A Roots pump often exhibits the typical characteristics of high gas pressure in the exhaust port, low pressure at a basic volume and large airflow pulsation at the outlet as a result of gas reflux. In light of this, this study employed Pumplinx software for the numerical calculation of the entire flow field of a two-bladed Roots pump. The effects of the rectangular and curved reflux groove structures on the internal flow field of a Roots pump, especially on the outlet pressure pulsation and flow rate, were unveiled separately. The rectangular reflux groove controlled the angle and thickness, while the curved reflux groove regulated the coordinates of the key points on the Bezier curve. It is worth recognizing that different reflux groove structures were not noticeable in enhancing the inlet measurement flow pattern; reduce the exhaust pressure pulsation, flow pulsation and exhaust section vortex. Interestingly, the rectangular return groove far outweighed the curved groove when optimizing the pressure and flow pulsation when registering the higher flow loss compared to the curved return groove. The merits and demerits of the Q criterion and omega criterion in characterizing the vortex structure of the flow field in the Roots pump were compared by Tecplot software. The omega criterion looked more robust, clear and continuous in revealing the strong and weak vortices in the Roots pump. The outcome of this research work could provide a reference for the study of Roots pump airflow pulsation, vortex analysis and casing structure design optimization.
为提高1D水锤模型对有压管道瞬变流预测精度,在传统1D恒定摩阻模型中引入额外的瞬时附加摩阻项,建立了改进的非恒定摩阻模型.利用2个模型分别对3种不同初始流速工况的水库-管道-阀门系统压力瞬变特性进行数值模拟,并对比了不同模型的预测精度.结果表明:恒定摩阻模型和非恒定摩阻模型的压力波在第1个周期内的压力变化预测值均与试验值较为接近.而在第1个压力波周期以后,二者在低流速工况预测的压力峰值与试验值误差分别为10.3％和4.7％,改进的非恒定摩阻模型预测精度大幅提高.对压力波传播特性的研究表明,压力波在系统内不同位置处的传播和反射特性存在明显不同:在1个水锤波周期内,压力波在水箱处受到压强差作用产生全负反射,而在阀门处由于微流段的速度变化为0,仅改变了方向.研究结果能够为有压管道的安全稳定运行和优化设计提供一定的参考.
The optimal design of centrifugal compressor blade under multiple working conditions faces the problems of large design space and insufficient flexibility, thus causing redundant blind search and reducing the optimization efficiency. In order to improve the above problems, the FFD-based parameterization method of centrifugal compressor blade with complex surface was proposed, for which a mapping model of local geometric region and mesh control body was established, the influence law of diffe-rent basis functions on blade geometry configuration was explored, and the fine optimization of blade geometry shape was carried out by combining multi-objective evolutionary algorithm and CFD technology. The results show that the optimized flow field structure is further improved, the isentropic efficiency of rated and common conditions are increased by 0.48% and 0.40%, respectively, and their surge margins are as well increased by 1.6% and 1.8%, respectively, which achieves an efficient and flexible fine design of centrifugal compressor blade with complex curved surface by using less design variables.
为深入分析水质对人工复配土壤入渗特性的影响,采用室内土柱模拟试验,分析了天然积水和地下水2种不同化学性质的供水情况下,水质对砒砂岩与沙土 7种不同体积比下(1∶0,5∶1,2∶1,1∶1,1∶2,1∶5,0∶1)复配后人工复配土壤入渗特征的影响.结果表明:在人工复配土壤质地为粉壤土和砂壤土时(砒砂岩与沙复配比例为1∶0,5∶1,2∶1,1∶1,1∶2),天然积水的入渗时间显著高于地下水的入渗时间;在人工复配土壤质地为壤砂土和砂土时(砒砂岩与沙复配比例为1∶5,0∶1),天然积水和地下水的入渗时间无明显差异;相同水质情况下,不同复配土的入渗时间由长到短按复配比排序为1∶0,5∶1,2∶1,1∶1,1∶2,1∶5,0∶1;同一砒砂岩与沙复配比例下,天然积水处理下的累积入渗量大于地下水处理,且在砒砂岩与沙比例为2∶1处理中,水质间的累积入渗量差异最大,累积入渗量与时间的拟合关系符合对数入渗模型;湿润锋推进距离变化规律与累积入渗量的变化规律一致.结果显示,水质显著影响复配土壤入渗性能,影响的程度与复配土壤质地类型密切相关.
