基于数值模拟和风洞试验的分流对冲式集沙仪结构优化设计

集沙仪是研究土壤风蚀必不可少的仪器之一,为提高集沙效率和自动采集数据的准确性,需要不断地对集沙仪进行优化设计.该文以FLUENT软件和微型风洞为试验平台,对分流对冲式集沙仪风沙分离器的排气管直径、排气管长度、排沙口直径、排沙口收缩高度进行了优化设计.数值模拟和风洞试验的结果显示:改进型风沙分离器排气口和排沙口的降速性能与原风沙分离器相比有了明显的提高,强风条件(13.8 m/s)下,排气管直径、长度均为25 mm,排沙口直径、收缩高度分别为75、15ram时,气流对集沙仪自动采集传感器的冲击力最小,排气口最高风速比原风沙分离器降低了7.47％,排沙口最高风速比原风沙分离器降低了35.59％,改进后的集沙仪集沙效率比原集沙仪提高了1.56％.     

土壤风蚀集沙仪数值模拟与降速性能分析

集沙仪是研究土壤风蚀的一种重要装置,是观测风沙流结构和研究风沙运动规律的关键设备。为获得大量而精确的风蚀数据,需要不断地对集沙仪进行创新和优化设计。通过GAMBIT软件建模,以排气口最高风速、平均风速和排沙口最高风速、平均风速为目标函数,优化设计了排气管长度参数、排气管直径参数、排沙口距离参数、排沙口直径参数等,利用FLUENT软件对分流对冲式集沙仪进行仿真模拟,基于RNG k-ε湍流模型对分流对冲式集沙仪进行数值分析,得到结论:排气口最高风速受排气管长度影响很大,平均风速基本不受排气管长度影响;排气口最高风速、平均风速基本不受排沙口直径影响;排沙口最高风速与排沙口直径有关,随排沙口直径的增大逐渐降低,当排沙口直径增大到一定值时,排沙口最高风速不再下降,在某个值附近波动。     

近地层沙尘水平通量与集沙效率野外观测分析

沙漠是沙尘物质的重要源区,沙漠近地层沙尘水平通量的测量与研究是认识沙尘输送过程、评估风沙活动强度的基础。集沙仪是测量沙尘水平通量的最重要手段之一,被广泛应用于各种观测试验中。集沙效率是集沙仪最重要的参数,是校正沙尘水平通量测量数据的依据。选择塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的典型平沙面为观测点,利用全自动高精度集沙仪,H-11B型Sensit风蚀传感器、10 m气象塔,于2010.7-2010.8月开展了野外观测试验,基于观测数据对全自动集沙仪的集沙效率、近地层沙尘水平通量进行了分析研究。结果表明:相同时段内,集沙总量与Sensit风蚀传感器所记录的跃移颗粒数具有较好的线性关系,R~2值平均为0.6053;全自动集沙仪在5 cm高度上的平均集沙效率为94.3%;观测期间,不同沙尘天气过程的沙尘输送量存在显著差异,通过宽2 cm×高5 cm截面的最大沙尘水平通量为190.335 kg,最小为1.2 kg;5 cm高度上的跃移输沙率总体上随着风速的增加而增大,但其中有部分天气时段输沙率随风速的变化不一致,而此情况下对应时段的地表温度明显更大。     

旋风分离器内生物质焦油湍流特性的数值模拟

针对旋风分离器去除生物质热解气化产生燃气中的焦油液滴问题,利用雷诺应力湍流模型（RSM）模型和DPM模型对旋风分离器内部的三维强旋转湍流场进行了数值模拟,获得了内部流场的等动压、湍流动能、湍流强度、湍流黏度、速度矢量的分布云图,分析了旋风分离器内各主要因素对焦油分离的影响,为提高旋风分离器除焦效果提供了改进与优化依据。     

基于熵权的土地整理方案集对分析模型

土地整理方案的优选是一个复杂的不确定性问题。为克服基于专家经验或偏好的传统土地整理方案优选方法的缺陷,该文应用集对分析理论和信息熵理论,探讨了可挖掘评价指标固有信息的土地整理方案集对分析综合评价模型,即基于待选土地整理方案与理想方案的集对同一度计算贴近度,结合反映指标内在重要程度的信息熵权,综合评价待选土地整理方案。实例应用及对比结果表明,该模型应用于土地整理方案是可行的,且取得较好效果,提高了土地整理方案优选的可靠性和科学性。     

