基于BPNN-GA的泵站前池整流底坎参数优化

为了减少泵站进水结构内的不良流态,提高泵组运行效率,该研究基于计算流体动力学以及BPNN-GA(Back Propagation Neural Network-Genetic Algorithm)算法对泵站前池内底坎的结构设计参数进行优化。为便于计算遗传算法的适应度,在轴向流速分布均匀度和速度加权平均角基础上提出了前池水流流态的综合评价指标F。以综合评价指标F为目标参量,通过遗传算法优化训练好的BPNN模型,得出最优底坎结构设计参数,并同正交试验设计的最优方案的数值模拟结构对比分析。研究结果表明,在1、2、4号水泵机组运行情况下,相比于正交试验设计的最优方案泵站前池水流流态, 1号水泵进水流道的轴向流速分布均匀度提高了16.58个百分点,速度加权平均角增加了4.66°;2号水泵进水流道的轴向流速分布均匀度提高了0.49个百分点,速度加权平均角下降了2.81°;4号水泵进水流道的轴向流速分布均匀度提高了8个百分点,速度加权平均角增加了7.81°,综合评价指标F为1.16,表明前池流态得到较大幅度的提高。基于BPNN-GA算法对泵站前池整流底坎参数进行优化,克服传统方法陷入局部最优的缺陷,可在满足设计要求的范围内选出当轴向流速分布均匀度和速度加权平均角最优时的底坎设计参数,为计算智能在泵站优化水力设计方面提供参考。     

改进型深筒式消力井消能效果及影响因素分析

为优化深筒式消力井装置的结构,使其在增加消能率的同时而不影响水流平顺流入下一级管道,并能降低水流对消力井井底的冲刷破坏作用,通过理论分析和模型试验研究,测量了消力井的相关水力参数,计算了不同结构体型消力井的水头损失系数和消能率,从消能率的角度探讨了多喷孔出水口的结构参数、溢流板高度与水头损失系数之间的关系,结合井底压强分布情况寻找较优的结构体型。结果表明:采用多喷孔出水口并增设溢流板的改进Ⅱ型消力井消能率比传统型的要高30%且井底压强分布均匀,在结构上具有明显优势。改进Ⅱ型消力井在小流量情况下过堰水流为自由出流,此时消力井水头损失系数会随流量的增加而降低,当流量增加至淹没出流后消力井水头损失系数随流量变化不明显。相对开孔面积为100%时,消力井主井水头损失系数随喷孔孔径的增加会有小幅度的减小;在距径比不大于2.5时水头损失系数随距径比的增大而减小,距径比大于2.5之后对水头损失系数影响不大;喷孔错列布置的水头损失系数明显比并列布置的大;溢流板高度对消力井水头损失系数的影响不明显,在淹没出流时堰板高度小的消力井水头损失系数略微有所降低。此研究可为深筒式消力井的结构设计提供参考,亦可为解决长距离管道输水过程中的消能问题提供科学依据。     

考虑工作压力的垂直摇臂式喷头可调结构参数优化与试验

为了使垂直摇臂式喷头运行时处于最优水力性能状态,采用中心复合试验设计与响应曲面分析对喷头的可调工作参数进行优化研究。以配重与旋转中心的距离、工作压力和喷嘴直径为变量,以喷灌变异系数、平均喷灌强度、正方形布置均匀系数和正三角形布置均匀系数为响应指标,建立了不同响应指标与变量的多元回归模型,研究了各因素及其交互作用对不同响应指标的影响。利用回归模型进行单目标与多目标的参数优化,并对其进行试验验证。结果表明:各因素对喷灌变异系数的影响顺序依次是:工作压力、喷嘴直径、配重与旋转中心的距离;对平均喷灌强度的影响顺序依次是:喷嘴直径、配重与旋转中心的距离、工作压力;对正方形布置均匀系数的影响顺序依次是:工作压力、配重与旋转中心的距离、喷嘴直径;对正三角形布置均匀系数的影响顺序依次是:工作压力、配重与旋转中心的距离、喷嘴直径。多目标优化下的最佳组合参数为:配重与旋转中心的距离116 mm、工作压力543 k Pa、喷嘴直径12.6 mm,其对应的喷灌变异系数、平均喷灌强度、正方形布置均匀系数和正三角形布置均匀系数分别为:0.27、6.37 mm/h、87.60%、87.93%,预测值与试验值的误差小于5%,预测回归模型具有较高的可信度。该研究可为垂直摇臂式喷头的设计以及合理调节配重与旋转中心的距离、工作压力和喷嘴直径使喷头运行时处于最优水力性能提供参考。     

