为了研究云空化周期性演变过程中的空泡动力学特性,基于均相流模型与离散相模型构建了一种单向耦合欧拉-拉格朗日思想的水力空化模拟方法,对空化数σ=0.8的二维Clark-Y水翼云空化流动进行了数值计算,得到了水翼瞬时升力系数变化及其表面云空化演变过程.通过求解球形空泡动力学方程,获取了该水翼云空化区内的空泡动力学演变规律.研究结果表明:该数值方法较好地模拟了水翼云空化内空泡的周期性行为;示踪粒子沿途压力的剧烈程度受空泡脱落与溃灭位置的影响;空泡内压与其所受流场压力有关,流场压力变化越剧烈,空泡内压幅值越高,其溃灭所释放的压力波也就越大,当空泡半径收缩至15.7 μm时其溃灭压强最大幅值可达69.800 MPa;空泡初始半径增大,空泡内压幅值随之减小,空泡形态变化基本稳定.文中研究方法可为大型水力机械中的球形空泡溃灭行为研究提供理论参考.

针对现有仿生集水方法成本高与环境适应性差等问题,受沙漠甲虫背部亲水/疏水复合微结构启发,研制了一种具有超亲水/超疏水复合微结构的集水仿生表面及其低成本制备方法.该方法通过涂覆改性SiO₂层、掩模磁控溅射Ti膜、化学刻蚀转化Ti膜为TiO₂阵列等步骤,在玻璃基底上形成超亲水/超疏水复合微结构表面.该表面借助超亲水性TiO₂阵列捕获雾滴,同时通过阵列周围超疏水性SiO₂涂层通道加速所捕获液滴脱落,提升集水速率.试验研究表明,随着掩膜板目数的增加,集水速率显著提升,当掩膜目数达到500时,集水速率可达3.455 g/(cm²·h);表面在酸性环境下易被腐蚀,导致集水性能下降,在碱性环境中,表面具有较好的耐碱性,可保持良好的集水效果.该方法成本较低、环境适应性强,为集水仿生表面应用推广提供了理论基础和试验依据.

为实现“双碳”目标,积极推动清洁能源发展,抽水蓄能技术作为保障电网安全的重要手段得到广泛应用.针对大水头水泵水轮机在运行过程中可能存在“S”形特性区引发的振动和噪声等问题,基于数值计算对大水头水泵水轮机典型工况开展研究,采用定常数值模拟方法分析“S”形特性区的压力分布和旋涡流动,发现偏离设计工况时无叶区将形成挡水环,阻碍水流顺利进入转轮,导致旋涡堵塞流动通道等情况.文中基于不稳定流动机理,提出了通过优化转轮结构改善其水力特性的解决方案,有效抑制了流道内旋涡流动,减轻了流动分离现象,从而提升了机组的运行稳定性.研究结果可为大水头变幅水泵水轮机的优化设计提供理论参考.

针对某大型立式潜水轴流泵站的钟形进水流道存在吸水室流态不佳、进水条件不良、装置效率偏低等问题,基于雷诺时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,采用数值模拟方法对该流道的导流锥结构进行优化.以进水流道水力损失、出口流速分布均匀度及水流入泵平均角为评价指标,在合理范围内对椭圆形导流锥尺寸进行优化设计、模拟与性能对比分析.结果表明:导流锥长短半轴最佳尺寸为长半轴a=1.0D、短半轴b=0.4D(D为叶轮直径).优化后,进水流道水力损失为0.189 m,较优化前减少0.028 m;出口流速均匀度达94.28%,提升10.96%;水流入泵平均角为87.80°,增大1.02°.优化后泵装置效率和扬程均显著提高:在设计流量7.0 m³/s下,效率由64.39%提升至67.74%,扬程由9.62 m提高至9.98 m,装置效率最大提升5.81%.对优化方案进行模型试验,在设计流量下测得效率为67.03%,对应扬程为9.82 m,性能指标达到较高水平.数值模拟的性能曲线与试验结果吻合较好,效率最大偏差小于3%,证明了模拟结果的可靠性.研究成果可为同类泵站钟形进水流道的设计与优化提供参考.

