精确农业倾斜网格划分及其应用

在已有划分正交网格研究的基础上,阐述了划分倾斜网格的必要性、方法及其应用。中国的农田多为防护林分割,土地规模较小,且防护林和垄的走向往往与经纬度线不平行,为了避免划分正交网格带来的麻烦和不便,需要因地制宜地划分倾斜网格。划分倾斜网格的方法有手工绘制和编程绘制两种。合理选择田块基点,VB和MapX控件编写的网格划分程序可适用于不规则田块。网格划分主要有采样导航、专题图制作和田间识别等重要应用。该文给出了单片机田间网格识别简化算法,其精度为厘米级。跨田块作业时,只需要更新数据存储IC卡中的田块参数和施肥量参数,而不必修改单片机主程序。施肥试验表明,该算法简单、准确、通用性好。     

离心泵边界层网格的实现及应用评价

为了定量研究网格质量对离心泵数值模拟计算精度的影响,以结构化网格为例,从网格数量、近壁区网格加密和网格拓扑块生成方法3个方面系统研究了离心泵边界层网格的构建和应用评价过程。在网格数量无关性分析的基础上,生成了3套不同质量的边界层网格,并分别采用标准k-ε模型、RNGk-ε模型、标准k-ω模型和SSTk-ω模型模拟了比转速为103的单级单吸离心泵的内外特性。将数值模拟结果和试验结果对比,发现具有边界层网格的模拟结果与试验值更为吻合,设计工况下,粗边界层网格基于标准k-ε模型的扬程预测精度比无边界层网格的模拟结果提高了1.19%。评估了边界层网格质量与湍流模型的关系,发现湍流模型的选择和边界层网格的质量密切相关,网格节点到壁面的最近距离Y+在200左右基本能满足k-ε湍流模型对近壁区网格质量要求,而选用k-ω模型时,至少保证Y+≤100。     

区域尺度降雨径流估算方法研究Ⅰ-算法设计

径流是区域水土流失的基础。基于已有试验研究和观测数据,结合GIS空间分析功能,初步提出了区域径流计算的基本思路,并对降雨径流产生的各个环节做出了算法设计,考虑的过程包括降水、植被截留、入渗、微地形存储、地表径流等。基于DEM将流域划分为规则网格并以此为基本计算单元,将月降水过程划分为若干时段作为计算迭代的基本单元,本算法可以计算出区域内每一网格单元任一时段末的地表径流量,为进一步建立区域水土流失模型奠定了基础。     

离心泵内叶轮与蜗壳间耦合流动的三维紊流数值模拟

根据离心泵通道的几何和流场特点,探讨了离心泵叶轮通道结构化多块网格划分中的一些处理方法。同时求解三维时均Ｎ-Ｓ方程,并采用“冻结转子法”处理叶轮与蜗壳间动静耦合流动的参数传递和相互干扰问题,对某一设计工况下离心泵内的全三维紊流场进行了计算,捕捉到了离心泵叶轮内、叶轮与蜗壳间及蜗壳内的压力分布、速度分布和旋涡的结构与演化特征等重要流动信息。结果表明,该方法能够较为准确地预测出离心泵叶轮与蜗壳间及内部的流动特性,所得结果对进行离心泵的水力设计或改型优化设计等研究具有重要的指导意义。     

基于规则网格的农田环境监测传感器节点部署方法

为了实现农田环境监测传感器网络节点合理布局,在分析应用需求基础上,提出基于采样间距rs和节点通信范围rc进行节点部署。设计了等边三角形、正方形、正六边形规则网格的系统节点部署和系统随机节点部署2种方法,并分别给出了2种方法中3种规则网格单元边长最大值的求解方法。此外,通过比较部署成本、连通性等指标探讨了最佳规则网格节点部署方案的选取原则,为农田环境监测应用中传感器节点的合理布局规划提供理论依据。     

