起旋器入射角度对旋进旋涡流量计性能的影响

为优化和扩大旋进旋涡流量计的计量范围,通过CFD方法,采用RNG k-ε湍流模型进行数值模拟并结合试验对150 mm口径的旋进旋涡流量计进行了研究。首先对起旋器入射角为57.5°的流量计进行了非定常数值计算,由于气体速度较低,在数值计算时不考虑气体的压缩性,计算结果能够反映压力损失的实际变化,流量计仪表系数的数值模拟结果与试验值基本吻合。通过试验验证了所采用的数值方法能对流量计的性能进行较好的预测。为进一步分析起旋器入射角度对旋进旋涡流量计压力损失和仪表系数的影响,对3种起旋器入射角度55°、57.5°和60°下的旋进旋涡流量计内部流场进行了三维数值模拟,对比分析了不同入射角下旋进旋涡流量计内部流场分布以及压力损失和仪表系数随流量的变化特性。研究结果表明:流体流经起旋器后压力会迅速下降,旋涡中心的压力相对较低,在喉部以前区域压力沿轴向基本成对称分布;发现起旋器入射角越大,流量计压力损失越大;起旋器入射角度对仪表系数有一定的影响,起旋器入射角越大,仪表系数越大。起旋器入射角度为55°时,旋进旋涡流量计性能最好。     

湍流模型在泵站进水池漩涡模拟中的适用性研究

泵站进水池表面漩涡、附底漩涡和附壁漩涡是影响水泵装置稳定运行的重要因素,为研究不同湍流模型在进水池漩涡模拟中的适用性,分别采用标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型和Realizable κ-ε模型3种湍流模型对进水池流场进行了数值计算,得到了进水池内漩涡位置及强度信息,并与试验进行了对比分析.结果表明,Realizable κ-ε模型对进水池表面涡、附底涡和附壁涡的位置和形状预测比较准确,对漩涡的切线速度和环量的预测也与试验值更为接近.为泵站进水池的水力设计与结构优化具有指导作用.     

染色法测定、计算机解译农田土壤中大孔隙数量的研究

利用染色和计算机解译的方法来确定太湖地区3种主要水稻土（白土、黄泥土和乌栅土）的优势流路径和大孔隙的分布状况。将土壤染色后，所拍摄的剖面染色图片经过Photoshop 8．0和ArcGIS8．0处理，将所染的蓝色由深到浅平均分成10个等级，以此分析土壤剖面中大、小孔隙的比例。分析结果表明：（1）3种土壤剖面的优势流深度相差不大，均在80cm左右。但因为乌栅土的地下水位较高（最高可达70cm）。所以优势流对鸟栅土的地下水影响最大。（2）土壤剖面中不同深处的染色百分比与该处土壤容重有显著的相关性。土壤容重越大，染色百分比就越小。（3）不同土壤剖面大孔隙的数量和孔隙体积相差很大。在白土和黄泥土的所有土壤层次上以及乌栅土的剖面上第三至第四层，蓝色最深的两个等级之和的百分比即是剖面上该层〉1mm的大孔隙含量。另外在乌栅土剖面上的第一至第二层〉1mm的大孔隙含量数值与经染色后产生蓝色最深的3个等级百分数之和相当。     

果园环境下移动采摘机器人导航路径优化

针对移动采摘机器人在果园作业时,果树较大冠层与行人等障碍物易影响机器人行驶的突出问题,该研究提出了一种基于改进人工势场法的机器人行间导航路径优化方法。首先,通过移动采摘机器人搭载的固态激光雷达实现果园行间三维点云信息获取,运用地面平面算法去除果园地面点云,提取了果园垄行与果树冠层点云。其次,采用最小二乘法(Least Squares Method, LSM)、霍夫(Hough)变换和随机采样一致性(Random Sample Consensus, RANSAC)3种方法对果园垄行点云数据进行了垄行线和初始路径的提取。最后,通过舍弃引力势场,建立了果树冠层轮廓点云势场,优化初始路径以躲避较大的果树冠层与行人障碍物。从实时性与抗噪能力两个方面,分别对利用LSM、Hough变换和RANSAC方法所提取的初始路径结果进行了分析,结果表明3种方法均可成功提取垄行线与初始路径,其中RANSAC实时性最优,平均运行时间约为0.147×10-3 s,标准差为0.014×10-3 s,且具有较好的抗噪能力。在RANSAC提取初始路径的基础上使用改进人工势场法对初始路径进行优化,避免了传统人工势场法易陷入震荡的问题。经改进人工势场法优化后的路径将障碍物点云距导航路径的最短距离由0.156 m提高至0.863 m,且平均耗时0.059 s,标准差为0.007 s,表明该优化方法具备实时优化路径以避开障碍物的能力。该研究提出的基于改进人工势场法的机器人行间导航路径优化方法基本满足安全性与实时性要求,为移动采摘机器人在果园环境下自主导航提供了技术参考。     