为快速无损检测生菜冠层叶片叶绿素和氮素含量,采用高光谱成像技术采集生菜冠层的高光谱图像,分析生菜冠层叶片的光谱反射率与叶绿素和氮素含量的关系.采用阈值分割法去除高光谱图像的背景噪声,对光谱反射率进行一阶微分预处理,用竞争自适应重加权法(CARS)、连续投影法(SPA)及CARS和SPA算法组合(CARS-SPA)分别提取叶绿素和氮素的光谱特征波段,并选用最小二乘法(PLS)构建模型.结果显示,在保持关键信息的前提下,使用CARS-SPA算法降维效果最好,叶绿素和氮素用于建模的波段数减少至19和20,均降低至10%左右.使用该方法提取的波段中重复的波段大部分集中在可见光的前10个波段和近红外短波部分,这两部分波段数据与生菜叶绿素和氮素有较强的相关性.使用CARS-SPA算法所建立的PLS预测模型效果最好,叶绿素和氮素含量预测模型的决定系数R²分别为0.767 7和0.696 8;均方根误差RMSE分别为1.559 5和0.765 2.

为了有效提高电网安全稳定运行水平和新能源资源利用率等,构建了由有压输水系统、水泵水轮机、交流励磁发电机和调速器等组成的变速抽水蓄能机组精细化模型,对抽水蓄能电站典型水力过渡过程开展了深入的计算分析.研究结果表明,交流励磁变速机组数值仿真整机模型可有效进行各工况仿真,仿真动态过程符合机组实际运行过程,效果良好.变速抽水蓄能机组在发电工况的调速器功率模型下进行增减负荷时,机组转速由交流励磁控制,其转速可以迅速得到精确调整,定子侧有功也能快速稳定在指定值;机组在发电工况的调速器开度模型下进行增减负荷时,机组出力由交流励磁控制,定子侧有功能够快速稳定在指定值,机组转速则缓慢稳定在指定值.

嘉善县姚庄圩区河网地势低缓,结构复杂,存在水体交换速度缓慢、水动力不足等问题.构建MIKE21二维河网水动力模型,并以闸泵运行能耗费用最低为主要目标函数,以流速、闸泵过流流量及过水时间为约束条件,建立闸泵联合调控优化调度模型,采用灰狼优化算法进行模型求解,得出更经济高效的调控方案,模拟分析在不同调控方案下水动力调控效果.结果表明,在优化调度方案运行下,各泵站及闸站的总耗电量降低了67.95%,水动力改善效果得到了明显提升,河道平均流速和最大流速明显增加,死水段长度占比缩短,河网整体最大流速可达0.325 m/s,最为突出的点位为南亦湾河段,流速大小增加幅度在50%~80%.研究结果可为中国平原河网闸泵联合调控提供技术支撑.

为研究不同结构型式水力旋流阀的气液固流动特性和工作性能,基于VOF(volume of fluid)模型和DPM(discrete phase model)模型,对3种结构设计水力旋流阀的气液固流动进行了数值模拟计算.研究结果表明:结构设计可以控制气相体积分布,从而影响水力旋流阀的流动特性和工作性能;通过改变当量半径、腔体宽度、出口直径,可以影响集水井、水力旋流阀及下游管道内的速度流线分布、颗粒速度和粒径分布,获得不同工作性能的水力旋流阀;气相分布区域占据了颗粒的空间分布,促进了颗粒在集水井中的沉积;水力旋流阀的阻流和截流特性与气相分布形成的旋流、旋涡有关;在当前工况和集水井设计下,应优先选择R300 mm×L150 mm×d200 mm(其中R为当量半径,L为腔体宽度,d为出口直径)结构,其较小的阻力系数保证了一定的流通能力,且未因集水井溢流而造成二次污染;对于只考虑集水井不发生溢流的错峰调度工况,可根据实际情况选择R300 mm×L200 mm×d280 mm结构和R300 mm×L150 mm×d200 mm结构.研究结果为拓宽水力旋流阀的使用条件和提高选型能力提供了一定的参考依据.

