螺旋凸轮泵转子腔流量特性数值分析与验证

为了阐明螺旋角对凸轮泵转子腔内部流量特性的影响规律,揭示螺旋角和凸轮泵特性曲线的定量关系,基于FLUENT动网格技术和RNG k-ε湍流模型,对凸轮泵转子腔内部进行三维瞬态流动数值计算,比较了9种螺旋角凸轮泵转子腔内部流量特性,揭示了螺旋角对转子腔内部瞬态流动结构的影响机制,并通过理论计算及试验验证数值预测分对比析,其相对误差在2.5%~5.7%,具有较高的准确性。研究表明:螺旋角对凸轮泵流量特性及泵腔内部流动有显著影响,相比直叶转子,螺旋转子出口的平均流量和流量脉动幅值均明显降低,从而有效抑制转子腔内二次流、旋涡结构与转子间隙区速度突变;螺旋角为45°~60°时,泵出口平均流量达峰值,泵出口流量脉动幅值最低,转子腔内部流动结构较好,结果表明凸轮泵转子腔最优螺旋角取值为45°~60°。该研究可为凸轮泵转子优化设计提供参考。     

三缸内燃式水泵的最佳经济工作区

在某些电力系统配备不完善地区,以内燃机作为动力驱动水泵实施农业灌溉是常见的形式,该种结构形式存在功率传递路线长、效率低及占用空间大等问题。内燃式水泵（ICWP）集往复式内燃机与柱塞泵于一体,实现了热能向液压能的直接转换,提高了系统效率,而且使结构相对紧凑。该文阐述了三缸ICWP的工作原理,建立了系统的动力学模型,在此基础上,对系统燃油消耗率进行了仿真,得到了系统的最佳经济工作区,该区域油门开度大于35%,转速为1 600～1 800 r/min。计算结果经过试验验证,证明计算模型合理可行。该模型的建立为三缸ICWP结构的进一步研究奠定了基础。     

单颗粒液滴飞溅对颗粒起动的影响

通过室内模拟降雨试验,探究单颗粒液滴飞溅对泥沙颗粒起动的影响。试验共设计4种地表坡度（0,15°,25°,35°）及4种粒径的均匀沙（0.098~0.104,0.104~0.5,0.5~0.78,1~1.4 mm）,选取当量直径为4.5 mm的液滴进行模拟试验,同时利用高吸水树脂材料泡发后的水球作为对照组。结果表明,颗粒直径和坡度的变化对颗粒起动的影响较为显著,飞溅子液滴对液滴溅蚀具有重要意义。随着颗粒直径的增大,颗粒的起动逐渐由液滴冲击和子液滴飞溅裹挟共同作用转变为液滴冲击动能传递为主,飞溅携带为辅。当颗粒直径相同时,坡度的增大导致飞溅沙粒不再均衡,斜坡下方的颗粒飞溅量和位移随坡度的增大而增大。坡度越大,下方颗粒溅蚀深度与上方的差距也越大,导致上方颗粒失去支撑,整体失稳垮塌,发生微小滑坡。同种粒径时,树脂水球溅蚀坑的宽深比明显小于相同直径的液滴溅蚀坑,液滴溅蚀量远大于树脂水球直接撞击作用下起动的颗粒量,子液滴的拖曳对颗粒起动具有重要意义。     

共轨柴油机起动油量和主喷提前角对起动特性的影响

为研究起动油量和主喷提前角对起动特性的影响,以Bosch第二代高压共轨燃油喷射系统为基础,建立了高压共轨试验测控系统,进行了试验研究,并总结出起动油量和主喷提前角对起动时间和排放的影响规律。试验结果表明：起动过程的起动时间随着起动油量的增加先减小后增大,HC排放随着起动油量的增加而增大;随着主喷提前角的变化存在一个主喷提前角使起动性能最佳,过大或者过小的主喷提前角都会使起动时间增大,HC排放增多。     