液力偶合器三维涡识别方法及流场时空演化

精细刻画液力偶合器内部非定常多尺度三维涡结构对于揭示液力偶合器流场时空演化规律与能量损耗机理具有重要意义。该研究基于计算流体动力学理论,采用应力混合涡湍流模型多尺度解析模拟制动工况下液力偶合器三维旋涡流场。通过3种不同的涡识别方法提取涡轮内部多尺度涡系结构,从空间重构效果、阈值选择范围及敏感性角度分析不同涡识别方法的适用性。依托粒子图像测速（Particle Image Velocimetry,PIV）流场试验验证数值模拟及涡结构辨识结果的准确性与可靠性。围绕三维涡结构特征解析结果和二维流场图谱信息,分析并揭示流道内部湍流的时空演化规律及能量损耗机理。结果表明：Q准则方法的阈值选择盲目性大,难以同时识别强涡与弱涡结构,丢失很多涡结构细节特征,无法准确预测三维涡空间连续性运动趋势;Ω方法能够在阈值范围为0.51～0.59内精确辨识弱涡结构,但涡系空间重构后涡的运动趋势感不强;ΩL方法对阈值不敏感,在阈值范围为0.51～0.67内该方法空间涡系重构效果最好,强涡、弱涡结构特征识别度高。制动工况下涡轮内部整体流动为逆时针大尺度环流,并伴有小尺度涡流等局部流动现象,与主流涡运动相同旋向的旋涡促进主流旋涡运动,相反旋向的旋涡阻碍主流旋涡运动,由于涡的撕裂、破碎、分离、碰撞、摩擦、挤压等作用,导致流体能量损失,以热能形式耗散。研究结果可为液力偶合器结构设计与优化提供理论与技术指导。     

不同湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟中的应用与验证

为寻求一种经济、适合的湍流模型模拟轴流泵叶顶泄漏涡的结构和运动特性,该文基于ANSYS CFX软件平台,优化了六面体网格拓扑结构,比较了标准k-ε湍流模型（standard k-ε）、重正化群k-ε湍流模型（renormalization group k-ε,RNG）,标准k-ω湍流模型（standard k-ω）和SST k-ω湍流模型（shear stress transport）等4种湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟中的计算精度和叶顶泄漏涡流场特征。数值模拟和试验结果表明,在最优工况下,SST k-ω湍流模型预测外特性曲线与试验曲线吻合较好,扬程误差为4.688%,较其他3种湍流模型准确;4种湍流模型计算的叶顶泄漏涡流线、叶顶区压力场和轴面速度场分布规律相似,但RNG k-ε和SST k-ω湍流模型计算的涡卷吸较强,涡带的旋涡强度相对较大。基于旋涡强度提出了一种对叶顶泄漏涡的涡心进行识别的方法,并与高速摄影拍摄的涡带结果进行了对比,在设计流量工况和大流量工况下,发现SST k-ω湍流模型计算的叶顶泄漏涡运动轨迹与试验结果吻合度较好,验证了SST k-ω湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟具有较好的适用性。     