为探究覆膜与生物炭对控灌稻田土壤水热和无机氮分布及产量的影响机制,设置不覆膜不施加生物炭(CK)、覆膜(CF)、施加2.5 t/hm²生物炭(CB)、覆膜+施加2.5 t/hm²生物炭(CBF)4个处理,分析覆膜和生物炭条件下不同土层稻田土壤水热、无机氮时空变化趋势、作物产量及其构成要素的响应特征,并量化覆膜和生物炭共作条件下土壤水热、无机氮和产量的相关特征.结果表明:与CK处理相比,不同覆膜和生物炭处理均可提高土壤含水量、铵态氮、硝态氮质量分数,其中,膜炭共作处理提高幅度最明显,增幅分别为7.2%~22.3%,8.9%~27.8%,11.0%~22.1%;覆膜(CF)和膜炭共作(CBF)处理可提高土壤温度,单施2.5 t/hm²生物炭对土壤温度没有明显提高;水稻产量与土壤含水量、土壤铵态氮及硝态氮质量分数间均呈显著正相关(P<0.05);膜炭共作处理使产量和净产值分别提高26.8%和15.1%,达到经济效益最大化.综合考虑,膜炭共作是文中控灌稻田的最佳管理模式.该研究为构建黑龙江稻田适宜覆膜和生物炭模式提供参考依据.

基于高速摄影试验台,对狭缝内双圆柱对称位置下的空泡动力学进行了试验研究.定性分析了不同初生位置下空泡的生长溃灭情况,归纳出了3种量纲一距离下的典型试验现象.同时,定量探究了不同典型现象下的空泡形态演化、形心移动、泡壁运动等特征.研究结果表明,双圆柱对称位置上的空泡动力学行为可根据空泡量纲一距离l^*归纳为3种情形:情形1(l^*较小),左右泡壁凹陷显著,无射流;情形2(l^*中等),左右泡壁凹陷较弱,并产生射流;情形3(l^*较大),右泡壁凹陷,产生射流.远离双圆柱一侧的泡壁形态演化剧烈程度大于靠近双圆柱的一侧,剧烈程度会随着量纲一距离的变大而增加.在双圆柱对称位置上,在空泡溃灭过程中其圆度、形心移动距离与溃灭半径和量纲一距离大小呈正相关.

为了研究柔性悬臂水翼的动态变形对其水动力特性的影响,以某柔性悬臂水翼为研究对象,首先,提取出表征其变形特性的关键参数,建立柔性悬臂水翼变形的数学模型.然后,运用动网格技术,分析了2°,4°和6°这3个典型水翼攻角工况下,水翼弯扭耦合变形和单一变形(弯曲和扭转)对水翼水动力性能的影响.结果表明:相较于弯曲变形,扭转变形对水翼水动力性能有更大的影响;沿水翼展向从约束端到自由端,频谱中变形频率对应的强度幅值逐渐增大;6°攻角时,约束端附近升阻力受到变形频率和脱落涡频率的耦合影响;压力面上弯曲和扭转频率对应的压力脉动幅值分布具有较大差别,综合变形的压力脉动幅值分布特点可看作两者的叠加.

为了省去部分摇臂式喷头在中低压下所需加装的额外散水装置,基于主副射流非对称撞击模式设计了一种射流撞击喷头.通过水力性能试验获得中压与低压下不同孔径比(1.00,1.33,1.66,2.00)的射流撞击喷头与射流不撞击喷头水量分布和射程,计算获得组合均匀系数,结合高速摄影(high-speed photographic, HSP)试验捕捉的图像测量射流破碎长度变化,采用非线性曲线拟合孔径比、主喷嘴出口截面直径、射流破碎长度、工作压力与射程关系.结果表明:与射流不撞击喷头相比,射流撞击喷头呈现更平缓水量分布趋势;随射流撞击组合均匀性提高,射程降低;射流破碎长度随孔径比增加而增加,印证水力性能表现出的射程随孔径比增加而增加现象;根据所得综合评分,当主副喷嘴孔径比为2.00时,射流撞击喷头适用于中低压灌溉工作.该结果为非对称射流撞击喷头的研究提供了理论依据.