为了研究反应堆一回路对核主泵(RCP)叶轮入流特性的影响,将蒸汽发生器(SG)、入口弯管、冷热段管道、核反应堆及RCP进行联合简化建模.基于CFD方法对其一回路进行流场计算分析,对比分析均匀入流条件下RCP数值计算结果与试验结果,可以发现,由数值模拟得到的扬程和效率误差均在5％以内,验证了数值计算方法的正确性.在反应堆一回路中采用多孔介质模型,通过泵特性曲线与管路特性曲线的动态匹配,使得闭式系统RCP流量与额定工况值相差0.998％,扬程相差3.76％,二者误差较小,从而实现了管路阻力的动静态调节.研究结果表明:入口弯管内流动的周向对称性被破坏,其压力和速度分布呈现不均匀分布,受弯管曲率的影响,在离心力作用下产生二次流动;与均匀入流工况相比,非均匀入流工况下RCP入口处形成了 一对回旋方向相反的旋涡,速度和压力的对称分布特性被破坏,且沿周向和径向的轴向速度变化均大于平均速度的80％.因此,本研究建立的数值预测方法可以为研究反应堆一回路对RCP叶轮入流特性的影响提供理论依据.
为了阐释隔板起点位置、终点位置及二者匹配关系对离心泵外特性和径向力特性的影响,文中提出6种研究方案,借助仿真软件CFX分别对每种方案进行全流道稳态模拟,进而获得离心泵内部流动状态、机组外特性及径向力参数,并对部分方案进行水力性能测试以验证计算准确性.研究结果表明:最优隔板模型起点位置与隔舌相隔180°,终点位置与起点位置处于同一径向平面,该模型能兼顾离心泵的外特性及径向力特性;离心泵外特性对隔板起点位置不敏感,在理想隔板模型起点位置基础上,将隔板起点与隔舌之间角度额外增加30°,外特性变化最大偏差均小于2％;隔板长度随着隔板终点位置向蜗壳出口的移动而增加,这对小流量工况下离心泵内部流态具有一定整流作用,外特性曲线表现出小流量变优、大流量变差的特点,曲线形状趋于陡峭;隔板起点、终点偏于最优模型时,蜗壳平衡径向能力呈下降趋势,但均优于单蜗壳.研究结果可以为解决小基圆蜗壳因空间狭小难以实现双蜗壳设计提供参考.
为了揭示高进口预旋下刷式密封的封严性能和转子稳定性,基于涡动转子法和非线性Darcian多孔介质模型,建立刷式密封数值分析模型,研究高进口预旋下(预旋比λ＞0.8)压比以及转子自旋速度对刷式密封泄漏特性和转子动力特性的影响规律,同时对比分析低进口预旋条件下的计算结果.数值计算5种压比(2.0,3.0,3.5,4.5,5.5)和5种转子自旋速度(3 000,6 000,7 500,9 000,12 000 r/min)下刷式密封的泄漏特性和转子动力学特性.研究发现:高预旋条件下刷式密封泄漏量小于低预旋条件下;高预旋条件下刷式密封直接刚度和交叉刚度均大于低预旋条件下,且随压比增大而增大;高预旋条件下的交叉刚度始终为较大的正值;转子自旋速度对低预旋条件下刷式密封直接刚度的影响较小,而高预旋条件下的直接刚度随转子自旋速度增加以较缓慢的趋势下降;转子自旋速度增加,高预旋条件下的交叉刚度增加幅度大于低预旋条件下,进而导致有效阻尼下降.
为探究立式轴流泵装置流道内部流动及水力噪声的分布特性,采用计算流体力学(CFD)和计算声学(CA)相结合的方法对泵装置内流场及内声场进行数值求解,并通过物理模型试验对数值计算结果的有效性给予了验证.结果表明:肘形进水流道内部流态较为平顺,流速分布较为均匀,受导叶体剩余环量的影响,水流在90°弯管内流速分布不均匀,流线呈螺旋状运动进入直管式出水流道,导致内部流态紊乱;流道内声压级和声压强峰值主要出现在叶频及其倍频处,表明叶轮的旋转是诱导流道噪声的重要原因,其中肘形进水流道总声源强度最大值位于出口处,为254.8 dB,直管式出水流道总声源强度最大值位于结构渐变段,为248.8 dB;流道内部过流断面面积的变化对流速的分量变幅有重要影响,流速的分量变幅越大,总声源强度就越大,直管式出水流道结构渐变段总声源强度相对于进口处增大了 2.6％,因此在立式轴流泵装置流道优化设计时,应减少流道结构的变化.
