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    泵理论与技术
  • 泵理论与技术
    不同叶顶间隙下进口含气率对混输泵做功性能的影响
    肖业祥, 刘洁, 李海军, 陶思佳, 史广泰
    2025, 43(3): 217-223. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0133
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    为研究不同叶顶间隙下进口含气率对多相混输泵流道内能量转换规律的影响,应用ANSYS CFX软件对多相混输泵内气液两相流动进行数值模拟,并分析混输泵内动扬程、静扬程、功率变化以及各截面能量密度的分布规律,揭示同时考虑叶顶间隙和含气率下多相混输泵内的能量转换特性.研究结果表明:叶顶间隙的增大对混输泵叶轮做功性能影响极大,当轴向系数为0.4时,混输泵在叶顶间隙为1.0,1.5 mm下分别呈现出动扬程极大值约为5,6 m;含气率的增大使得叶轮后半段静扬程逐渐减小,叶轮增压性能降低,其中在叶轮出口静扬程降低的最明显,最大下降幅度高达10.02%;随着含气率的增大,叶轮流道内的静功率和总功率均有一定提升,叶顶间隙及含气率的增大都使得流道中部功率密度较大的区域面积产生明显的增大.研究结果可为精确预测混输泵的做功性能提供一定参考.
  • 泵理论与技术
    基于叶片仿生优化的离心泵压力脉动控制
    王红超, 林言丕, 李晓俊, 朱祖超
    2025, 43(3): 224-230. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0158
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    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.
  • 泵理论与技术
    面向CFD计算的离心泵蜗壳模型优化方法
    谈明高, 蒋振清, 刘厚林, 吴贤芳, 邵晨
    2025, 43(3): 231-237. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0146
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    由于离心泵蜗壳模型结构较为复杂,在进行三维建模的过程中会进行大量复杂的几何操作,导致在CAD模型表面会出现碎面,使后续CFD计算的网格划分环节难以进行.为了解决此问题,首先对蜗壳水力图和三维模型进行分析,结合蜗壳模型中的碎面特点,给出了碎面定义;然后通过构建蜗壳CAD模型的属性邻接图,并利用拓扑信息和几何信息的映射关系实现了碎面识别;最后基于几何面的优化方法,针对蜗壳模型中存在碎面较多的曲面类型,根据其几何参数进行相应的基面构造,并使用基面对存在碎面的曲面进行拟合,完成了碎面修复.基于Open CASCADE平台实现了蜗壳优化算法,结合不同类型蜗壳应用实例证明了方法的正确性和有效性.研究成果能够为离心泵CAD/CFD一体化设计提供良好的技术支撑.
  • 泵理论与技术
    离心泵内气液两相流研究综述
    郭嫱, 费宗岳, 黄先北
    2025, 43(3): 238-246. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0171
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    针对离心泵内气液两相流的研究,详细评述了入流含气量对离心泵叶轮内气液两相流型的影响,以及各类流型下的泵性能和内部流动特点.分析了离心泵内气液两相流型的影响因素,包括泵的几何结构、尺寸、转速、流量等的影响.阐述了离心泵内气液两相流的试验研究方法,以非侵入式的试验测试技术为重点,详细讨论了高速摄影和过程层析成像技术的原理和特点,比较了2种试验技术在离心泵气液两相流中的应用现状和发展前景.总结了气液两相流的数值模拟方法,目前多以欧拉-欧拉双流体模型为基础,在考虑气泡的发展变化过程以及气泡的多尺度特性的影响下,发展出新的数值计算模型,提升了离心泵内气液两相流数值模拟的预测精度,考虑两相流的细节特征是流动仿真的发展方向.最后,总结了在气液两相流条件下改善离心泵性能的方法.