舟曲县“8·8”特大山洪泥石流灾害成因与防治对策

通过对甘肃省甘南藏族自治州舟曲县县城东北部的三眼峪沟和罗家峪沟"8.8"特大山洪泥石流成因、发育特征及趋势、危害现状的实地调查,提出了合理可行的综合治理和防治措施,即以坡面生物措施治理为主,兼顾稳固原有沟床的埋块石混凝土护底消力坎工程,结合排导沟、水门坎的综合治理对策。     

基于驾驶员生物力学特性的拖拉机座椅位置参数优化

座椅为拖拉机与驾驶员的主要接触部件，其参数设计与优化对提高驾驶舒适性具有重要意义。基于此，该研究采用生物力学软件AnyBody建立驾驶员-驾驶环境生物力学耦合模型，并以小、中、大体型驾驶员为研究对象，以拖拉机座椅靠背倾角、水平距离及垂直高度为参数，以竖脊肌、多裂肌、腹直肌及腹外斜肌激活程度为评价指标，分析研究座椅位置参数对驾驶员腰部肌肉生物力学特性的影响规律，确定座椅最佳位置参数；其次以课题组研制的多自由度驾驶平台为基础，按照上述参数调节座椅位置，测试计算不同体型驾驶员腰部四个主要活动肌群的激活程度，并将测试结果与仿真分析结果进行对比，发现二者具有较好一致性，通过调整座椅参数能有效提升驾驶员腰部舒适性。对小体型驾驶员，当座椅靠背倾角为9.7°，水平距离为472.1 mm，垂直高度为465.3 mm时，4个肌群总的激活程度最低，驾驶员腰部舒适性最高；对中体型驾驶员，座椅最适靠背倾角为13.9°，水平距离为495.6 mm，垂直高度为485.3 mm；对大体型驾驶员，座椅最适靠背倾角为14.8°，水平距离为526.4 mm，垂直高度为520.7 mm。本文研究成果可为农机装备座椅位置参数优化提供一种新思路。     

提高鸭蛋清洁度的层叠式笼养蛋鸭笼底网的优化设计

为解决层叠式蛋鸭笼养设备在笼养鸭过程中出现鸭蛋表面脏污严重的问题,该文优化设计了蛋鸭笼底网外形尺寸参数。该文建立鸭蛋滚落运动仿真模型,利用二分法确定笼底网坡度合理范围。基于笼底网坡度合理范围,综合考虑笼底网间距、笼底网直径、笼底网质量及最大位移变形,建立笼底网优化数学模型。以有限元软件ANSYS为计算平台,采用三因素四水平相应曲面分析法,并基于最大位移变形响应面对蛋鸭笼底网尺寸参数进行寻优,寻优结果中笼底篦漏孔最大的一组解为最优解。优化结果较优化前,笼底网坡度增大至8.5°,笼底篦漏孔增大29.2%,笼底网最大位移变形量下降18.1%;为进一步检验优化结果可行性,该文利用优化后笼底网进行蛋鸭笼养试验。试验结果显示,蛋鸭笼底网优化后显著提高了鸭蛋清洁度,对毛羽品相、产蛋率及鸭蛋破损率无显著影响。该研究可为禽类笼养设备笼网的研制提供参考。     