初始含水率对冰川泥石流的起动影响分析

通过开展不同初始含水率天然冰碛土的冰川泥石流起动试验,近似模拟不同前期降雨量下融水冲刷冰碛物形成泥石流的起动过程。结果表明:(1)研究区冰川泥石流起动类型为坍塌推移型;(2)初始含水率较低时渗流作用表现明显,渗流侵蚀将大量细颗粒运移,致使粒间孔隙增大至原孔隙率的2倍,土体骨架颗粒重新排列,颗粒间接触力降低,土体产生局部失稳变形,孔隙水压力呈突降-突增-突降趋势;(3)初始含水率较高时渗流与冲刷共同起主导作用,泥石流呈阵流爆发且与孔隙水压力峰值相对应;(4)含水率和孔隙水压力呈周期性变化,土体初始含水率与含水率达到峰值所需时间呈负相关关系;(5)基于试验现象及含水率和孔压的变化特征,将研究区泥石流起动过程划分为4个阶段,将其起动机理分为内渗流侵蚀、前缘骨架坍塌和径流冲刷起动。     

临界温度下循环喷油量对柴油机冷起动和排放特性的影响

为探明循环喷油量对小型农用柴油机冷起动特性和排放性能的影响规律,同时寻求其临界温度下的最佳循环喷油量,该研究以一款直列双缸高压共轨柴油发动机为研究对象,利用环境模拟舱整机试验平台,通过多次预试验测得海拔2000 m下,该机不开启预热装置能够成功起动的临界温度为-5 ℃。在此工况下,采用3次喷射方式,通过改变主喷油量研究循环喷油量对该机冷起动特性和排放性能的影响。结果表明：较大或较小的循环喷油量均会导致柴油机冷起动时间增加,甚至起动失败;随着循环喷油量增大,冷起动时间先减小后增加,循环喷油量为20 mg时冷起动时间最短,且HC、CO排放峰值均最低,分别为12984和3008 mg/L;增大或减少循环喷油量均会导致HC和CO排放峰值增加。循环喷油量较大时,CO排放峰值显著增加,并且峰值出现时刻提前。改变循环喷油量对NOx排放峰值有较大影响,循环喷油量为30 mg时NOx排放峰值最小,为368 mg/L。综合考虑,海拔高度2 000 m,环境温度-5 ℃工况下该柴油机起动的最佳循环喷油量为20 mg。研究结果可为柴油机冷起动特性和排放优化提供支撑。     

泵轮叶片削剪对液力变矩器性能的影响

削剪泵轮叶片是优化液力变矩器性能的一种手段。为了研究泵轮叶片削剪程度对液力变矩器性能的影响规律,该研究基于计算流体动力学,采用应力混合涡湍流模型（stress-blended eddy simulation,SBES）对液力变矩器内部流场进行仿真模拟,依托外特性试验验证仿真结果的准确性。通过Q准则涡识别方法,甄选合适阈值重构叶片削剪前后泵轮流道三维涡系结构,定性分析多尺度涡动力学特性,量化提取二维流场图谱信息,揭示流速场时空演化规律。结果表明：泵轮叶片设计流线从出口处经过10%、20%和30%的削剪后,液力变矩器的变矩比逐渐增大,由原型变矩器的1.77增大到叶片削剪30%的2.33,泵轮转矩系数降幅明显,由原型变矩器的5.51降低到叶片削剪30%的3.39,叶片削剪10%后变矩比增大4.34%,泵轮转矩系数降低10.73%,降幅明显;随着泵轮叶片削剪程度加剧,叶片对流体的推动作用减弱,流体动能减小,多尺度涡运动趋势衰减,流道中部涡结构特征改变,流道出口高能小尺度“脱落涡”现象减弱;泵轮流道出口流速随叶片削剪程度增大而减小,由原型变矩器的23 m/s降低到叶片削剪30%的19 m/s,泵轮进口流速几乎不变,因进出口流速的变化,泵轮转矩系数降低。研究结果可为液力变矩器叶片设计与性能优化提供指导性建议。     

隔板起始位置对大型双蜗壳双吸泵径向力和压力脉动的影响

为研究双蜗壳泵内压力脉动情况,该研究以某大型双蜗壳双吸泵为研究对象,通过三维非定常计算对不同隔板起始位置对水力性能、叶轮径向力、蜗壳内各点压力脉动的影响进行研究.研究结果表明,采用双蜗壳结构后,设计点效率下降4％～5％;径向力大小在叶轮旋转过程中呈周期性变化,径向力大小受隔板起始位置影响较大,因此需要合理布置隔板起始位...     