A series of steady and unsteady numerical calculations of the internal flow in mixed-flow pumps with three different specific speeds were carried out based on the N-S equation coupled with the standard k-ε turbulence model under different operating conditions to investigate the relationship be-tween the impeller specific speed and the pump performance as well as pressure pulsations.Meanwhile,the pump performance and pressure pulsations inside the mixed-flow pump with three dif-ferent specific speeds were also analyzed and compared with the corresponding test data.From the re-sults,the averaged deviations between the predicted and tested head among different impellers are be-low 5％,and with respect to the equivalent impeller specific speeds of 280 and 260,the values are 4.30％and 3.69％,respectively.For all the impeller schemes,the best efficiency point of the mixed-flow pump is found at the flow rate of 1.2Qd and the higher head deviation occurs at lower flow rates.Especially,it can be found that the specific speed has a slight effect on the pressure fluctuation in the impellers.Eventually,it is determined that the pump performance curves calculated by numerical simu-lations have good agreement with the relevant experimental results,which verifies that the numerical methods used in the present study are accurate to a certain extent.Furthermore,the results also provide some references to the pressure pulsation analysis and the performance improvement of the mixed-flow pump design.
为了厘清多级叶轮与侧流道之间的干涉作用以及泵级间的流动形式,从而提高侧流道泵的水力性能和运行可靠性,选取一台带有前置离心叶轮并串联两级径向叶轮的多级侧流道泵作为研究对象,利用ANSYS CFX软件对其进行数值模拟计算.通过傅里叶变换和小波分解方法,研究不同时序位置对叶轮内部和出口处压力脉动的影响,发现侧流道泵最佳时序位置角度与叶轮级数成反比,而与叶片夹角成正比.经过时序位置的优化调整,可以降低侧流道泵的振动并提高出口压力的稳定性,从而提高侧流道泵的整体性能.研究结果可为多级侧流道泵的设计提供有效的参考意见.
为有效开展内蒙古干旱监测及抗旱减灾工作,基于2000-2021年5-9月逐月MODIS植被长势产品,计算植被状态指数(vegetation condition index,VCI),结合内蒙古118个气象站的生长季气温、降水数据,利用Sen趋势分析法、偏相关系数法等分析内蒙古生长季干旱时空变化及其与气象要素的关系.分析结果表明,研究期内内蒙古生长季的VCI整体呈上升趋势,主要上升区位于内蒙古的东南部农牧交错带和西部草原与荒漠过渡区,在人类的正向干扰下这些地区的植被抗旱能力明显提升.变异系数分析可知,春末夏初内蒙古东部地区的干旱风险相对较高,随着夏季到来,干旱高风险区向西移动至内蒙古中部地区,秋季干旱风险范围增大但强度相对减小.降水偏少是内蒙古干旱发生的决定性气象因素,而高温主要与草原干旱的发生密切相关.基于UCI的干旱分析可有效反映区域抗旱能力的提升,为干旱的精细化管理提供科学参考.
为探究流凌期天然浮石混凝土的服役寿命,设计了多种试验工况的冰-天然浮石混凝土往复滑动磨损加速试验,在不同磨损路径下测试天然浮石混凝土的累计磨损量,并基于Weibull分布开展寿命可靠性建模,采用最佳线性无偏估计法与最小二乘法2种估计方法分别进行参数估计.试验结果表明:基于Weibull分布的可靠度曲线有效描述了天然浮石混凝土在冰磨损作用下的加速失效过程,其中,天然浮石混凝土可靠度曲线为单调减小的三阶段分布,其耐磨性在加速损伤阶段的衰减现象最为明显;在2类方法中,形状参数值受方法的影响波动最大,在可靠度下降初期最小二乘法计算的可靠性寿命小于最佳线性无偏估计法求得的可靠性寿命;在0.5可靠度下,选择最小二乘法计算的寿命作为冰磨损作用下天然浮石混凝土极限寿命,研究结果为提升天然浮石混凝土耐磨性与安全性提供了理论参考.