拱形塑料大棚风致干扰效应及风压特性研究

群体布置的拱形塑料大棚(简称群棚)棚间存在风致干扰效应,为了探明群棚干扰效应并建立考虑干扰效应的风荷载体型系数,基于Reynolds时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,采用经验证的数值风洞方法研究了拱形塑料大棚单棚及群棚模型在不同风向角、不同棚间距下的表面风压特性。结果表明:拱棚群体布置引发干扰效应并改变风压特性,该效应具体表现为放大效应(群棚外围区域)和遮挡效应(群棚中间区域);干扰效应受风向角及棚间距的影响较明显,整体随棚间距增大而减弱,并大致在10 m棚间距时趋于稳定。干扰效应整体削弱棚区风压通风能力,从利于风压通风角度提出了群棚园区规划布局建议,即棚身长轴方向宜与群棚所处地域夏季主导风向相垂直并适当增加棚间距。最后,以上述研究为基础,根据干扰效应分区域给出了群棚(矢跨比=3:8)便于设计使用的风荷载体型系数。处于群棚外围区域的拱棚,其风荷载体型系数具体为:当风向角为0时,风荷载体型系数在迎风面、中间棚顶、背风面、两侧山墙分别为+0.41、-0.78、-0.26、-0.48;当风向角为90°时,风荷载体型系数在迎风山墙、棚面分别为+0.36、-0.44。处于群棚中间区域的拱棚,其风荷载体型系数具体为:当风向角为0时,风荷载体型系数在迎风面、中间棚顶、背风面、两侧山墙分别为+0.30、-0.71、-0.26、-0.48;当风向角为90°时,风荷载体型系数在迎风山墙、棚面分别为+0.34、-0.35。研究结论:群体布置的拱形塑料大棚存在风致干扰效应,设计时宜考虑风致干扰效应引起的棚面风压变化。     

植物篱防蚀措施对三峡库区坡耕地微地形的影响

三峡库区是我国重要的水蚀区之一，过度农业利用引发水土流失和生态退化。采用保护性管理对坡耕地水土和营养盐流失的影响已经开展了很多研究，而基于长期试验的保护性管理措施对坡面微地形的影响，鲜有涉及。本文对位于三峡库区域地区陡坡地四种管理模式长期试验径流小区坡面地形相关参数进行了观测、分析。结果显示，与对照小麦—花生种植模式相比，采用套种紫花苜蓿植物篱、香椿植物篱能够极显著降低水土流失，坡面地形沿篱基梯级化显著。而黑麦草-籽粒苋替代模式对水土流失控制效果不稳定，且坡面地形与对照无差异。小麦-花生套种紫花苜蓿、香椿植物篱处理的坡面均形成基于篱带部的篱坎，篱坎下部侵蚀较强，篱带上淤下蚀现象明显。其中小麦-花生套种香椿植物篱小区坡面形成2级植物篱淤积坎，坎宽幅平均达到420.8 cm，淤积坎相对高差为40.4 cm，平均坡度下降1.4度。小麦-花生套种紫花苜蓿植物篱坡面形成4级篱坎平均坎宽幅为210.3 cm，平均相对高度为110.6 cm，平均坡长为238.1 cm，平均坡度下降0.3度。说明坡耕地采用植物篱技术能够减蚀截淤，显著改变微地形。针对微地形的变化，套作植物篱的坡耕地在后期宜实行坡改梯或梯级坡地配套完善灌排设施，利用已优选的植物品种设计木本与草本套种的复合植物篱，有望进一步改善土体根系分布，从而稳固篱坎，控制水土流失。该研究为植物篱技术后续管理措施优化提供了参考依据。     