基于网格的耕地质量分等成果省级汇总方法

耕地质量分等成果由县、省、国家3级成果组成,省级成果由县级成果汇总获取,是农用地分等工作中必不可少的环节。由于传统的汇总方法对汇总底图的过分依赖性,导致汇总效率低下,汇总后的质量完全取决于汇总底图的质量。基于该缺陷,该文提出利用网格取代汇总底图,将县级成果按照“权属-地类-等别”进行分类,根据面积占优原则确定对应网格所属类别,并通过空间最邻近方法寻找距离县级单元最近的网格单元,建立“网格-县级分等单元”的追溯关系。该文提出了以县行政代码、网格所在行列码、等别、地类组成21位省级汇总网格的编码方法。最后利用平均中心和标准差椭圆检验汇总前后耕地空间分布的相似性。以北京市大兴区为研究区进行了实例验证,大兴区根据“地类-自然等-利用等-经济等”组合共分为8类,根据大兴区耕地的分布,最终确定688个有效耕地网格。利用该文方法实现了省级汇总。经过检验表明,汇总前后耕地分布的平均中心和分布方向仅相差405.6 m和0.34°,说明该汇总方法保证了汇总前后耕地空间分布的一致性。与依赖汇总底图的方法相比较,省去了制作底图的工作量,提高了工作效率,并且将省级耕地定位在每个网格中,通过网格编码能够快速查找到对应位置的耕地质量,方便管理和应用。     

离心泵叶轮内的网格生成与计算流体力学分析

根据离心泵叶轮通道的几何和流场特点，探讨了离心泵叶轮通道结构化多块网格划分中的一些处理方法。同时应用标准k-ε紊流模型加壁面函数法对离心水泵叶轮内部的三维紊流流动进行了雷诺平均N-S方程的数值计算与分析。分析了离心泵叶轮叶型对流速分布、压力分布和泵性能的影响，研究了离心泵叶轮通道内流动规律，并以计算流体力学(CFD)分析结果为依据，对离心泵叶轮进行了叶型优化设计。结果表明进行离心泵叶轮内三维紊流数值计算可为离心泵叶轮叶型优化提供详细的数据，应用CFD分析技术可提高离心泵叶轮的设计水平。     

利用MapBasic划分精确农业田块网格方法的研究

精确农业要求对田块进行网格划分和命名,以便因地制宜地收集田间状态信息和实施变量投入。使用地理信息系统(GIS)软件MapInfoProfessional6.0及其二次开发语言MapBasic6.0,以学校的运动场为例,对全球定位系统(GPS)获取的原始卫星数据进行编程处理,探索了一种划分并命名田块网格的方法。应用结果表明,该方法可使全球定位系统和地理信息系统有机地衔接起来,实现精确农业田块的网格划分和命名工作     

土壤空间分布多样性研究中网格尺寸的选取策略

空间分布多样性是土壤多样性研究中最新的一种计量方法,而土壤斑块实际分布特征、斑块空间位置和网格尺寸是土壤空间分布多样性评价精度的主要影响因子。以河南省典型样区的土壤数据为例,从大尺寸(25 km)到小尺寸(500 m)依次计算了样区内各土属类型在13种网格尺寸下的空间分布多样性,并分析了不同网格尺寸下多样性数值的变化特征,以期探索土壤空间分布多样性评价中最佳网格尺寸的设置准则。研究表明：在以土属为基本分类单元的空间分布多样性评价中,使用3 ~ 1 km尺寸之间的网格为宜。在设置网格尺寸时,应首先保证所选网格面积至少小于或接近所有土壤分类单元中面积最小分类单元的面积。     

滴灌轮灌分组优化模型与算法

传统的轮灌组划分计算方式效率较低且难以获得较好方案。该研究首次采用智能算法来求解轮灌组划分问题,依据《微灌工程技术标准》及轮灌组划分原则,提出了基于流量均衡的数学模型及其约束条件。通过分析支管空间分布,确定了滴灌问题的邻域特征,在半径阈值范围内给出了最大限度查找关键路径的邻域搜索策略和不可行解修复算法,并采用传统遗传算法(Genetic Algorithm,GA)、贪心遗传算法(Greedy-GA)、泰森多边形遗传算法(Voronoi-GA)和网格遗传算法(Grid-GA)算法分别求解模型,探索适应轮灌分组问题的初始化方法。对标准差、组内路程、连通性和运行时间4项指标对比分析,结果表明:Grid-GA算法表现优异,采用的邻域策略可有效避免支管分布过于分散,有利于日常管理与维护。取半径阈值280 m条件下,算法在300代左右达到收敛,最小标准差10.9 m3/h,组内路程8 105.2 m,连通性指标25,与一种冒泡+贪心的近似算法相比最小标准差小59.1%。该研究对提高滴灌工程设计效率和促进轮灌工作制度有效运行有着重要研究意义。     