针对极限学习机相关参数的选取不当导致其诊断结果与准确率受影响的问题,提出利用秃鹰搜索算法对极限学习机的权值和偏置的选取进行优化,构建秃鹰搜索优化算法和极限学习机组合的风力发电机组故障诊断模型(BES-ELM).对风电场某一台风力发电机组在发电机过热(S1)、馈电故障(S2)、变流器冷却系统故障(S3)和正常(S4)等4种状态下的相关SCADA数据进行清晰、补充等相关预处理和特征选取后构成故障样本集,其中样本集的80％作为训练集,20％作为测试集.分别采用标准极限学习机、基于遗传优化算法和粒子群优化算法的极限学习机模型对这些故障样本进行分类.结果显示,与标准极限学习机、遗传算法和粒子群算法优化的极限学习机模型相比,BES-ELM模型的诊断准确率达到98.75％,有效提高了风电机组故障诊断的准确率.
为了研究台阶形状改变对台阶溢洪道消能特性的影响,提出一种琴键阶消能工,采取数值模拟与模型验证相结合的方法对琴键阶消能工与传统的台阶消能工在不同流量下的水面线与流态特征、压强特性、流速矢量特性以及消能率进行了分析.研究结果表明:在Q=40 m3/h时,琴键阶消能工的流动形态尚为跌落水流时台阶消能工已为过渡水流,此时琴键阶消能工流动形态较为稳定;不同流量时琴键阶消能工表面的压强分布显示:极大压强区域与负压强区域并没有分布在台阶凸角的两侧且分布较为分散,对台阶凸角的安全影响较小,比较有利于维护;同时在琴键阶附近的三维旋滚比较多,消耗水流动能的效果较好;而且琴键阶消能工在不同流量下的消能率比台阶消能工更为稳定,当流量从40 m3/h增大到60 m3/h时,琴键阶和台阶消能率最大下降幅度分别为3.22％与24.33％.总体上琴键阶消能工的消能效果较好且较为稳定,可以为实际消能工程提供一种新的思路.
为降低舰船循环水系统中混流泵的流阻系数,改进其自流特性,提高舰船"自流"循环能力,基于CFD仿真,对低流阻水力部件开展模拟优化及试验研究.首先,通过仿真分析确定初步设计方案,其水力性能可满足设计要求;然后,为进一步降低水力损失和流阻系数,利用随机有限元分析方法确定了影响流阻的主要因素,并针对叶轮、导叶、蜗壳和出口管等主要部件进行优化和改进;最后,基于优化方案开展了样机生产制造及验证试验.结果表明:叶片总包角和导叶总包角是影响混流泵水力部件流阻大小的最主要因素.仿真预测结果与样机试验结果相符,优化后的混流泵内部流动光顺,压力分布、速度分布合理,没有明显的脱流、旋涡,整体流阻系数下降明显,水力性能满足设计要求.因此,提出的低流阻水力部件模拟优化方法是可行的.
针对干旱绿洲灌区水资源系统中存在的水资源供需矛盾问题,采用Lasso算法预测玛纳斯河灌区不同规划水平年需水量,开展绿洲灌区水资源供需平衡分析;构建干旱绿洲灌区水资源优化配置模型,采用LINGO语言对模型求解,通过模糊综合评价模型对玛纳斯河灌区水资源配置结果进行和谐度评价.研究结果表明:2025年和2030年玛纳斯河灌区需水量分别超出用水总量控制指标0.43亿m3和1.04亿m3,水资源供需矛盾突出;基于LINGO语言求解多目标规划模型最优解得到灌区规划发展最优方案,优化后灌区2025年和2030年用水总量分别降低5.88％和11.04％,水资源供需矛盾得到一定程度缓解;构建和谐性模糊综合评价模型,以判断灌区和谐水平并得出评价结果.研究结果可以为干旱绿洲灌区水资源优化配置提供基础依据.