太湖地区典型水稻土水力学特征及土壤库容研究

针对气候变化条件下温度升高对土壤水分产生的影响,选择太湖地区典型水稻土——乌栅土作为研究对象,对其土壤的水力学特征及土壤库容进行了研究。结果表明：（1）影响乌栅土水分特征曲线的主要因素是容重与黏粒含量。饱和条件下和水吸力达到1.50×106 Pa时各土层的含水量（凋萎含水量）变化均表现为：耕作层〉犁底层〉潴育层〉潜育层。（2）乌栅土的有效水含量与容重和黏粒含量呈显著负相关关系,与孔隙度呈显著正相关关系。（3）在土壤的各种理化性质中,容重和总孔隙度是影响饱和导水率的主要因素,而毛管孔度与pH值为次要因素。（4）乌栅土耕作层总库容为91.48mm,有效水库容为22.02mm,滞洪库容为20.50mm,这种土壤具有良好的水分状况,既能保证太湖地区粮食作物的稳产高产,又具一定的蓄水调节功能。     

超声波果树冠层测量定位算法与试验

本文利用姿态航向参考系统、RTK-DGPS和超声波传感器,研究超声波果树冠层扫描时探测点在大地坐标系下的定位问题,建立了定位算法以校正车身倾斜对测量点位置计算的影响。文中考虑了车体的位置和姿态角信息以及超声波传感器安装的位置角度关系,利用一次、二次坐标转换建立算法模型,求解得到超声波探测点的绝对坐标位置。并利用农用拖拉机进行了直线行走试验和果树冠层扫描试验,其中的直线行走试验验证了校正模型的正确性。试验表明：通过姿态角和位置信息等建立的校正模型,消除了车体姿态角变化的影响,能正确解算作业车上任意点的大地坐标位置和冠层上超声波传感器探测点的大地坐标位置,使作业车辆在不平路面上工作时仍能准确地测绘出果树冠层形状。     

基于多孔介质模型的土壤风蚀风洞湍流涡发生器设计的数值模拟

该文针对土壤风蚀风洞中设计湍流涡发生器模拟大气边界层的需要,利用计算流体动力学（CFD）软件Fluent对NK-1可移动式风蚀风洞中典型农田风蚀地表风速廓线进行数值模拟,提出引入多孔介质模型的方法将原非规则几何结构的棒栅进行替代计算,最终得到棒栅加粗糙元的最优分布,并通过室内风洞试验进行验证。结果显示,风洞试验实测与模拟所得廓线的相关系数为0.974,模拟效果较理想。该方法使得计算网格数量减少,网格质量提高,节约了模拟成本,提高了计算的精确度和可信度,并且验证了用棒栅-粗糙元组合作为湍流涡发生器来模拟复现大气边界层是可行的,以期为风洞湍流涡发生装置的设计模拟提供一种新的思路和方法。     

轴流泵叶轮区域空化特性数值模拟

为了研究轴流泵内部叶轮区域空化特性,该文基于ANSYSCFX软件,分别应用Standardκ-ε,RNGκ-ε,κ-ω和SSTκ-ω湍流模型、均质多相流模型,对比转数ns=1033轴流泵在不同工况下进行全流道数值计算,将模拟值与试验结果进行对比分析,验证不同湍流模型及多相流模型的适应性并探究叶轮区域的空化特性。结果表明:在设计工况下,基于κ-ω湍流模型较其他3种湍流模型计算准确,临界汽蚀余量NPSHc计算值与试验结果误差为6.32%,可以较好反映轴流泵内部空化特性。随着有效汽蚀余量NPSH值的减小,空化首先在叶片背面进口靠近轮缘处发生,然后沿着主流方向往叶片中部发展直至充满整个流道,在临界汽蚀余量工况下,叶片中部区域空化面积较大,空化较严重时,叶片背面流线在叶片后部较紊乱,在靠近轮毂处形成漩涡微团,并向轮缘处移动,同时引起叶轮出口截面处轴面速度分布不均匀,增加了叶轮区域流场的紊乱性,揭示了叶轮区域内部空化流动特性。     