基于CFD的离心泵优化设计与试验

为了提高离心泵的效率,以叶轮效率最大为优化目标进行优化设计。对叶轮进行参数化设计,以实现叶轮几何形状的自动控制以及为优化计算提供优化变量。选择控制叶片积叠线周向定位的2个参数作为优化变量,以?3°～3°作为优化变量的约束范围。利用人工神经网络的学习功能,建立了目标函数与优化变量之间的映射关系。采用遗传算法寻找目标函数的最优值,得到优化变量约束范围内的最优叶轮模型。数值计算结果表明：在设计流量点1 200 m3/h时,优化后叶轮的效率较优化前提高了4.02个百分点,离心泵的效率提高了4.41个百分点,扬程提升了2.63 m。针对非设计工况点性能改善不明显这一问题,对原始蜗壳进行重新设计并与优化叶轮组合进行数值计算。在设计工况点效率提高了1.59%,在1.2倍设计工况点处效率提升了9.93%,在1.4倍设计工况点处效率提升了8.83%;较原始叶轮与原始蜗壳的组合,在设计工况点泵的效率提高了6%,在1.2倍设计工况点点效率提高了9.2%,在1.4倍设计工况点点效率提高了8.59%。优化拓宽了水泵运行的高效区,增强了泵的运行稳定性,离心泵的性能得到了优化,叶轮与蜗壳之间的匹配更合理。该研究对离心泵的优化设计提供了参考。     

可逆式水泵水轮机转轮的三维反问题优化设计

与常规的水泵或水轮机转轮相比,可逆式水泵水轮机转轮要兼顾水泵和水轮机2种工况下的性能,设计要求高、难度大,且影响转轮性能的设计参数较多,很难通过设计-修正-试验的方法获得2种运行工况下性能均优的可逆式水泵水轮机转轮。针对这些困难,该文将三维反问题设计、CFD计算与多目标优化策略相结合,构建了可逆式水泵水轮机转轮的优化设计系统。该设计系统不仅可缩短转轮设计周期,且能对多个运行工况下的多个目标同时进行优化。利用该优化设计系统,以叶片载荷和叶片倾角为优化变量,以水泵设计工况点的转轮效率和水轮机额定工况点的转轮效率为优化目标,以水泵设计工况的扬程为约束,对某一抽水蓄能电站的水泵水轮机转轮进行了优化设计。结果表明利用该优化设计系统能够设计出在水泵和水轮机2种运行工况下转轮水力效率均高于95%的可逆式水泵水轮机转轮,其中水泵设计工况下转轮效率提高了0.15%,水轮机额定工况下转轮效率提高了2%,表明了该优化设计系统在提高可逆式水泵水轮机转轮性能方面的可行性和有效性。该研究可为水力机械,包括水泵水轮机、常规水轮机、水泵的设计开发提供参考。     

基于CFD的6MF-30型风力灭火机多目标优化

为了解决6MF-30型风力灭火机效率偏低等问题,该文首先对该风力灭火机的实际工况进行测试并模拟计算;然后应用最优化理论,建立该风力灭火机效率和声功率级的多目标优化数学模型,编程计算得到设计变量的最优组合及计算结果,以优化后的结构参数为基础建立三维模型,模拟计算结果显示,优化风机的A计权声压级虽然较原机增加1.28%,但效率、出口全压、出口流量和出口速度分别较原机提高17.56%、23.96%、11.56%和11.33%,风机的综合性能得到改善。该结论可为风力灭火机的设计提供参考。     