为了研究温室无土栽培西瓜在不同时间尺度及不同灌水量条件下的蒸腾量(ET)和变化规律,从而实现水分精准化管理,以小型西瓜为试材,研究了不同时间尺度下灌水上限占基质持水量的95％-100％(T1),75％-80％(T2)和55％-60％(T3)3种灌水处理西瓜ET的变化规律及其与环境因子的关系.结果表明:不同灌水处理温室西瓜典型日ET峰值从大到小依次为T1,T2,T3.不同时间尺度下,影响不同灌水处理的西瓜ET的主要因素不完全相同,影响程度也不同,但是太阳辐射(Rs)始终是影响不同灌水处理西瓜ET的主要环境因子.随着时间尺度的增大,影响西瓜ET的主要因素逐渐减少,而不同灌水处理西瓜ET回归模型显著性逐渐增大;用环境因子估算温室西瓜ET时,小时尺度下还需结合采用直接测定的方法,而在较大尺度下,可以通过对温室少量环境因子直接监测从而进行估算.
针对水资源总量约束条件下玛纳斯河灌区种植结构优化和农业用水合理配置的科学问题,以玛纳斯河灌区(石河子灌区、莫索湾灌区和下野地灌区)小麦、棉花、玉米、葡萄 4 种典型作物种植结构为基础,构建多目标优化配置模型对作物种植结构进行优化调整,采用改进后的灰狼优化算法(DSF-GWO)求解社会满足型(方案 1)、节水优先型(方案 2)、经济成本型(方案 3)、综合发展型(方案4)4 种发展情景下的子灌区农业种植结构优化方案.结果表明:石河子灌区方案 2 和方案 3 产生相同经济效益时,方案 3 的生态、社会效益比方案 2 分别低 4.3%和 7.3%,因此,方案 2 较适合石河子灌区规划年种植结构发展要求;莫索湾灌区方案4 产生的经济效益分别高于方案 1 和方案 3 的 3.6%和4.2%,生态效益高于方案 2 的 0.5%,因此,选择方案 4 符合莫索湾灌区规划年种植结构发展需求;下野地灌区方案 4 产生的经济、社会效益均高于其他方案,生态效益对比其他方案相差较小,所以选择方案4 对下野地灌区规划年种植结构进行调整.
为揭示不同水分管理模式下生物炭施加量对柑橘根区土壤和叶片养分的影响,以 20 年生秭归脐橙为试验对象,2019-2020 年连续 2a在湖北秭归县柑橘园试验站开展大田试验,分析 3种水分管理条件下(W1:雨养模式;W2:果实膨大期 3L/周、转色増糖期 1L/周;W3:果实膨大期9L/周、转色増糖期 3L/周)5 种生物炭施加量(炭土比)(B0:0;B1:4%;B2:8%;B3:12%;B4:16%)对柑橘根区土壤与叶片氮磷钾含量的影响.结果表明:3 种水分管理条件下的土壤铵态氮、有效磷、速效钾质量比均随生物炭施加量增大而增大,但生物炭对土壤肥力的提升有限,其增长趋势随着施炭量增大而逐渐达到稳定;柑橘叶片氮素质量比随生物炭施加量增大而降低,叶片磷素及钾素也呈相同规律,但降低趋势并不符合线性关系,同时未影响作物正常生长.在炭土比为 12%和 16%的处理下,叶片氮、磷、钾素降低的下限趋于稳定,表明生物炭增强了柑橘养分吸收效率,导致叶片出现了养分稀释现象.
尾水低压现象对抽水蓄能电站的设计影响显著,为阐明尾水低压现象出现机理,基于一洞两机抽水蓄能电站输水发电系统,采用刚性水体动量方程,研究了甩负荷过程机组尾水管低压现象.为揭示输水系统布置对尾水低压现象的影响机制,定义了流量不同步变化抑制系数,并基于特征线法建立了系统的过渡过程仿真模型,通过移动上下游岔管位置,对比抽蓄电站不同类型甩负荷工况的结果,研究了不同流量变化抑制系数对尾水管最小压力的影响.结果表明:尾水低压出现的本质是同一水力单元 2 台机组流量变化不同步引起的压力交替变化,进而加剧了机组自身的流量变化;随着流量不同步变化抑制系数的减小,甩负荷过程中流量交替变化现象和尾水管低压现象均得到改善.