基于相空间重构离心泵基础振动的研究

确定离心泵基础振动主要影响参数的数量,有利于对基础振动影响参数进行分级并进一步指导低振动离心泵基础的设计。通过隔离电机、管道振动的离心泵试验台架,测试了基础上4个测点的振动位移;运用Tisean3.0通过Fraser互信息算法得出了各测点振动位移时间序列的最佳延迟时间,基于该延迟时间通过伪最近邻点法确定各测点振动时间序列的嵌入维数;最后基于所得最佳延迟时间与嵌入维数对离心泵基础振动时间序列进行了相空间重构,以确定所得延迟时间与嵌入维数的准确性。结果表明,虽然离心泵基础上同一平面内不同测点的振动位移时间序列时域信号不同,但在相空间的重构中具有相同的延迟时间与嵌入维数;不同长度的振动位移序列数据段得到相同的相空间重构参数,表明通过振动位移序列进行相空间重构以确定离心泵基础振动影响因素个数具有稳定性;离心泵基础振动位移时间序列在重构的相空间中具有明显吸引子存在,表明离心泵及其基础所组成系统具有确定的振动规律存在;所建立离心泵试验台基础振动的嵌入维数为4,表明其主要影响参数小于或等于4。     

离心泵内部非定常压力场的数值研究

为研究离心泵内部压力随叶轮旋转的变化,采用FLUENT提供的滑移网格技术对设计工况下离心泵内的非定常流动进行了数值计算,分析了离心泵内部非定常流动的规律。结果表明：离心泵内部流动的非对称特性和非定常特性明显;离心泵出口和叶片进口压力的波动对离心泵性能影响较大;在蜗壳中部截面S2和蜗壳出口截面S3上,静压的波动主要受叶片和蜗舌相对位置的影响,而动压的波动主要受叶片和截面相对位置的影响;两截面上沿蜗壳径向静压增大,动压减小;沿蜗壳周向静压随圆周角的增大而增大,而动压略成下降趋势。该分析为研究离心泵内流现象,降低离心泵的汽蚀、振动和噪声提供了有益的借鉴。     

半高导叶端面间隙对离心泵水力性能影响的数值模拟与验证

离心泵中存在各种间隙,其间隙流动极其复杂,易出现泄漏流、间隙涡等复杂湍流,影响离心泵的水力性能及运行稳定性.该文结合数值模拟与试验方法,采用SSTk–ω湍流模型,研究半高导叶端面间隙对离心泵水力性能及内部流场的影响规律,重点探讨半高导叶端面间隙对离心泵水力性能的影响机理.结果表明,适当的半高导叶端面间隙能有效改善离心泵水力性能,拓宽其高效区,导叶叶高为1.0时,最高效率点流量37.5m3/h处,而导叶叶高为0~0.8时,其最高效率点流量42.5m3/h处;导叶端面间隙为0.4~0.6导叶叶高时,离心泵的效率与扬程最优,且最大效率为57.5%;在0.6倍设计工况、0.8倍设计工况和1.0倍设计工况时,带半高导叶端面间隙的离心泵中叶轮做功和导叶内总压损失均高于普通导叶式离心泵,在0.6倍设计工况,导叶叶高为1.0时叶轮做功比导叶叶高为0~0.8时叶轮做功低将近7m水头,且在0.6倍设计工况和0.8倍设计工况下,导叶叶高为0时导叶内总压损失平均值比导叶叶高为1.0时分别高6.66m、4.62m水头;在1.2倍设计工况和1.4倍设计工况时,其叶轮做功和导叶内总压损失均低于普通导叶式离心泵;在各流量工况下,带导叶端面间隙的离心泵中蜗壳内总压损失均小于普通导叶式离心泵;随着流量增加,带半高导叶端面间隙的离心泵中叶轮-导叶动静干涉作用在逐渐减弱,叶轮-蜗壳动静干涉作用逐渐凸显.研究结果为离心泵导叶优化设计提供参考.     