工程建设效果后评价博弈论集对分析模型的建立与应用

针对工程建设效果后评价中具有很多确定性和不确定性因素,且评价因子与等级标准间存在着复杂的非线性关系这一大难题,该文将集对分析理论和博弈论相结合,提出基于博弈论的集对分析模型。该模型运用博弈论确定指标权重,然后将指标实际值和等级标准值构成一个集对,根据集对分析方法计算其综合联系度,据此判断评价对象的等级及其在等级间的转化趋势。之后引入集对的同势、反势、均势分析系统内部各子系统之间的协调程度进而解释转化趋势的内在原因。最后将模型运用于湖南省农村饮水安全工程建设效果后评价中,并与突变评价法相比较。结果显示:湖南省14个市(州)中有3个地区(衡阳、郴州、永州)农村饮水安全级别为"优",3个地区(常德、益阳、娄底)农村饮水安全级别为"一般",其他地区农村饮水安全均"良好";长沙和怀化农村饮水安全系统协调性很强,工程可持续发展水平高;娄底农村饮水安全系统协调性一般,工程可持续发展水平不高;株洲农村饮水安全系统极不协调,工程可持续发展状况不容乐观;衡阳和郴州农村饮水安全系统基本不协调,工程可持续发展状况较差;其他市农村饮水安全系统基本协调,工程后续效益较为稳定。方法对比表明该文方法的研究结果可靠度更高,反映出的信息更全面、合理。该研究可为类似或后续工程管理提供决策参考。     

基于CFD模拟的浓缩风能装置结构优化设计

浓缩风能装置的结构直接影响浓缩风能型风电机组的性能。在该文中,采用计算流体力学软件对浓缩风能装置进行结构优化。优化方案是在原模型扩散管后增加一段锥形管,并分析锥形管的母线长度d及偏转角β对浓缩性能的影响。分析结果表明,锥形管母线长度为0.4D(D为中央圆筒直径),偏转角为50°时的优化模型为较优模型。浓缩风能装置优化模型的浓缩性能由锥形管后方的漩涡和锥形管内壁面上的流动分离决定。漩涡的存在使浓缩风能装置优化模型的浓缩性能优于原模型。流动分离会使浓缩性能降低。使浓缩风能装置得到优化的最佳状态是锥形管后方出现一个强烈的漩涡,同时锥形管内壁面附近不出现强度较大的流动分离。     

土壤风蚀采沙器的结构设计与性能试验研究

土壤风蚀是全球性土地退化的主要原因之一,也是世界上许多国家和地区的主要环境问题之一。为了准确认识和掌握风沙运动规律,有效指导防止风蚀措施的选择,该文研制了适用于野外采集风蚀土壤颗粒的采沙器,并在风洞内对其等动力性、高效率性及选择性进行了验证试验。试验结果表明：所研制的采沙器满足等动力特性要求;采集率为85.6％,可作为输沙量统一修订系数;采沙器更适用于采集以跃移形式运动的土壤颗粒。     

集沙仪结构参数对集沙效率的影响

通过分析近年来国内外集沙仪的研究成果,确定了影响集沙仪集沙效率的主要结构参数：集沙仪进沙口的高宽比、进沙通道长度、布袋材质等。根据集沙仪性能试验要求,对不同结构参数的集沙仪进行了风洞性能试验。试验结果表明：在6、9 、12、15、18 m/s 5个风速下,集沙仪对0.15～0.60 mm粒径土样的平均集沙效率高于混合土样和0.15 mm以下粒径土样的平均集沙效率,说明集沙仪更适合采集以跃移形式运动的土壤颗粒。结构因素对集沙效率影响的主次顺序为进沙口高宽比、进沙通道长度、布袋材质。进沙口高宽比是对集沙效率影响显著的结构因素。通过对试验结果的极差和方差分析,得出集沙仪最优组合的结构参数是高宽比为0.5、进沙通道长度为20 cm、白丝布,此时集沙仪的平均集沙效率为80.91%。     

