研究结果表明,在优化的激光能量密度为625.0 J/mm³时,试样实现了最高致密度(98.6%),并获得了最优的综合拉伸性能,其抗拉强度达到233.59 MPa,延伸率为7.42%.该能量密度条件有效抑制了冶金缺陷的形成,促进了组织的均匀致密化.综上所述,文中研究通过系统试验明确了激光能量密度与SLM成形2095铝锂合金微观组织及力学性能的关联机制,成功确定了获得高致密度与优异力学性能的最佳工艺窗口,为SLM技术在该合金制造领域的应用提供了重要的工艺依据.

为了探究叶片数对无轴泵喷推进器空化诱导噪声的影响,基于球形空泡辐射理论,对不同叶片数下的无轴泵喷推进器内空泡体积脉动噪声进行求解计算,并基于试验结果验证了计算方法的准确性.结果表明:在相同空化数下,随着叶片数的增加,无轴泵喷推进器内空化程度降低,空泡体积脉动噪声的总声压级呈现增大的趋势;随着空化数的减小,无轴泵喷推进器的空泡体积增大,空泡脉动噪声的总声压级增幅也逐渐增大,在空化数为4.07时,较5叶片推进器,7叶片总声压级增幅为14.03%.在空化数为6.77时,7叶片总声压级增幅为12.37%.研究表明,减小叶片数有助于减小无轴泵喷推进器空泡脉动辐射噪声.

为探究多级离心泵反转作透平(PAT)内部压力波的演化规律、传播特性以及其与瞬态流动结构的关系,以11级PAT为研究对象,采用k-ε湍流模型进行全流道三维非定常数值模拟,并应用小波变换分析各级关键点的压力脉动信号.结果表明:由动静干涉主导的叶频(f_BPF)及其倍频是各级压力脉动的核心频谱成分;压力脉动幅值呈现显著的逐级累积增大趋势,且存在明显的相位叠加现象,特别是在第8级叶轮流道内发生的峰对峰叠加导致该处峰峰值异常增大;在同一级转轮流道,压力脉动幅值沿流动方向逐渐减小;随着压力波向后续级传递,各频率段幅值均大幅上升,低频分量增多,主频从第1级进口的f_BPF演变为末级进口的2f_BPF与4f_BPF;压力脉动变化受动静干涉、旋涡结构及整体流动结构共同作用,BB3型结构有利于平衡轴向力,其中间级较长的导叶流道更有助于改善流场均匀性,从而在一定程度上改变了压力波逐级累积的趋势.研究结果可为掌握多级泵作透平压力波传播特性及优化其低压力脉动设计提供一定理论依据.

为了研究高温熔盐循环主泵(冷盐泵)轴系振动和变形特性,有效解决运行过程中的共振疲劳等关键问题,以新开发的某型号高温熔盐循环主泵作为研究对象,对其外特性进行数值模拟研究与试验验证,并对有无预应力作用的高温熔盐循环主泵转子系统的固有频率和振型、临界转速以及基于模态分析的谐响应分析进行了求解.结果表明:外特性数值计算结果与试验结果吻合较好,数值计算结果略高于试验结果,计算误差在5%之内;有预应力下的转子固有频率大于无预应力下转子的固有频率,增幅最高为30%,各阶振幅随阶次增加先增大后减小;计算得到的各阶模态对应的临界转速远大于转子工作转速的±10%,可知该转子系统在标准工况下运行不会发生共振;当高温熔盐循环主泵转子受到不平衡激励的作用时,第5级叶轮振幅最大,响应位移随着频率的增加先增大后减小,当频率达到第1,2阶临界转速对应的固有频率时,谐响应的响应位移达到最大值;当转子系统受到不同相位差的多个不平衡激励时,产生的响应位移幅值随着相位差的增大而减小.因此应尽量避免转子系统在第1,2阶模态对应的临界转速下工作,在转子系统安装时应使叶轮之间相位存在交错.

结合国际核电发展新形势和中国核电技术发展与战略布局,围绕核主泵的发展历程开展论述,以中国独立自主三代核电技术“华龙一号”HPR1000和“国和一号”CAP1400为例介绍了世界先进核电技术和关键设备核主泵的技术发展现状,重点针对核主泵的水力优化设计和安全性开展论述.介绍了国内外核主泵先进的水力优化设计,分析了核主泵特殊结构导致的内部复杂流动、压力脉动、涡结构的产生和控制,以及空化等不良流动现象的成因,并针对性地总结水力部件的优化设计方法.核主泵是核岛内唯一高速旋转机械,也是核安全一级设备,核主泵能否正常运转直接关乎整个核电站的安全,核主泵的完全国产化研发是困扰中国核电发展的“卡脖子”难题.因此深入研究核主泵复杂内部流动,掌握具有自主知识产权的核主泵水力优化设计方法,对中国核电技术的发展具有重要意义.