考虑滴头堵塞位置的灌水均匀系数模型优化

为准确评价堵塞对滴灌工程灌水均匀性的影响,从确定采样点布置方式入手,利用HYDRUS-2D模拟不同堵塞情况下的土壤水分状况,首先分析灌水均匀性与土壤水分分布均匀性之间的关系,然后以土壤水分分布均匀系数为依据,在考虑滴头堵塞位置的基础上对灌水均匀系数模型进行优化,最后通过温室灌溉试验进行验证。结果表明,取样点布置方式对土壤水分分布均匀系数影响显著,适宜的取样间距和深度分别为60 cm及地表下20 cm。土壤水分分布均匀系数与不同灌水均匀系数之间存在良好的线性关系,且随着堵塞滴头数量的增加,堵塞滴头位置分布情况对土壤水分分布均匀性的影响增大。小区灌溉试验结果表明,当堵塞滴头数量较多时,土壤水分分布均匀系数与考虑滴头堵塞位置的优化灌水均匀系数具有较高的相关性,优于原指标,可较好反映由堵塞滴头位置改变引起的土壤水分分布均匀性变化,故在评价滴灌系统灌水均匀性时宜使用优化均匀系数。     

基于EDEM软件的肥料调配装置关键部件参数优化与试验

为实现播种作业条件下肥料调比的分层深施,以满足不同作物整个生育期的养分供应,设计了肥料调配装置,并通过理论分析的方法确定了各关键部件的主要参数。以挡杆直径及分肥份数为试验因素,合格系数及波动系数为试验指标,分别采用仿真试验及验证试验的方法,进行二因素三水平正交肥料均布器参数优化试验研究,试验结果表明:均肥份数为极显著影响(P0.01),挡杆直径为显著影响(P0.05);肥料均布器最优参数为挡杆直径4 mm,均肥份数16,此时,试验指标合格系数及波动系数的仿真值及试验值分别为0.903、0.928及68.6、78,相对误差分别为2.19%、12.05%,验证试验与仿真试验具有相同的因素指标响应趋势,利用仿真试验进行肥料均布器参数优化具有可行性。该研究为肥料调配装置的设计研究提供了参考。     

大型泵站进水流场组合式导流墩整流效果分析

大型泵站前池和进水池经常存在表面旋涡和附壁涡,从而影响水泵运行稳定性。而由于大型泵站的尺度大,单一型式的导流墩很难改善这类泵站的进水流场。该文以广东省永湖泵站为研究对象,采用数值计算和现场测试相结合的方法,研究了组合式导流墩在改善大型泵站前池、进水池流态方面的效果,构建了由八字型导流墩、川字型导流墩和十字型消涡板相结合的组合式导流墩。三维流体动力学计算发现,组合式导流墩利用前端的八字型导流墩降低前池扩散角,减弱前池大尺度表面旋涡,借助后续的川字型导流墩调整流动均匀度,将水流均匀导入进水池,再通过水泵吸水喇叭管下部的十字型消涡板去除水泵吸水喇叭管周边的附底涡,提高流速分布均匀度,经计算喇叭管底面、水泵进口断面流速分布均匀度分别提高了7.8%、10.6%。实际测试表明,组合式导流墩将水泵最大压力脉动降低17.1%,将水泵振动由D区降低到C区,达到水泵技术标准规定的振动要求,保证了泵站的安全稳定运行。该研究对大型泵站建设提供了参考。     

泵站进水池超低水位下组合整流方案与验证

泵站在超低水位下运行时,将引起泵站进水水流流态恶化,危及泵站的安全稳定运行。为了解决这一问题,该文通过对黄河下游田山一级泵站在进水池超低水位下运行时存在的严重不良流态及其对机组造成的危害进行了分析,提出了在进水池设置导流台、水下消涡板和W型后墙导流墩的组合整流措施,应用三维数值计算方法对进水池的水流流态和该组合整流措施下的整流效果进行了数值模拟,并采用透明的进水池模型对数值模拟结果进行了检验。数值计算和模型试验结果表明:组合整流措施消除了进水池表面、池底、边壁的漩涡、回流以及死水区,进水池的水流流态和进水喇叭口的轴向速度分布得到了有效的改善。研究成果可为超低水位下运行的泵站提供参考。     