基于GPRS的土壤风蚀实时监测系统研制与测试

为克服野外观测和风洞测试的缺点与不足,提高观测数据的连续性、科学性与可靠性。该文综合无线传感网络技术、传感器技术、电子技术和网络通信技术,研制了热敏式风速传感器、分流对冲式风沙分离器和具有无线组网与自动数据采集处理功能的近地表风速廓线仪和多通道集沙仪,建立了基于GPRS网络的土壤风蚀监测系统,实现了被测区域环境温度、相对湿度、大气压力、近地表风速廓线和风沙流结构等参数的同步采集、实时处理和远程监测等功能。试验结果表明:风速传感器输出电压在0.3～4.3 V之间,响应时间小于3 s,有效测量范围在0～17 m/s,测量精度随风速增大而降低,在6和17 m/s风速下的测量精度分别为0.1和0.3 m/s;风沙分离器的降速效率和风沙分离效率分别在96%和99.8%以上,平均等动力性≥92%;称量系统有效测量范围在0～170 g,精度达0.01 g,短期静态误差和长期累积误差分别不超过±0.02 g和±0.04 g;9、12、15和18 m/s风速下的平均集沙效率达91.98%;无线通信建立时间≤5 s,中心汇聚节点可在3 s内实现一次节点遍历和数据汇聚,有效传输距离达140 m以上;风速廓线节点和集沙仪节点单次最大工作时长不低于6和22 h。在野外试验条件下,系统软硬件部分均运行稳定可靠,自组网数据传输的丢包率和错误次数为0,环境温度、相对湿度和大气压力的偏差分别小于2℃、4%和10 hPa;测得的近地表风速廓线与风沙流结构均符合指数分布规律,满足大尺度、跨区域野外土壤风蚀同步研究的需求。     

土壤含水率及物理性砂粒含量对风蚀模数影响的风洞模拟

为了探究土壤含水率及物理性砂粒含量对土壤风蚀模数的影响,在室内风洞中在5、6、9、12、15和18m/s风速下对不同含水率(0,1%,2%,3%,4%,5%,6%,7%,8%,9%和10%)的7种土壤(物理性砂粒质量分数的分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%)进行了10min吹蚀,在风洞轴线距出口1.2m处放置旋风式集沙仪分别测定垂直方向上10个不同高度的风蚀物收集量(高度分别为20、60、120、180、240、300、400、500、600和700mm),并利用MATLAB7.4.0(R2007)软件采用3次样条插值拟合法对旋风式集沙仪不同高度的风蚀物收集量进行积分,通过换算计算土壤风蚀模数E。结果表明,物理性砂粒质量分数低于40%的土壤在各种水分条件下集沙仪不同高度风蚀物收集量均很小。物理性砂粒质量分数≤20%时,风蚀物收集量在空间上符合指数函数变化规律;20%<物理性砂粒质量分数<40%风蚀物收集量在空间上利用指数函数和幂函数拟合相关性均很好,物理性砂粒质量分数高于40%后,风蚀物收集量在空间上呈现幂函数曲线变化规律。9m/s风速基本上是风蚀物空间动态发生变化的临界点;低于临界风速,风蚀物收集量与高度符合指数曲线变化规律;高于临界风速,二者符合幂函数曲线变化规律。集沙仪不同高度的总输沙量随风速的增加而增大,二者符合指数曲线变化关系。物理性砂粒质量分数低于40%的土壤,不会有风蚀现象发生;当物理性砂粒质量分数大于40%后,土壤容易发生风蚀,而且风蚀程度随物理性砂粒含量的增加而增大,尤其当土壤含水率低于3%时,极易发生风蚀。风速越大土壤风蚀模数越大,风蚀模数与风速按照指数曲线规律进行变化。阴山北麓旱作区冬春季节土壤地表含水率一般维持在3%～4%,土壤的物理性砂粒质量分数基本在50%～80%;单纯从土壤水分和土壤物理性砂粒含量考虑,阴山北麓旱作区大部分地区是沙尘暴的发生源。     

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。     

保护性措施对农田土壤风蚀影响的室内风洞模拟

为寻求合理的保护性耕作措施,试验设计了砾石覆盖、秸秆覆盖、覆盖与留茬组合的措施和4个风速等变量,研究风速、覆盖物和覆盖度与风蚀量、抗风蚀效率、风沙流结构的关系,比较多种措施之间的抗风蚀效果优劣.结果表明:1)4个设定风速下30％ ～ 90％覆盖度的秸秆覆盖的抗风蚀效率在54％ ～ 92％之间,砾石覆盖为26％～72％,30％的砾石覆盖或30％的秸秆覆盖与3种留茬高度的组合措施下,平均抗风蚀效率均在70％ ～ 78％之间;2)随着覆盖度的增加,砾石覆盖措施最小可抑制的有效风速值从8.0 m/s逐渐增大到12.5 m/s,秸秆覆盖措施从10.1m/s增加到了14.3 m/s;3)覆盖处理下0～62 cm高度内的输沙量大部分集中在0～26 cm;4)覆盖与留茬组合措施的输沙量多集中在60 cm以内.     