轴流泵在诸多领域应用广泛,其内部复杂空化流动对泵的性能、稳定性及寿命影响显著.文中从试验研究与数值计算2个方面回顾了轴流泵内复杂空化流动的研究进展.在试验研究中,主要介绍了高速摄影试验、激光多普勒测速等试验方法取得的进展;在数值计算中,针对多种空化、湍流模型予以详尽列举与阐述,剖析数值模拟方法的应用现状与发展脉络.综合试验和数值模拟的研究工作,围绕轴流泵内复杂空化流动,如附着片状空化、叶顶泄漏涡空化、垂直空化涡等现象,对其各自的初生、发展和溃灭过程进行了阐述,重点梳理了不同空化数、不同流量工况下,叶顶泄漏涡及其诱导的非定常空化流动特性、垂直空化涡诱导流场失稳的机理.最后,基于轴流泵内的复杂空化流动已有的相关研究成果,对未来研究进行了探讨与展望.

改进设计了一款连续流离心式心室辅助泵(Q泵),通过水力试验验证了数值计算结果的准确性,并对其与某款市场领先产品(C泵)进行性能对比分析.结果表明:与C泵相比,Q泵设计有明显改进, Q泵减少了叶片出口处的涡流形成并优化了剪切应力分布;Q泵最大标量剪切应力从91.5 Pa降低至47.8 Pa,低于C泵的数值;血液测试结果表明,Q泵的溶血指数为0.016,略高于C泵的溶血指数0.009;Q泵的活化部分凝血活酶时间为11 s,长于C泵的9 s,这表明Q泵具有更好的抗凝血特性;在多次试验中,Q泵均未观察到血栓形成现象.

为探究螺旋轴流式多相混输泵在非均匀来流条件下的气液两相分离机理,揭示高含气率工况下泵性能急剧下降至失效的流动机理,提升泵在复杂来流条件下的多相混输稳定性和效率,通过Fluent中的UDF(user-defined functions,UDF)功能对泵的进口边界条件进行非线性控制,选取线型和抛物型这2种非均匀来流边界条件,联合可视化试验,对不同来流情况下泵的外特性和流场结构进行对比分析.研究结果表明,不同非均匀来流均会使多相混输泵的性能下降,对流道内气液分离都有激化作用,并且线型来流的影响更严重.转速的增加会进一步激励泵的气液分离现象,在整个流域的轴向距离上,不同来流对气液分离激化从叶轮入口处开始,线型来流的气相从0.15L处开始充斥流道,抛物型来流的气相在0.75L分布最广.在叶片通道上,不同非均匀来流的湍动能在叶轮里分布是一致的,峰值相差1.00 m/s,在导叶里线型来流的湍动能在空间上畸变严重.非均匀来流对多相混输泵气液分离现象有激化作用,影响泵的稳定运行,研究结论为多相混输泵工程实际应用和性能优化提供理论基础.

为研究半开式卫生型离心泵在不同叶顶间隙下的能量特性,采用非定常数值模拟方法,通过外特性试验验证数值模拟方法的正确性,基于熵产理论对不同叶顶间隙下半开式离心泵的能量损失进行定性和定量分析,并讨论离心泵内能量损失产生的原因.结果表明:随着叶顶间隙的增大,泵内流动损失增大,进而导致泵外特性呈下降趋势;在较大间隙下,叶片工作面高压流体通过叶顶间隙流向叶片背面产生大量泄漏流,并与主流相互耦合形成泄漏涡,泄漏涡强度随间隙增大而变大,从而产生更大的能量损失;不同间隙下,泵内能量损失分布特征总体相似,各过流部件对应的总熵产由大到小依次为蜗壳、叶顶间隙、叶轮和进口管道,蜗壳能量损失最大,这主要是由转子与蜗壳强烈的交互耦合作用所致.研究结果可为半开式卫生型离心泵的性能改善提供一定理论支撑.

针对大型立式水泵机组主监控界面功能不全、可视化程度低的问题,基于机组运行时的信号特征,研发了一款立式水泵机组智能监测系统.该系统采用LabVIEW作为软件部分开发平台,硬件部分选用IDAQ-801和IDAQ-817快速采集卡,并首次将声音振动信号加入其中,形成具备轴系状态、声音状态和温度状态的多通道耦合监测系统.该系统具有多种高速数据记录功能,能够全方位实时监测和捕捉关键数据.这些功能包括异常状况记录、实时性能监测、趋势分析等,确保系统在运行过程中的每个细微变化都能被及时识别和保存,并支持多通道并行采集,能够同时监测多个设备或传感器的状态,形成全面的数据视图,使得后续的数据分析更加深入和全面,从而实现更加智能化的设备管理.通过实际机组运行检验,可以实现上述功能,最终实现对大型立式水泵机组智能监测系统的应用.