文中阐明了在内蒙古黄河南岸灌区春玉米生产中,采用膜下滴灌相较于传统畦灌实现节水增产的生理机制.通过开展膜下滴灌与畦灌的田间对比试验,系统测定了2种灌溉方式下的土壤含水量、作物生长及光合参数,并分析了不同处理间各参数的差异.结果表明,畦灌处理因幼苗期浅层地下水埋深较浅且补充灌水量大,土壤含水量维持在较高水平;而膜下滴灌处理减少了苗期灌水量,将土壤含水量控制在田间持水量的60%~90%,从而使作物生长、光合生理特性及产量均优于畦灌处理.至成熟期,与畦灌相比,膜下滴灌使株高、茎粗、叶面积指数和地上部干物质量分别提高了12.9%,10.2%,327.0%和23.2%;在大喇叭口期和抽雄期,膜下滴灌使蒸腾速率、净光合速率、气孔导度、叶片氮含量和SPAD值分别提升18.4%,14.5%,43.8%,18.2%和9.5%;同时,膜下滴灌还显著提升了大喇叭口期磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶与1,5-二磷酸核酮糖羧化酶的羧化速率,最终产量较畦灌提高33.8%.研究得出结论,膜下滴灌将土壤水分维持在适宜范围内并提高叶片氮含量,进而增强光合能力、促进作物生长,从而实现增产.该研究结果为在黄河南岸灌区推广滴灌技术提供了科学依据,并为该灌溉模式下春玉米生长的模拟研究提供了参数支撑.

为探索适用于漳河灌区直播稻水氮管理模式,运用2022年、2023年漳河灌区直播稻田间试验数据对ORYZA_V3模型进行率定和验证,以率定后的模型模拟分析不同水文年型水氮模式对直播稻产量和氮肥利用率的影响规律,并结合Entropy-TOPSIS模型进行综合评价.结果表明:地上部干物质总量(WAGT)、茎干物质量(WST)、叶干物质量(WLVG)、穗干物质量(WSO)、叶面积指数(LAI)的模拟值拟合线与1∶1线较为一致,各处理决定系数(R²)为0.640~0.980,归一化均方根误差(nRMSE)为11.48%~33.48%,纳什系数(NSE)为0.03~0.96;验证期产量均值R²为0.960,nRMSE为6.30%.水氮情景模拟显示,不同水文年型灌前土壤水分下限为饱和土壤质量含水率的70%~100%时,产量和氮肥利用率均处在较高水平;低于饱和土壤质量含水率的70%时,产量有所下降.施氮量大于205 kg/hm²时,直播稻产量并没有显著提升,且会降低氮肥的产出效应.推荐漳河灌区宜采用水氮管理模式:施氮量205 kg/hm²,施氮肥比例基肥∶分蘖肥为5∶5;丰水年型(25%)灌前土壤水分下限为饱和土壤质量含水率的70%,平水年型(50%)、枯水年型(75%)灌前土壤水分下限为饱和土壤质量含水率的80%.

针对新疆北疆典型区棉花膜下滴灌,分别在蕾期设置2种灌水下限:田间持水率的60%~65%和70%~75%,花铃期设置3种灌水下限:田间持水率的55%~60%,60%~65%和70%~75%;采用完全随机设计,共设计6种不同灌水下限处理,同时以当地常规滴灌(CK)作为对照,分析不同处理对棉花不同生育阶段水盐分布、产量及其构成要素和水分利用效率的影响.结果表明,灌水后0~50 cm土层盐分上升最快,较高的灌水下限由于减少了灌水间隔时间,增加了棉花生育期内的灌水频率,盐分淋洗效果较好.全生育期0~80 cm土层脱盐率为11.67%~46.99%,脱盐率随灌水下限提高而先降低后升高,蕾期和花铃期灌水下限均为70%~75%田间持水率时,脱盐效果最优.所有处理0~50 cm土层土壤平均温度相比CK提高了0.06%~3.89%,且土壤温度与0~50 cm土层含水率和含盐量存在线性关系,提高灌水下限有助于提升水分的扩散和盐分的下渗.控制灌水下限的处理相比CK,产量和水分利用效率分别提高了4.32%~26.46%和50.60%~89.16%,有利于提高棉花用水效率和产量.综合分析,当蕾期和花铃期灌水下限均设置为70%~75%田间持水率时,籽棉产量最高,为6 946.65 kg/hm²,较CK处理提高了26.46%,水分利用效率较CK提高62.65%,实现了较好的节水抑盐和增产效果.