  • 泵理论与技术
    两级轴流泵系统水力特性
    关子龙, 汤方平, 王林, 陈迪, 郭华毅, 王焕, 李奉育
    2025, 43(3): 247-253. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.24.0024
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    为研究采用双叶轮和双导叶形式的两级轴流泵的水力性能,将普通轴流泵叶轮和全贯流泵叶轮串联形成两级轴流泵系统, 采用CFD数值模拟的方法,对装置在设计工况和超负荷工况下的水力性能进行研究.研究结果表明:两级轴流泵具有较宽的运行范围,同时保持较好的水力性能,最高效率可达 79.95%;在设计工况下,两级叶轮的流态都较好;在超负荷工况下,轮毂侧容易产生脱流,流动损失更大;第二级导叶的水力损失高于第一级导叶,随着转速增大,导叶上的脱流逐渐增多,湍动能也逐渐增大,影响范围从导叶逐渐扩散至整个过流部件;两级泵空化性能主要受第一级叶轮影响,在空化余量达到有效空化余量NPSHA=5.86 m后,叶片上空泡面积大幅增加,当空泡面积达到叶片面积的20%时,效率开始骤降.研究结果可为两级轴流泵优化设计及水力性能分析提供一定理论参考.
  • 泵理论与技术
    高速离心泵一体式叶轮多目标优化设计
    邓莎, 赖喜德, 陈小明, 逯广平, 刘升波
    2025, 43(3): 254-259. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0159
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    为提高高速离心泵的水力性能并保证结构紧凑和可靠性要求,在其他过流部件不变的条件下,需设计一种具有传统高速离心泵的诱导轮和叶轮功能的一体式叶轮.结合某实际工程运行参数要求,设计了3个长叶片和3个分流叶片的一体式叶轮初始模型.以提高高速离心泵的效率和降低必需空化余量为优化目标,采用Box-Behnken设计对一体式叶轮的几何参数进行显著性分析来确定叶轮优化变量.利用响应面方法建立目标函数与优化变量的代理模型,并采用NSGA-Ⅱ算法求解得到最优叶轮设计参数.结果表明:在额定流量工况下,优化设计后的叶轮高速离心泵水力效率比采用初始叶轮时提高6.23%,必需空化余量降低2.01%.同时,优化一体化叶轮不仅能有效抑制分流叶片进口吸力面侧附近的低压区,改善叶轮内部流场流态,还能减小空泡体积,将空泡体积分数最大的区域位置前移,表明本文所提的一体化叶轮多目标优化设计方法可行.
    • 流体工程
  • 流体工程
    耦合风速测量的风力机时空尾流重构
    王龙滟, 陈梦, 袁建平
    2025, 43(3): 260-267. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0202
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    为了测量风力机动态尾流详细流场信息,提出了一种物理信息深度学习方法来解决这一困境,该方法通过结合少量稀疏的激光雷达测量和流体动力学方程(Navier-Stokes方程组)来实现动态尾流的时空重构.具体而言,神经网络中嵌入流体动力学方程组来约束输出的物理量,包括顺风速度、侧风速度和压强,保证输出的可解释性和合理性.以偏航过程中的动态尾流为案例,仅提供少量尾流内部测量数据作为训练集,完成了局部动态尾流的时空重构.该方法成功捕捉偏航过程中尾流动态变化的趋势,准确地预测尾流轨迹和偏转量.在全局尾流的时空重构中,所提出方法完整还原真实流场的流动演变过程,这项技术在风电场智能控制方面具有巨大的潜力.
  • 流体工程
    变孔径比多孔板对管道内流动特性的影响分析
    金恒, 朱根生, 李凤甡, 李澍, 陈星泽, 张延瑞
    2025, 43(3): 268-274. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0273
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    围绕变孔径比多孔板对于管道内流体的水动力特性演化规律开展工作,建立计算流体动力学数值模型并验证计算结果的可靠性,进而讨论了孔隙板周围局部区域流出系数和压损系数变化,研究了流体在带多孔板管道内沿程速度和压力分布特征,分析了压力损失的变化规律会和变孔径比多孔板周围局部的流动状态.计算结果表明,孔径比的改变使得扩散孔对流出系数和压损系数的敏感程度略大于收缩孔,使得进出口的孔径差异程度与压损系数成正比、与流出系数成反比;流速、压力峰值拐点的位置与孔径比有关.在此基础上,引入双层板进行研究,进一步研究表明双层板均使得流出系数下降,压损系数上升,孔径比为1∶4和4∶1的双层板对流出系数、压损系数更加敏感;流速影响距离约为2倍管径,压力影响距离约为1倍管径;变孔径比的后板对前板引起的流速变化无太大影响.