基于RBF神经网络与NSGA-Ⅱ算法的渣浆泵多目标参数优化

由于渣浆泵普遍存在扬程低于设计扬程、效率低、磨损严重等问题,该文选取比转速为75的离心式渣浆泵为研究对象,运用商用CFD求解软件Flunet,选取RNG k-ε湍流模型与欧拉两相流模型对其内部流动进行计算。以离心式渣浆泵的效率、高效区作为优化目标,结合Plackeet-Burman筛选试验,将渣浆泵叶片的进口安放角、出口安放角与叶片包角作为优化变量。采用均匀试验设计安排样本空间,利用RBF神经网络拟合优化变量与优化目标间的映射关联,基于NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优。针对优化所得的Pareto解集,选取其中效率最优个体和高效区最优个体与优化前初始模型进行对比:分析了上述3个个体的通过数值模拟得到的性能曲线之间的差异,得到效率最优与叶片进、出口安放角、叶片包角为21.76?、23.43?、145.56?,高效区最优时为19.38?、22.68?、116.71?。通过试验验证,优化后个体性能得到显著提升,效率最优个体的效率较初始个体的效率提高了3.81%,高效区最优个体较初始个体高效区范围提高了4.33%。给出并分析了上述3个个体在叶轮流道中间剖面上固相相对速度矢量及湍动能分布、叶片工作面、叶轮后盖板的固相浓度分布差异。优化结果表明,该优化方法使叶轮的水力特性得到改善,提高了离心式渣浆泵的性能。     

螺旋离心泵内回流涡空化特性

为了研究回流涡空化特性,对一台螺旋离心泵内部的空化流动进行了可视化研究,在一定的工况下该泵内部发生了回流涡空化,捕捉到了不同流量下螺旋离心泵内部回流涡空化形态,发现回流漩涡空化中存在2个旋转的空化云,并且随着流量的减小,回流涡空化云体积逐渐减小;对该泵进行了数值模拟,发现随着流量的减小,泵进口外部形成的回流区域变小,从而导致回流涡空化云体积逐渐减小。该文对螺旋离心泵内回流涡空化体积演变机理的深入研究提供了参考。     

离心泵快速变工况瞬态过程特性模拟

为研究离心泵在不同工况点快速切换过程中的瞬态特性,该文以一台低比转速离心泵为研究对象,对其工况流量突然减小的瞬态过程,分别采用理论分析和数值计算的方式进行了外特性预测和内流场仿真研究。首先基于叶轮机械广义欧拉方程式,对离心泵模型在流量突然减小瞬态过程中的附加理论扬程进行了定量计算与分析。结果表明,同等条件下,变工况过程结束后的稳定流量越小,附加理论扬程越大,瞬态效应愈发明显;同时该瞬态过程后期的瞬态效应比前期更为明显。动静干涉效应对泵出口流动参数产生显著影响,而对泵进口流动参数的影响并不明显;动静干涉效应对小流量工况时各个流动参数的影响将尤为显著。叶片与隔舌相对位置最近时,计算扬程最小;当隔舌位于叶轮流道中间位置稍后时,计算扬程最大。同一个转动周期(T)内,选取叶片转过隔舌后的0.225 T和0.825 T位置进行单次定常计算可取得较高精度的数值预测结果。动静过流部件和粘性效应使得叶轮和蜗壳内的轴向速度分布规律完全相反。瞬态过程中流体加速效应使得瞬态流场演化整体上滞后于准稳态流场。     

离心泵射流自吸装置的研究

介绍一种新型离心泵射流自吸装置的工作原理及结构，通过在普通离心泵的进口处增设一个带“文氏管”的自循环射流器，使该射流器与压水室第六断面的回流孔贯通形成自循环，当泵运转时，不仅可以完成自吸过程，而且可以将自循环射流器上的阀关闭，射流器同时停止工作，因此：泵的效率提高了3%以上。泵的性能试验分析表明，该泵不仅可以实现自吸，性能曲线稳定、平坦，高效率区范围宽，工况佳，而且泵的各项技术指标均满足设计要求。     