为及时检测水轮机转轮叶片的裂纹,监测机组健康状况并保障机组安全,提出了利用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)软件来模拟获得流固耦合振动信号,采用霜冰优化算法(RIME)、变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)和长短时记忆(long short-term memory, LSTM)神经网络的智能故障诊断方法,实现对水轮机转轮叶片裂纹的高效检测和预测.首先,使用CFD计算流场信息,并通过流固耦合将其结果导入有限元分析(finite element analysis, FEA)软件中,从而获得健康和含裂纹叶片转轮的时域振动信号;接着,运用RIME对VMD的模态分量K值和惩罚因子α进行参数优化.优化后的VMD用于处理振动信号并分解为多个模态分量;最后,将这些模态分量作为输入,通过LSTM神经网络进行特征学习和识别.研究结果显示,此方法避免了获取叶片裂纹样本的经济损耗,大幅缩短了研发周期,并成功实现了精确的叶片裂纹故障识别.对于径向和轴向振动信号的裂纹故障诊断,总体识别准确率分别达到了93.033 0%和92.893 9%.〓

针对农业生产中栽培基质pH值在线检测准确性差的问题,采用化学腐蚀法制备TiO₂电极作为pH传感器的工作电极,设计并制作了一种基于延伸式栅极场效应晶体管(extended-gate field-effect transistor,EGFET)的pH传感器及栽培基质pH值在线检测系统.该系统硬件主要包括电源电路、EGFET传感器电路、信号处理电路、电压跟随电路、主控电路等.主控电路以 STM32芯片为核心,ESP8266模块作为辅助,包括UART、ⅡC等接口电路.系统软件主要包括主控程序、物联网平台与用户端APP程序等.系统依托阿里云物联网平台与手机端APP进行远程异地交互,实现对栽培基质pH值异地在线检测.对基于EGFET与传统电位法的pH传感器响应性能对比测试得到:基于EGFET的pH传感器响应时间、漂移、迟滞和线性度等性能均有不同程度的提升.通过对相对质量含水率71.4%的栽培基质应用试验得到:基于EGFET传感器在线检测系统pH值在线检测相对误差最大约为2.63%,相较于传统电位法传感器,相对误差降低16.51%,其应用有助于促进栽培基质pH值在线检测与调控.

针对诱导轮旋转空化流动特性及其抑制技术,从理论、试验和数值计算等方面进行综述.在旋转空化流动的理论方面,梳理了相关理论发展的重要节点.在旋转空化流动的试验方面,评述了针对流量系数、转速和空化数等相关参数的试验研究,指出建立多位一体的试验平台可以更有效地观察旋转空化流动特性.在旋转空化流动的数值计算方面,对近年来发展的诱导轮旋转空化数值模拟方法进行总结.通过对旋转空化抑制技术研究成果的分析和总结,认为改变叶轮进口、叶顶间隙以及叶片载荷是比较有效的方式.最后针对诱导轮旋转空化流动特性及相关抑制技术的发展方向进行了展望.

针对长距离重力流高起伏输水系统因末端阀门关闭引起的关阀水锤问题,以新疆某重力流输水工程为例,通过数值模拟方法研究了无防护措施下的关阀规律以及布置空气罐后其参数对水锤压力的影响,并通过正交试验和极差分析的方法对比了空气罐的连通管直径、体积、水体体积占比三因素对最大压力水头的影响程度.结果表明:在不采取防护措施时,两阶段关阀优于线性关阀,其中快关时间占总关时间的30%,快关角度85%,为最优关阀方式,在总关时间为100,200 s时,两阶段关阀比线性关阀下最大压力水头分别降低35.7%,38.4%,但是全线负压严重;空气罐降低最大压力水头的影响因素顺序由大到小为连通管直径、空气罐体积、水体占比,选取最优空气罐参数后最大压力水头减小了31.6%,最小压力水头升高了91.0%,满足了防护标准.