基于粒子图像测速的坡面流水动力学特性

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术具有多点同时测量、对水流无干扰的优点,该研究利用高分辨率PIV(分辨率为64 pixels/mm),测量了7组坡面流(水深范围为0.5～1.1 cm,雷诺数范围为1 000～3 000),并测量1组深水明渠紊流作为对照,研究了流速轮廓线和修正系数、紊动强度和雷诺应力、偏态系数和峰度系数的变化规律。结果表明:1)PIV能够有效观测坡面流床面至水面的流速分布。当坡面流流态为过渡流时,流速修正系数随着雷诺数的增加呈对数增加,均值为0.77;2)对比深水明渠紊流的紊动强度,坡面流的流向紊动强度较大,而垂向紊动强度较小,且随着水深及雷诺数的增加,坡面流紊动强度逐渐与深水明渠紊流的特征吻合。深水明渠紊流中受雷诺应力影响的流体占比约80%,而坡面流中受雷诺应力影响的流体占比小于80%,随着雷诺数的增加坡面流中受雷诺应力影响的流体占比变大;3)对比深水明渠紊流的峰度系数,坡面流的峰度系数大部分大于3,表明坡面流较深水明渠紊流出现极端流速事件的概率小。PIV技术有利于实验室研究坡面水力侵蚀的力学机理机制问题。     

离心泵内部流动高速摄像测量及误差分析

为了提高离心泵内部流动测量的精度,阐述离心泵内部流动高速摄像系统,研究主要拍摄参数的确定方法,分析速度误差产生的原因以及泵内速度误差的大小,提出控制误差的方法,对离心泵内部流动进行了高速摄像测量。结果表明,选择合适的拍摄距离和拍摄频率,提高图像的分辨率和判读点的识别精度,能有效控制速度误差。分析叶轮和蜗壳内的流动时,应选择合适的图像判读间隔,以协调点输入造成的误差和弧弦差造成的误差,当拍摄频率为2 000帧/s,判读间隔为6幅时,可达到最小误差0.41%;分析泵进口和出口直管段内的流动时,可忽略弧弦差造成的误差。叶轮半径从0.125 m减小到0.02 m时,测量误差从0.41%增加到2.48%,随着叶轮半径的减小,测量误差增大。在分析不同叶轮半径位置处的速度时,为了减小测量误差,应选择不同的图像判读间隔。研究结果可为提高旋转机械内部流动测量精度提供参考。     

U形渠道抛物线形移动式量水堰板研究

该文提出了U形渠道抛物线形移动式量水堰板，研究量水堰板的壅水高度、临界淹没度、喉口水深-流量关系与渠道断面、比降和喉口收缩比的关系，给出了喉口收缩比范围和流量系数计算公式，分析了其测流误差。研究表明：U形渠道抛物线形移动式量水堰板，量水精度较高，结构简单, 造价低，使用方便，可用于各种小U形灌排渠道的移动式测流。     

风力机翼型气动力非定常特性对湍流的敏感性

大气湍流是风力机非定常特性的主要诱因,该研究基于CDRFG(consistent discretizing random flow generation)方法生成湍流入口边界,采用大涡模拟（large eddy simulation, LES）研究风力机翼型气动力非定常特性对湍流的敏感性。结果表明：翼型前缘区域对湍流来流较为敏感,而中部及尾缘区域几乎不受湍流的影响。攻角分别为2°、8°和14°时,吸力面从前缘点到约0.5、0.3和0.1倍弦长位置处表面压力的标准差较均匀来流时幅值增大,表明小攻角时翼型吸力面上压力脉动受湍流影响的区域较大。来流湍流强度分别为9.3%、6.5%和4.8%时,2°攻角下翼型升力系数的标准差是其均匀来流时的6.36、5.42和4.90倍;8°攻角下是其均匀来流时的3.95、3.33和3.02倍;14°攻角下是其均匀来流时的1.78、1.63和1.40倍;表明小攻角时湍流引起的升力系数脉动特性较大攻角时更加显著。翼型前缘点脉动压力的功率谱曲线与湍流来流速度的功率谱曲线在整个频域区间趋势一致,表明前缘点压力的脉动特性主要取决于湍流来流的脉动特性,沿翼型弦向逐渐往后...     