微型离心泵诱导轮与叶轮轴向距离匹配特性

诱导轮与叶轮匹配不合理,是影响微型离心泵运行稳定性的原因之一。为了研究诱导轮与叶轮之间的轴向距离(简称为轴向距离)的匹配对离心泵性能的影响,该文以一台前置诱导轮离心泵为研究对象,采用数值方法定量分析了不同轴向距离对离心泵能量特性、汽蚀特性和压力脉动特性的影响。选取5种轴向距离,分别为0.1S,0.5S,1.0S、1.5S和2.0S(S为诱导轮轴向长度与叶栅稠密度的比值),对离心泵进行三维流场数值预测。结果表明,轴向距离增加后,扬程和效率均有所增加,汽蚀余量降低,但叶轮内压力脉动幅值升高。其中,在额定工况下,当轴向距离增大至1.0S时,扬程提高了0.61m,效率提高了5.8%,临界汽蚀余量降低了0.4m;轴向距离继续增大后,各项性能变化不大。综合分析认为,轴向距离为1.0S时,诱导轮与叶轮的匹配性能最佳,有利于离心泵稳定运行。研究结果可为微型离心泵诱导轮与叶轮的匹配设计提供参考。     

低比转速复合叶轮离心泵停机过程水力特性

离心泵的瞬态水力特性对于系统的安全可靠运行至关重要,因此掌握其在过渡过程中的水力性能对于优化水力设计、提升可靠性具有重要价值。为探索低比转速带分流叶片的复合叶轮离心泵在突然断电停机过程中的水力特性,在8个不同稳态流量比的情况下,测量了一台比转速为45的复合叶轮离心泵的转速、进出口压力、扬程、流量、扭矩和轴功率等性能参数随时间的动态变化过程。作为对比参考,还同时测量相同叶片形状和尺寸的普通闭式叶轮离心泵停机过程的水力性能。结果表明:随着停机前稳定流量的增大,叶轮停止转动所需的时间越来越短;转速曲线变得更为陡峭,转速下降曲线基本上为四次多项式函数形式。流量在停机初期较为稳定,大大延迟于转速下降历程;随着停机前稳定流量的增大,流量较为平稳的持续时间呈现出轻微缩短的趋势,而流动完全停止所需的时间却越来越长,与转速曲线变化特性完全相反。扬程和出口静压力与转速的变化规律类似。进口静压变化十分剧烈,但在6.0 s左右趋于稳定。轴扭矩与轴功率的变化趋势基本上一致的,均与转速的变化规律类似。性能参数特征时间随流量比的增加而线性减小。同一流量比条件下,性能参数特征时间由长到短的顺序为流量、扬程、转速、扭矩和轴功率。与普通叶轮离心泵相比,在相同流量比条件下,复合叶轮离心泵性能参数的特征时间有延长的趋势,特别是流量、扬程和转速。     

阀板尾迹对离心泵性能的影响

离心泵进水管路通常布置阀门供检修时切断水流，这会导致离心泵入流畸变。该研究旨在分析泵前检修阀所诱发的非定常尾迹特征及其对大流量工况离心泵运行特性的影响机理。试验对比了均匀来流和畸变来流条件下离心泵的外特性，数值模拟研究了阀板尾迹涡的流动特征及其对离心泵非稳态内流场的影响，分析了阀板尾迹涡诱发的叶轮径向力。结果表明：两种来流条件下数值模拟与试验得到的离心泵外特性误差在5%以内；对离心泵性能产生主要影响的尾迹涡主要来自阀门阀板一侧的边界层分离与卷吸，入流畸变导致大流量工况下离心泵效率相较于均匀入流下降9.15%，扬程降低1.2 m；阀板尾迹在离心泵入口产生1.9倍转频的脉动频率；尾迹涡的周期性入流导致两个叶片前缘的最大相对液流角由30°分别增大至43°和39°，这两个叶片的压力面脱流加剧，产生逐渐向下游耗散的失速团，叶片承受2倍转频的非稳态激振力；尾迹涡的周期性吸入导致叶轮上的时均径向力增大至均匀入流的4.5倍左右，最大径向力达到均匀入流的7倍左右，径向力矢量发生偏移，离心泵断轴风险加剧。研究结果可为工业现场中离心泵运行稳定性的改善提供理论依据。