针对高体积分数、大直径颗粒工况下低比转数离心泵的磨损问题,采用试验与数值模拟相结合的方法,研究叶轮内部的磨损特性.设计试验泵进行磨损试验,结果表明:叶轮的主要磨损区域集中在流道前段,包括叶片压力面前1/2段、叶片背面前1/6段、后盖板叶轮帽周边、前盖板与叶片相交部位及流道入口.基于计算流体动力学方法,采用Particle非均相流模型进行固液两相流数值模拟,模拟结果表明:固相颗粒在流道内分布不均匀,入口区域存在明显颗粒堆积,且叶片压力面附近颗粒体积分数较高;颗粒对叶轮流道前段的冲击角度较大,而对后段的冲击角度较小;结合向量积计算原理提取颗粒冲击角度,将Oka磨损模型与Eulerian-Eulerian方法结合,实现了高体积分数、大直径颗粒工况下叶轮磨损的准确预测,预测结果与试验数据吻合良好,可为低比转数离心泵的抗磨损优化设计提供一定理论依据和工程参考.

为了改善离心风机内部流场特性、降低气动噪声,以不同叶片尾缘的离心风机为研究对象,在方形尾缘的基础上设计了圆形、圆切、椭圆形等3种不同尾缘的模型,通过数值模拟研究了不同模型的性能、流场分布及压力脉动,基于Lighthill声类比理论,研究了叶片尾缘形状对离心风机气动性能及噪声特性的影响规律.在设计工况下,3种叶片尾缘模型的全压和效率均高于原型模型,椭圆尾缘模型的全压和效率增幅最大,分别提高了4.7%和1.1%;3种模型的压力脉动幅值均低于原模型,椭圆尾缘模型的压力脉动降幅最大.声场计算结果表明:圆形尾缘和圆切尾缘模型的离心风机噪声分别下降了1.50和1.79 dB,椭圆尾缘模型的声学性能最优,噪声值下降了2.10 dB.上述结果表明合理地改变叶片尾缘形状可以有效改善离心风机内部的流动状况,减少流动损失,提高风机的效率,降低风机的气动噪声.

为分析活动导叶不同空蚀程度下混流式水轮机的内流场演变规律,基于HLA855a-LJ-250型水轮机,根据活动导叶不同空化空蚀发展时期,分别建立完好、麻点状空蚀凹坑、蜂窝状空蚀凹坑、连片状空蚀凹坑共4种模型.机组在额定工况下运行,采用Realizable k-ε湍流模型和宽频噪声模型进行稳态计算.研究结果表明:随着导叶空化空蚀程度的提升,活动导叶部件湍动能数值和范围逐渐增大,空蚀凹坑处的水流冲击、摩擦等现象是引起能量耗散的重要原因;出现空化空蚀的机组转轮负压更低,转轮更容易发生空化空蚀,尾水管流线紊乱,严重制约尾水管能量回收利用,且空蚀程度越严重,其回收效率越低;空蚀程度还与活动导叶部件的声强呈高关联性,表现为声压级的数值和分布范围与空蚀程度呈正相关.研究成果可为机组状态监测提供一定的指导与帮助.

微灌系统管网布置方式和肥液浓度是影响滴灌系统性能的重要因素.通过试验评价了管网布置方式和肥液浓度对灌溉单元尺度和轮灌组尺度的灌水均匀性和施肥均匀性的影响,其中管网布置考虑3种方式:45 m和90 m毛管单向供水(分别记为S45和S90)和90 m毛管双向供水(记为D90);肥液浓度(质量分数)设置3个水平:0.181%,0.091%和0.060%(分别记为C1,C2,C3).结果表明,毛管双向供水方式较单向供水方式降低了灌溉单元压力水头偏差率26.1%~32.0%,降低了轮灌组的压力水头偏差率27.2%.灌溉单元内流量偏差率受单元间压力水头不均衡影响较小,流量偏差率基本小于20%,但轮灌组内流量偏差率维持在30%左右.毛管双向供水方式显著提升了轮灌组尺度的灌水和施肥均匀性,肥液浓度降低则显著改善了施肥均匀性.建议微灌系统中选择双向供水布置方式,并在施肥总量已定情况下尽量增加施肥时长以减弱高肥液浓度对施肥均匀性的负面影响.