考虑河道输水损失的大型泵站系统运行优化

大型泵站前池水位变化频繁且变化幅度较大时,机组经常偏离高效区运行,造成能源浪费。泵站系统中除了主机组、辅助设备和输变电设施消耗能量外,河道的输水水量损失和水力损失也综合成泵站所抽提水体的水能损失,进而影响泵站的运行性能。根据水源水位变化,在调水目的地水位一定的情况下,考虑河道输水水力损失与水量损失,首先分别确定调水目的地需要流量与泵站抽水扬程、抽水流量之间的关系,避免了优化计算过程中水位的重复迭代,极大减小了计算量与计算时间。以长江三江营最大潮差、平均潮差、最小潮差3个典型日为例,在南水北调东线淮安站站下水位及需要流量一定的情况下,以系统日运行费用最少为优化目标,建立优化模型,并采用模拟退火-粒子群算法(SA-PSO,simulated annealing-particle swarm optimization)求解,计算结果表明,与水泵设计角度运行方案相比,泵站系统实施变角优化运行,其运行费用可分别节约0.62%~2.26%、0.33%~3.26%和0.22%~0.83%。     

箱涵式进水流道的立式轴流泵装置水动力特性分析

为了研究有涡时箱涵式进水流道的立式轴流泵装置水动力性能,该文采用CFD(computational fluid dynamic)和高速摄影技术对箱涵式进水流道的立式轴流泵装置进水流道内部附底涡流动特征及其对泵装置水动力性能的影响进行了分析。数值模拟和试验结果表明,基于CFD数值模拟技术,成功捕捉到各工况时箱涵式进水流道内部附底涡轨迹,与高速摄影捕捉到附底涡的运动轨迹较为一致,且均发生于喇叭管口下方,附底涡对泵装置的安全运行稳定性有直接影响。有、无消涡锥的箱涵式进水流道出口断面的轴向速度分布均匀度与速度加权平均角的差异性较小,但其水力损失值下降较大;叶轮所受轴向力相对比值m1在0～7.0%范围内波动,轴向力随流量系数的增大而减小,附底涡对叶轮所受径向力的影响较大,径向力相对比值m2在5.0%～110.0%范围内波动,涡带对叶轮受力有一定程度的影响,实际工程中应避免箱涵式进水流道内部涡带的出现。     

扬程变幅较大的供水泵站的优化设计

该文提出了在供水泵站净扬程变幅较大条件下多年平均装置效率的计算方法。以泵站调速装置为核心，年费用最小为目标函数，借助于计算机，给出了供水泵站优化设计的计算成果。     

淮阴三站变频变速优化运行的分解-动态规划聚合法

以泵站多机组变频变速运行日耗电费用最小为目标,构造泵站多机组变频变速日优化运行数学模型。考虑变频装置效率随机组转速变化情况,采用大系统分解-动态规划聚合方法求解。先以泵站日提水耗电费用最小为目标,机组提水量为协调变量,将该模型分解为若干个单机组变频变速日优化运行子模型;再以各机组提水量为决策变量,泵站提水量的离散值为状态变量,构造聚合模型,二者均采用动态规划方法求解。该方法对求解不同型号泵机组或各机组同型号但性能存在差异的泵站变频变速最优化运行问题同样适用。以南水北调东线第三梯级泵站淮阴三站运行为例,获得了一系列优化成果。     