利用PAM防治松散扰动沙土风蚀效果的风洞试验研究

翻耕农地和建设工地的扰动松散土是沙尘的重要来源。防止扰动土风蚀是保护生态环境的重要内容。该研究通过室内风洞模拟试验,研究了PAM对于提高松散扰动土起动风速、防止风蚀的效果。试验分别采用0°、10°、20°、30°不同的吹角,地表处理为：喷施PAM（用量分别为0.5,1,2,4 g/m²）、喷施清水和未加处理的自然松散扰动（沙）土。试验结果表明：通过表面喷洒PAM溶液可以显著地提高松散扰动土的起动风速,达到控制风蚀的目的;仅喷洒清水处理也可以在一定程度上提高沙尘的起动风速,但其效果甚微;如果松散(沙)土喷施PAM的表面不被扰动（无裂纹）,用于松散土风蚀防治时PAM用量控制在1 g/m²以上就可以有效防止风蚀发生,试样经受风速为14 m/s左右的大风、历时30 min而未产生风蚀。     

Wind tunnel test and Cs tracing study on wind erosion of several soils in Tibet

The soils of alpine meadows and alpine grassland steppes, aeolian soils, coarse-grained soils, and farm soils cultivated from alpine grasslands in Tibet are typical soils that are suffering from different degrees of soil erosion by wind. Based on field investigations, wind tunnel experiments, and a ¹³⁷Cs trace study, this work tested the erodibility of these soils by wind, simulated the protective functions of natural vegetation and the accelerative effects of damage by livestock, woodcutting, and cultivation on erosion, and estimated erosion rates from 1963 to 2001. The results indicated that alpine meadows have the strongest resistance to wind erosion, and that undamaged alpine meadow soils generally sustain only weak or no wind erosion. Alpine grassland steppes with good vegetation cover and little damage by humans exhibit good resistance to wind erosion and suffered from only slight erosion. However, soil erodibility increased remarkably in response to serious disturbance by livestock and woodcutting; wind erosion reached 33.03 t ha⁻¹ year⁻¹. The erodibility of semi-stabilized aeolian soil and mobile aeolian soil was highest, at 52.17 and 56.4 t ha⁻¹ year⁻¹, respectively. The mean erosion rates of coarse-grained soil with various levels of vegetation coverage and of farm soil were intermediate, at 45.85 and 51.33 t ha⁻¹ year⁻¹, respectively. Restricting livestock, woodcutting, and excessive grassland cultivation are the keys to controlling wind erosion in Tibet. In agricultural regions, taking protective cultivation and management to enhance surface roughness is a useful way to control wind erosion.     

土工格栅沙障防风积沙效应风洞模拟实验

 模型按1∶10比例设计,在71、5和20m/s的实验风速下,对不同规格和孔隙度的土工格栅沙障模型进行风洞模拟实验,测定其防风与积沙效应。结果表明:不同规格格栅沙障的风速流场趋势相同,在障前、障中和障后形成4个减速区和3个加速区。障前、障后风速降低是土工格栅沙障防沙的主要机制;障中的增速区是引起沙障中部不积沙或少积沙的诱因。格栅沙障因障间互相连接而增强了防护功能,使得流沙被有效地控制在体系内部。同一规格的沙障,障内积沙厚度随着风速的增大而增大,随着距沙源距离的增加而减小。不同规格的沙障,障内积沙厚度随着规格的增大而减小,随着孔隙度的增大而减小。不同风速下,不同规格沙障间积沙厚度差异显著。从积沙厚度和防沙目的分析,10cm×10cm规格的沙障积沙效应最好,10cm×20cm次之,20cm×20cm最差。在设计与设置沙障时需要考虑成本、防护目的和沙源等多方面的因素。