以螺旋浅槽高温液体动压型机械密封为研究对象,基于自相关函数法,建立符合高斯分布的密封端面随机粗糙表面模型和汽液两相流计算模型,模拟分析端面不同部位处粗糙度对润滑膜汽化特性与密封性能的影响规律.结果表明:端面粗糙时润滑膜汽化区域主要集中在槽堰区,且以螺旋槽内槽区汽化程度最高;端面粗糙度使润滑膜平均汽相体积分数的等值边界线出现不规则波浪状,且随粗糙度增大而更明显;润滑膜平均汽相体积分数均随端面粗糙度的增大而减小,开启力随端面粗糙度的增大而增大,密封间隙泄漏量随端面粗糙度的增大而减小;各部位粗糙度对密封润滑膜汽化特性及密封性能的影响在全端面粗糙时呈现出叠加效应;不同部位单位粗糙度对润滑膜汽化特性及密封性能的影响从大到小的顺序为动环非槽区粗糙、静环端面粗糙、动环槽区粗糙.

针对航行条件下泵喷推进器非定常流场计算规模大、分析耗时且成本高的问题,提出基于循环神经网络(recurrent neural network, RNN)与长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)2种机器学习方法构建流场预测框架,通过数值方法获取航行速度v=2.91 kn时泵喷尾部喷流流场的时间序列数据,进行样本集制作并训练预测框架,对泵喷尾部喷流进行非定常周期性预测.结果表明:2种预测框架的决定系数R²均高于0.995 0,预测结果平均绝对误差MAE均小于0.079 0,均方根误差RMSE均小于0.089 0,RNN模型训练1个epoch耗时不超过40 s,LSTM模型不超过115 s,表明RNN与LSTM神经网络预测模型均能够准确、高效预测泵喷尾部喷流复杂的非定常流动规律及空间分布规律;2种模型在进行长、短期预测时,对不同的变量预测精度有所不同,短期预测选取RNN模型耗时更少,预测精度更高,长期预测时LSTM模型的预测能力更强.

为提高轴流泵综合性能,在试验验证数值计算准确性的基础上,采用反问题设计方法,以设计工况处效率和扬程作为优化目标,结合正交试验设计法,对某一比转数为1 321的立式轴流泵进行多目标优化.结果表明:几何参数叶片数B、叶片前缘轮缘位置L_s、叶片尾缘轮缘位置T_s与载荷参数轮缘处叶片前缘载荷值L_Es、轮毂处叶片前缘载荷值L_Eh、轮毂处中间直线的斜率K_h均对轴流泵能量特性有较大影响;优化后轴流泵模型设计工况下水力效率和扬程分别为85.58%和4.356 m,效率和扬程相比于原始模型分别提高了1.36%和0.877 m;优化后模型叶轮内更为均匀的流场是其性能提升的根本原因.研究结果可为同类型轴流泵的设计优化提供一定指导.

为探究低体积浓度含沙条件对水翼空化特性的影响,采用修正的RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,基于离散相模型和Schnerr-Sauer空化模型对NACA0015水翼在低体积浓度粗颗粒含沙条件下的非定常空化绕流进行数值模拟,分析了不同体积浓度和不同粒径颗粒对水翼空化流场的影响,以揭示颗粒对空化发展的作用机理.研究结果表明:在同一粒径下增大颗粒体积浓度以及在同一体积浓度下增大颗粒粒径,水翼升力系数变化均为先增大后减小,固相对水翼的阻力系数影响较小,其中颗粒粒径对水翼的升阻比影响更大.与清水工况相比,含沙条件下水翼空泡脱落位置更靠近水翼前缘且脱落时间更短,随着颗粒体积浓度和粒径的增大,空泡体积先减小后增大,颗粒对空化发展的影响表现为先抑制后促进.清水及含沙条件下水翼空化柔度均在正负之间变化,其中颗粒体积浓度对水翼空化柔度影响较大,随着颗粒体积浓度的增大,空化柔度波动剧烈程度先增大后减小.