双向对冲流滴灌灌水器水力性能与消能效果

双向对冲流滴灌灌水器是1种可形成急转流、正反双向流、以及对冲混掺流等加大能量耗散效果的新型灌水器。为研究灌水器的水力性能以及流道几何参数对水力特性的影响,取灌水器几何参数作为因素,采用正交设计安排25组试验方案,开展水力性能测试,计算流道的局部损失系数,同时对正交试验结果进行直观和方差分析,建立几何参数与流态指数的回归模型。结果表明,灌水器流态指数为0.432～0.464,其水力性能良好。单元流道的局部损失系数为6.698～19.130,显示优越的消能效果。挡水件与分水件最大过水通道宽度对流态指数的影响最大。建立的几何参数与流态指数之间的回归模型R2=0.94,且验证表明其估算值与试验值相对误差小于5%,可可靠地估算流态指数。研究可为双向对冲流滴灌灌水器水力性能预研和评估、结构优化提供参考。     

基于混合狼群算法参数优选的泵站群运行优化

对于求解复杂的并联泵站群优化运行模型,狼群算法(wolf pack algorithm,WPA)存在收敛性和鲁棒性差等问题。为改善这些问题,该文以某典型并联泵站群为例,以泵站系统主机组运行能耗最低为优化目标,考虑流量、叶片角度、开机台数等约束条件,建立了并联泵站群优化运行模型。将模拟退火算法引入WPA算法中,提出混合狼群算法(hybrid wolf pack algorithm,HWPA)用于求解建立的优化模型。选择最小值、平均值和标准差作为算法性能的评价指标。相较于粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)和WPA算法,HWPA算法求解典型并联泵站群优化运行模型得出的运行能耗最小值平均降低了15.60、10.23 kW,平均值平均降低了36.94、14.30 kW,标准差平均降低了84.82%、72.90%。在HWPA算法的基础上,对算法中的游走步长、奔袭步长、围攻步长的最小值和最大值4个参数进行单因素分析和拉丁超立方抽样设计计算,确定出4个参数的最优组合为0.33、1.53、0.672和4.8×10^5,进而提出改进混合狼群算法(improved hybrid wolf pack algorithm,IHWPA)。相较于HWPA算法,IHWPA算法求解典型并联泵站群优化运行模型得出的运行能耗最小值和平均值平均降低了4.66和13.26 kW,标准差平均降低了94.02%。应用IHWPA算法确定典型并联泵站群6个不同运行工况优化方案,结果表明,采用引入模拟退火算法、优选WPA算法参数的方法提高了算法的全局收敛性与计算鲁棒性,泵站运行最优决策方案较实际方案的运行能耗平均降低9.80%,可为泵站工程提供合理有效的运行方案,降低运行能耗。     

北方灌区混凝土衬砌渠道断面优化及参数分析

人工明渠是中国北方灌区采用的主要输水方式。合理的渠道断面参数计算是水利计算中的重要环节。因此,合理的模型与较高精度的计算方法是求解渠道断面的关键。然而传统灌区混凝土衬砌渠道断面优化设计仅从最优水力断面角度出发,考虑单一水力要素,而忽视了渠道冻胀安全以及工程造价的问题。该文建立了以最优水力断面、工程造价最小为目标,满足混凝土衬砌渠道冻胀要求的数学模型。根据模型非线性的特点,利用自适应粒子群优化算法,对混凝土衬砌渠道梯形断面结构进行优化,选用自适应粒子群算法可以很好地克服算法陷入局部最优解的问题。建立的模型将混凝土衬砌量与工程占地最小作为目标函数优化。优化结果在最佳水力断面基础上,满足边坡稳定与工程量最小。最后将模型应用于黑龙江依兰县倭肯河灌区学兴干渠,分析了渠道边坡系数、渠底宽和渠道水深对目标函数的影响规律。优化结果表明,模型计算所得渠道工程占地减小1.5%,混凝土衬砌量减小1.8%。各个参数中,边坡系数对目标函数影响较大。混凝土衬砌厚度由土壤性质、冻结力大小所决定。该研究成果为提高寒区混凝土防渗渠道优化设计水平及灌区运行效益提供了理论依据。