泵作透平专用叶轮直径的确定及其对透平性能的影响

为了以理论方法建立前弯叶片泵作透平专用叶轮直径与设计流量的关系,揭示叶轮直径对透平性能的影响,该文以比转速为66的离心泵为原型,推导叶轮直径与设计流量的关系表达式。在不改变原型泵其他过流部件的前提下,基于ANSYS Bladegen软件设计3个进口安放角均为90°,直径分别为235、245和255 mm的前弯叶片透平专用叶轮。在试验验证基础上,分别完成3台透平全流场数值计算。结果表明:叶轮直径对透平外特性有显著影响,高效点随叶轮直径增加向大流量偏移。最高效率点均出现在计算临界流量稍偏右侧,与理论推导结论基本相符。叶轮直径从235 mm增大到245和255 mm时,透平最高效率分别提高了1.73%和3.32%。随叶轮直径增大,小流量区效率下降且降速快,大流量区效率提高且高效区宽。该研究丰富了液力透平设计方法,可为前弯叶片透平专用叶轮设计提供参考。     

关于土壤水分对风蚀起动风速影响研究的现状与问题

在土壤风蚀研究中,Bagnold建立的适用于干沉积物的起动风速与沉积物粒径的关系已被广泛接受。然而,沉积物中的水分亦是影响沙粒起动风速的重要因素,因为在湿润状态下,水分子与沉积物颗粒之间的张力增大了颗粒间的粘聚力,从而增大了起动风速。准确地估算土壤风蚀量或地表沙尘释放量及其所造成的危害需要建立沉积物起动风速与其含水率之间的关系,但这方面的研究目前远不能满足实际需要。本文较为全面地综述了近50年来有关沉积物起动风速与含水量关系方面的研究成果,将已有的研究成果归纳为半定量描述、经验模型和理论模型等三大类,分别介绍了代表性成果。通过对比发现,各家研究结论分歧较多,除了定性意义上较为相似外,定量关系五花八门,差异很大。作者将造成差异的原因归结为:问题本身的复杂性导致理论研究使用了过多的假设与简化、对颗粒之间的粘聚力与水分的关系缺乏清晰的认识、颗粒起动的判别标准与确定方法不同、实验过程中土壤水分的加入与确定方法以及实验土壤的颗粒特征和其他物理化学性质等不同。因此,这一领域的研究尚有很大的探索空间。     

三缸内燃式水泵的动力学建模和外特性仿真

为研究三缸内燃式水泵的外特性,对主运动系统和配流阀系统进行动力学分析,建立了动力学模型。采用AVL Boost软件和MATLAB语言,对三缸内燃式水泵在油门全开时的燃油消耗率、有效热效率和运转不均匀度等外特性进行了仿真研究,给出了仿真曲线。并与发动机驱动柱塞泵系统的外特性进行了对比分析,结果表明三缸内燃式水泵的燃油消耗率和运转不均匀度明显低于发动机驱动柱塞泵系统,而有效热效率明显高于发动机驱动柱塞泵系统。在容积效率较高的1600～1800 r/min范围内,燃油消耗率较低,比发动机驱动柱塞泵系统的燃油消耗率要低17%。对油门全开时的燃油消耗率进行了试验验证并与仿真结果进行比较,相对误差均在±5%以内,验证了模型与仿真结果的正确性。     

基于蚁群算法的内燃机配气机构凸轮型线的动力学仿真

针对内燃机配气机构工作时的振动、冲击和噪声问题,建立了内燃机配气凸轮机构型线的动力学数学模型,运用蚁群算法和Matlab语言,对该数学模型进行了仿真优化计算,与原设计相比,仿真结果表明：丰满系数提高了1.24%,动态最大正加速度在上升段下降了0.87%,在下降段上升了5.23%,动态最大负加速度下降了5.93%,使得系统动态速度和动态加速度趋于平稳,有效地减少了内燃机配气机构的冲击振动,提高了内燃机的动力性能,而且优化效果好于遗传算法。     