基于模态分解的液环泵喷射器内非定常流动分析

为分析液环泵喷射器内复杂高速射流流场的瞬态流动特性,揭示射流尾迹涡脱落及激波自激振荡频率特征,该研究基于大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）数值模拟采用动态模态分解（Dynamic Mode Decomposition, DMD）和谱本征正交分解（Spectral Proper Orthogonal Decomposition, SPOD）方法对射流拟序结构进行时空解耦,对比分析两种模态分解方法在射流流动特征提取的差异性。研究结果表明,喷射器射流剪切层在与激波的干涉作用下呈现周期性振荡现象,且随着射流的演化其尾缘逐渐形成周期性脱落的尾迹涡。DMD和谱本征正交分解SPOD方法均能实现高速射流流场的解耦,且能够获得时空单频相干特征结构。主导频率1 250 Hz时,密度场DMD和SPOD 1阶模态均能反映激波及其与射流剪切层相互干扰形成的激波串结构特征;频率18 000 Hz时,DMD和SPOD动态模态则表征了射流尾缘周期性脱落的尾迹涡特征。相较于DMD方法,SPOD方法精准获取时空单频动态模态的同时能够反映出湍流射流的演变特征,而且有效避免了DMD基模态筛选时存在的不足。本研究基于LES数值模拟结果采用特征分解方法对喷射器内非定常流场进行了特征分解,为深入探索液环泵喷射器内复杂多物理耦合场奠定基础。     

不同湍流模型在轴流泵性能预测中的应用

为了评价不同湍流模型在轴流泵性能预测中的精度,该文以南水北调工程轴流泵模型作为研究对象,分别选取了3种湍流模型标准k-ε湍流模型(standard k-ε)、重正化群k-ε湍流模型(renormalization group k-ε,RNG)和雷诺应力模型(reynolds stress model,RSM),基于SIMPLE算法(semi-implicit method for pressure-linked equations)和结构化网格,进行了轴流泵性能预测和全流场数值模拟,并以水利部天津同台测试的试验结果作为基准对预测扬程和效率进行了误差分析。研究结果表明,网格密度对模拟结果具有较大影响,较疏的网格导致性能预测精度降低,在大流量和小流量工况下预测的扬程和效率误差将达到3%以上;在最优工况下,Standard k-ε、RNG k-ε和RSM湍流模型的扬程预测误差分别为0.97%、1.12%和1.24%,效率预测误差分别为2.93%、2.49%和2.97%,可满足工程应用要求;但在非设计工况下,由于二次回流、空化等复杂流动的存在,内部流场复杂,3种湍流模型的扬程最大预测误差范围为9.40%～14.30%,效率最大预测误差范围为4.48%～8.30%。该结论将为轴流泵性能预测的可靠性提供依据。     

坡面薄层水流流态判定方法的初步探讨

为了研究坡面薄层水流流态的判定方法，从水力学与泥沙动力学观点出发，在4种不同坡度有机玻璃床面与人工粗糙床面(砂粒粒径为0.5～1 mm)上对坡面薄层水流进行了试验研究，并应用水力学二元流雷诺数与泥沙动力学绕流雷诺数对坡面薄层水流流态进行了分析比较，研究结果表明绕流雷诺数能较好反映坡面薄层水流流态。     

Decoupling of air flow above and in plant canopies and gravity waves affect micrometeorological estimates of net scalar exchange

Turbulence within open canopies is shown to undergo a dramatic change in character during the transition from convective to stable conditions. In convective conditions the flow within the canopy is coupled through turbulent exchange to the flow aloft. As the transition proceeds, the within- and above-canopy flows decouple and vertically coherent waves form within the canopy. The intensity of above-canopy turbulence is not a good indicator of flow decoupling. Within-canopy waves can lead to large random error in the measurement of the change of storage and the advection terms in the mass balance equation. More importantly, errors associated with sampling over incomplete wave cycles will inevitably be combined with true advective flux divergences at non-ideal sites. Quantitative estimates of likely errors on storage of heat and CO₂ within the canopy are presented.     

提高涡轮流量计对水泵流量测量精度的研究

根据涡轮流量计的工作原理和误差理论的分析与合成原则，从理论和实际应用上，分析了产生误差的原因和误差量级，阐述了提高涡轮流量计测量水泵流量精度的方法。