    • 水利水电工程
  • 水利水电工程
    混杂纤维风积沙混凝土抗冻性研究及寿命预测
    李昊, 周一, 张园, 郭皓隆, 郭汝阳, 韩秋硕
    2025, 43(3): 275-283. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0183
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    为探究内蒙盐碱区建构筑物遭受冻融循环的侵蚀特点,以风积沙混凝土(ASC)作为基准组,以复掺一定比例碳酸钙晶须和聚丙烯纤维的风积沙混凝土(HF4)作为试验组,采用不同质量浓度的氯盐溶液作为侵蚀溶液,利用快冻法模拟野外服役环境,借助扫描电子显微镜(SEM)对冻融后试件的微观形貌进行观测,运用核磁共振(NMR)探究孔隙结构变化,最后采用Weibull函数建立耐久性退化模型预测试件寿命.结果表明:随着冻融循环的持续进行,混凝土表面浆体逐渐剥落,质量和相对动弹性模量损失严重,无害孔和少害孔演变为有害孔和多害孔,加速混凝土的冻胀破坏.混掺纤维有助于改善混凝土内部微观结构,显著提高ASC抗冻性.通过Weibull函数建立混凝土在冻融作用下寿命预测模型,计算得出HF4在同种环境下安全服役期较ASC最大可提高36.8%.
  • 水利水电工程
    混流式水轮机部分负荷运行压力脉动与噪声特性
    夏璞, 马建军, 袁聪, 刘斌, 蒋东进, 张玉全
    2025, 43(3): 284-290. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0237
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    为研究水轮机在部分负荷工况下运行的压力脉动和噪声特性等,采用SST湍流模型并使用仿真软件对某具体水轮机模型进行不同负荷工况的数值模拟计算.结果表明:时域中从蜗壳至转轮出口处压力脉动幅值基本稳定在一个范围内,其中转轮部分压力脉动幅值最大,尾水管进口至出口压力脉动幅值先增大后减小.频域中从蜗壳至活动导叶,主频的位置是在叶频处,且越远离转轮其主频振幅越小,转轮两侧的压力脉动频率振幅较高,说明压力脉动受动静干涉影响很大.不同负荷工况产生的噪声辐射水平和指向性分布在各个方向是相似的:声压级分布的规律相同,水轮机周围声压幅值最大,声压幅值随场点离水轮机越远而越低.在叶频处,噪声声压分布呈明显的偶极子特性,不同负荷工况的外场噪声指向性分布图中极小极大值的位置基本相同.研究结果可以为优化水轮发电机组运行技术提供理论支撑.
    • 排灌装备制造技术
  • 排灌装备制造技术
    激光抛光TC4高粗糙度表面及表面耐磨损行为
    戴峰泽, 安春桥, 霍坤, 何娟, 陈希章
    2025, 43(3): 291-298. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0056
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    针对离心泵薄壁钛合金叶轮叶片表面粗糙度控制困难以及在使用过程中砂石对叶片表面的磨损问题,分别在氩气和空气氛围下采用纳秒脉冲激光器对铣削后具有高粗糙度的TC4钛合金表面进行抛光,发现在氩气氛围下能获得更好的抛光效果,能使工件表面算术平均高度下降56.12%、表面硬度提高21.94%;而在空气环境下,工件表面获得了高硬度的氮化钛,表面算术平均高度下降了51.89%,硬度比原始表面提高了176.79%.摩擦磨损试验结果表明:原始的工件表面和氩气氛围下抛光的工件表面均以磨粒磨损为主,其中在氩气氛围下抛光的工件由于抛光过程中获得了硬度较高的α′-Ti马氏体,因此表面的磨痕宽度更窄;而在空气氛围下则由于重熔层获得了高硬度氮化钛使得工件表面平均动摩擦系数从0.46降至0.16,显著提高了工件表面的耐磨性,磨痕宽度大幅降低,在与GCr15陶瓷球对磨过程中工件表面则主要表现为黏着磨损.