为降低离心泵动静干涉区域的压力脉动,设计了一种仿生正弦尾缘结构.采用试验和数值计算相结合的方法,定量研究了仿生叶片尾缘结构对离心泵压力脉动的减弱效果.引入压力脉动强度系数,获得了离心泵内部的压力脉动强度分布,对离心泵流场中的高强度压力脉动区域进行精确定位.研究结果表明:采用仿生正弦结构尾缘叶轮可以消除离心泵动静干涉区内的高频压力脉动,有效提高离心泵动静干涉流场稳定性,从而减小离心泵动静干涉区域内的压力脉动强度;仿生叶片尾缘结构还能够破除叶片尾缘大尺度涡结构,有助于改善叶片尾缘涡的不断脱落引起的流场局部振荡;与采用原始尾缘相比,采用仿生叶片尾缘结构时,离心泵动静干涉区压力脉动振幅下降了约5.7%,定量说明了仿生叶片尾缘结构的流场稳定效果.研究结果有助于改善离心泵动静干涉区域的压力脉动特性,提高泵运行稳定性.

为了明晰鱼道在建造以及组装时产生的误差对其内部水力特性的影响,针对导、隔板倾斜类误差展开研究.当前国内外竖缝式鱼道应用广泛,但在前期的鱼道工程现场勘测中,施工误差普遍存在于鱼道中,针对导、隔板倾斜类型的误差并依据现场对该误差情况的统计,采用三维数值模拟的方法,并通过物理模型试验对数学模型计算参数进行修正,在倾斜角度±15°的范围内每隔5°共测试了7种计算工况.结果表明:导、隔板倾斜(倾斜角度±15°内)后,鱼道池室内水流结构的二维特性所受影响有限且不足以造成不同规律;主流轨迹线范围增大,主流流速的衰减效果更加明显;目标导、隔板竖缝处的紊动能整体高于鱼类偏好紊动能上限,高总水力应变的分布范围明显增大,且有随着导、隔板倾斜幅度增大而增大的趋势;目标导、隔板下游竖缝平均流速有所升高.

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%.

以轴流式核主泵为研究对象,采用数值模拟和试验验证相结合的方法,计算模型为SST k-ω湍流模型,重点选取了0.9Q,1.0Q与1.1Q工况,对轴流式核主泵内部流动特性进行分析,综合性能试验台完成试验验证.在分析计算结果时,重点考察了泵出口中心截面的速度流线图和速度分布的云图,以此来深入探讨泵在不同流量条件下内部流动模式的差异及其演变趋势;提取叶轮与导叶叶片通道回转面的压力速度云图、叶轮叶片与导叶叶片的压力载荷曲线,对比分析不同流量下泵内部流动结构及其变化规律,进一步揭示叶轮和导叶内的流动分布及能量转换机制.通过试验对数值计算开展了对比验证,计算结果与试验结果基本吻合,扬程模拟值比试验值低3.87%,效率模拟值比试验值低1.94%.本研究深入揭示了轴流式核主泵内部流动特性,对充分认识核主泵水力结构与内部流动关联性至关重要,为轴流式核主泵的设计和性能优化提供参考依据.

为研究1 000 MW混流式水轮机组多工况运行时产生的水力损失,使用SST k-ω湍流模型进行数值模拟计算.根据热力学第二定律,基于熵产理论对3种常见出力工况下的水轮机进行水力损失研究,主要是对流动过程中的熵产分布和流场进行分析,从而得到水力损失的具体空间分布情况.研究结果表明:湍流熵产和壁面熵产占水轮机系统总熵产的99%以上,时均速度引起的直接熵产几乎可以忽略不计.熵产主要集中在导叶、转轮和尾水管3个部件,导叶无叶区的高速流动造成较大速度梯度,使得高局部熵产(LEPR)出现在无叶区.转轮内的回流、流动分离等不稳定流动,使得高LEPR区出现在转轮叶片的前缘和尾缘处.尾水管在额定出力下流态最好,偏额定出力工况会在直锥段出现螺旋状涡带或直柱状涡带,且在靠近入口的直锥段中心出现局部回流,导致高LEPR区出现在此处.导叶和转轮在超出力工况产生较大的水力损失,尾水管则在低出力工况下的水力损失较大.

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.

为了提高流体介质的湍流强度和混合效率,将搅拌机的叶片表面设计为台阶状,将常规叶片叶轮和台阶式叶片叶轮置于圆柱直筒内,通过速度场分布、冷热水混合以及固液混合分析,进行初步的模型对比验证,再将2种形式的叶片叶轮应用至实际高效沉淀池,通过1∶1仿真得到如下结论: 台阶式叶片的表面边界层区域能够产生更为剧烈的湍流结构,在每级台阶的迎水面前方均存在回流旋涡,其流态特性极为复杂,有利于促进局部的混合反应;伴随着大量能量输入,各相介质受到台阶面的冲击挤压作用,使得冷热水和固液两相的混合效果更为均匀,这一效应在低转速(60 r/min)的模拟中表现得尤为显著;在实际高效沉淀池的仿真中,56 r/min转速下,采用台阶式叶片时,絮凝区流场的平均流速为0.152 m/s,采用常规叶片时平均流速为0.137 m/s,且台阶叶片的湍流动能耗散要明显高于后者.因此,在转速较低的应用场景中,台阶式叶片的混合搅拌效果要明显优于常规叶片,研究结果对优化混凝工艺具有积极的意义,为新式搅拌叶轮的开发,特供了一种设计思路.