具有仿生条纹结构的内燃机活塞疲劳特性回归分析

活塞不仅是内燃机的主要运动部件而且工作环境最为恶劣。该文通过对活塞形态的改进,来提高活塞减磨、降阻的效用,以延长活塞的疲劳寿命。首先针对内燃机实际工况确定机械和热边界条件,然后对活塞进行热-机耦合仿真分析,观察其应力、应变和变形情况。受到与内燃机活塞运动情况接近的土壤动物蚯蚓的减阻、耐磨体表结构的启发,根据受试活塞外形尺寸,将宏观形态的仿生条纹和通孔设计加工在活塞裙部表面,以达到减磨、散热、提高活塞疲劳寿命的目的。活塞热-机耦合分析结果表明其整体受力为不均匀分布,基于此该文改进研究了变尺寸排布的仿生条纹深度、宽度、列间距。采用三水平三因素正交表制定9种仿生活塞试验方案,采用部分正交多项式回归设计对仿生活塞热-机耦合分析和疲劳寿命预测结果进行对比并优化仿生结构。选取3个最优活塞和标准活塞进行台架试验。最终发现仿生活塞比标准活塞疲劳寿命平均提高了8.8%,磨损量平均减小了90%,顶部温度平均降低了5%。该研究为活塞形态优化改进和延长内燃机整机疲劳寿命提供了参考。     

燃用生物质气化气的内燃机特性分析

生物质气化气的组分对内燃机的排气温度、最大爆发压力、有效热效率和尾气排放都具有重要影响.各种气体成分的燃烧速率以及其中的阻燃成分都直接影响气缸内混合气的燃烧,同时影响内燃机的尾气排放.分析发现内燃机的排气温度过高、爆发压力偏低、能耗偏高的主要原因是由于生物质气化气热值低、燃烧速度慢:通过对尾气排放的测试分析发现,混合气的完全燃烧可以降低碳烟、CO和HC的排放,降低燃烧温度可以降低Nox的生成率.     

高压多级离心泵启动瞬态轴心轨迹研究

针对高压多级离心泵水润滑轴承-转子系统在启动瞬态过程中由于其轴颈的瞬态不稳定运动而带来启动时的安全、可靠和稳定性等问题,该文通过理论分析和试验来探索多级离心泵的启动瞬态轴心轨迹。首先以多级离心泵水润滑轴承-转子系统的有限元模型为基础,建立其在外激励作用下的动力学运动微分方程,并结合滑动轴承动特性系数的小参数算法,然后将以上建立的两类方程联立,建立高压多级离心泵水润滑轴承-转子系统的瞬态耦合动力学模型,并以此模型为基础结合平均加速度的Newmark β算法,通过MATLAB编程技术来耦合迭代数值求解得到水润滑轴承-转子系统在启动过渡阶段的瞬态轴心轨迹,最后利用前期设计研制的海水淡化高压泵结构专用水润滑轴承试验台对海水淡化高压泵水润滑轴承启动瞬态轴心轨迹进行试验研究。从计算和试验结果的总体变化趋势可以得知,在启动刚开始液膜形成的不稳定阶段,轴颈在瞬态液膜力的作用下呈上升且偏向旋转方向一侧运动;在启动阶段的后期随着转速的不断增加,轴颈呈小幅度"涡动"。该文提出的计算模型具有一定的理论和工程应用价值,为进一步改进万吨级海水淡化高压泵系统的启动性能提供了一定的研究基础。     