  • 排灌装备制造技术
    导流片式喷灌喷嘴水力性能及其最优结构分析
    李涛, 冯婷婷, 高泽海, 张建丰, 李浩瑜
    2025, 43(3): 299-307. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0140
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    为了进一步提高摇臂式喷头的组合喷灌均匀度,文中在PY220摇臂式喷头喷嘴内部空间增设导流片,以导流片的形状参数长度L、横向曲率C和纵向曲率P为试验因素,进行水力性能测试试验,构建了导流片最优结构参数的非线性映射模型,采用BP神经网络算法进行求解,获得了导流片的最优结构参数.研究结果表明:导流片长度对射程具有极显著的影响,而横向曲率和纵向曲率的影响较小.导流片式喷嘴的点喷灌强度在径向的分布更均匀,总体呈现为先缓慢降低后缓慢增加再快速降低.在正方形组合条件下,当导流片长度大于2 mm时,其组合喷灌均匀度明显高于原喷嘴,导流片长度对组合均匀度具有显著影响,而横向曲率和纵向曲率对组合均匀度的影响不显著.在同时考虑组合均匀度最大和射程最远的情况下,导流片最优形状参数长度L=3 mm,横向曲率C=1.5 mm,纵向曲率P=A/3,其最终射程为19.09 m,均匀度为89.38%.研究成果对于提高喷灌水资源利用效率具有重要意义.
  • 排灌装备制造技术
    GFRP材料对微水头水车叶片结构性能的影响
    陈小翠, 崔煜崑, 郑源, 米渊
    2025, 43(3): 308-315. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0251
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    在单向流固耦合的理论基础上,通过模拟叶片在不同旋转角度下所承受的流体压力,将得出的流体压力数据作为结构分析的边界条件,输入到有限元分析模型进行分析.考虑环氧S玻璃纤维和环氧E玻璃纤维的复合材料,将两种复合材料进行水车叶片结构设计,探究复合材料中不同铺层角度对水车力学性能的影响,以得出最佳铺层方案,并将复合材料叶片的结构分析结果与实体结构叶片的结果进行对比.结果表明,应用环氧E玻璃纤维材料并采用铺层角度θ为15°的铺层方案对微水头水车叶片结构性能的改善最显著;在相同工况下相比于实体钢叶片,复合材料叶片的最大变形量比结构钢叶片减少了53.4%,有效缓解了应力集中的现象,同时,复合材料叶片的质量也大幅减轻,达到了80.7%的减重效果,为微水头水车叶片的安全稳定运行提供了理论依据.
  • 排灌装备制造技术
    典型智能水肥一体机射流式吸肥器性能测试与结构优化
    张琼, 王墙林, 胡贵荣, 刘畅, 张力杰, 李云开
    2025, 43(3): 316-324. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-8530.23.0242
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    吸肥器结构形式及参数对智能水肥一体机工作性能影响显著.针对常见吸肥器吸肥量小、压损大等问题,选用3种SSQ型射流式吸肥器、2种组合型射流式吸肥器及1种文丘里吸肥器,采用试验与数值模拟相结合的方法,测定了不同进口压力和进出口压差条件下吸肥器的吸肥性能,对性能较好的吸肥结构进行结构优化,通过正交和极差分析研究了喉部喷嘴面积比、渐缩段角度、渐阔段角度、喉嘴距对其吸肥性能的影响.结果表明:相同工况下,SSQ型吸肥器的综合性能优于组合型吸肥器也优于文丘里吸肥器,且射流式吸肥器相比文丘里吸肥器的最大吸肥流量、工作范围(p1=0.30 MPa)、最大吸肥效率分别提升71.75%~102.66%,38.40%~48.29%和42.57%~93.24%,临界压差降低9.09%~35.43%.其中SSQ-3型射流式吸肥器表现最好;SSQ-3射流式吸肥器的吸肥效率随喉部喷嘴面积比和喉嘴距增大而呈先增大后减小的趋势,随着渐缩段角度和渐阔段角度增大而逐渐减小;SSQ-3型射流式吸肥器最优结构参数组合为喉部喷嘴面积比2、渐阔段角度5°、渐缩段角度9°、喉嘴距5.94 mm,结构优化后射流式吸肥器吸肥流量和吸肥效率分别提高了9.09%~22.86%和4.78%~27.43%.