基于准稳态假设的混流泵启动特性分析

为了研究混流泵启动过程的准稳态性能,该文以瞬态外特性试验性能参数为依据,获得了混流泵准稳态计算的外特性曲线和无量纲扬程瞬态性能曲线,通过对3种转速下的压力场、速度矢量分析,总结出准稳态计算混流泵内部流动的一般性规律并与粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)测量的瞬态内部流场进行对比。研究发现,准稳态计算扬程呈现直线上升趋势,并随着体积流量的增大逐步偏离试验扬程;3种转速下泵内压力具有相同的分布趋势,叶轮进口截面相对速度矢量近似满足相似定律,并在低转速下出现大尺度的叶顶泄漏涡。与无量纲瞬态性能一致,瞬态PIV测量结果呈现出明显不同于准稳态工况的瞬态效应:在0.75 s时准稳态计算中叶顶泄漏明显,在外缘形成泄漏涡和进口边回流,而瞬态PIV测量中端壁区边界层正从层流向湍流发展;在1.07 s时准稳态计算中叶轮进口速度分布较为均匀,而瞬态PIV测量中流体在惯性力作用下呈现从轮毂向轮缘运动的趋势,卷吸效应较为明显;在1.35 s时准稳态计算结果与1.07 s时的速度场分布较为相似,而瞬态PIV测量中加速的卷吸效应更为显著,外缘高速流动区域随着转速的增加不断增大。该研究可为考证准稳态假设方法的准确度和揭示混流泵启动过程瞬态内部流动特性提供参考。     

新月形内齿轮泵内部泄漏与黏性摩擦损失模型构建

为了准确表征新月形内齿轮泵的内部流动特性,该研究根据静压支撑油膜理论及牛顿摩擦定理构建了该型齿轮泵内部泄漏数学模型及黏性摩擦损失数学模型,依据齿轮泵结构特点以及实际流动特征建立了基于两相流及动网格技术的CFD仿真模型,模拟分析了齿轮泵内部含气油液的流动特性,并与理论计算结果进行对比,最后进行试验验证。结果表明：在1/3周期内的瞬时体积流量与瞬时输入功率曲线均呈现连续周期性变化,2条曲线都有4个脉动;由于理论分析无法全面考虑油液实际流动过程而导致总泄漏量的理论值与仿真值相差60.11%,总黏性摩擦功率损失的理论值与仿真值相差66.67%;静态区域中流线相互平行,质点流动呈现层流状态,而在运动区域中却呈现完全湍流形态;压差流沿着新月形隔板内外两侧壁面以超过12 m/s的速度逆时针运动,而剪切流沿着外齿轮及内齿圈外壁同样以超过12 m/s的速度顺时针运动,在完全密封的齿间出现不同尺度的旋涡,旋涡中心的液体脱落现象使得其中的流体速度为0。在啮合齿面油膜的密封作用下,间隙最小处出现断流,啮合区的最大泄漏量为0.16 L/min;试验与仿真的容积效率相差1.33个百分点,偏差率为1.36%;试验与仿真总效率相差1.39个百分点,偏差率为1.73%。该研究获得了新月形内齿轮泵流动特性精确数学模型,验证了数值计算模型的适用性及仿真结果的准确性,可为完善齿轮泵设计理论与内流场特征分析提供参考。     

Numerical simulation on gas-liquid two-phase flow of self-priming pump during starting period

自吸泵的自吸过程是一个十分复杂的瞬态气液两相流动过程,自吸过程中气水混合及分离效果的好坏,是决定自吸泵自吸性能的关键。该文运用VOF多相流模型结合滑移网格技术,加载试验所获得启动过程中叶轮的转速变化曲线及泵出口压力变化曲线,模拟了启动过程中气液混合现象及气液分离现象,获得了气液分离室进口、回流孔、蜗壳各断面及叶轮内监测点的含气率变化曲线。结果表明,叶轮外缘出现了明显的气液混合层,气液分离室进口回流现象明显,启动过程初期泵运行的不稳定,使气液分离室进口及蜗壳隔舌处含气率出现明显的振荡,气泡在叶轮中不断地生成及溃灭是造成叶轮上监测点含气率振荡的原因。该文采用的模拟方法能够较好地模拟自吸泵启动过程内部气液两相流动,为进一步研究自吸泵内部气液混合及分离提供参考。     

自吸泵启动过程气液两相流动的数值模拟

自吸泵的自吸过程是一个十分复杂的瞬态气液两相流动过程,自吸过程中气水混合及分离效果的好坏,是决定自吸泵自吸性能的关键。该文运用VOF多相流模型结合滑移网格技术,加载试验所获得启动过程中叶轮的转速变化曲线及泵出口压力变化曲线,模拟了启动过程中气液混合现象及气液分离现象,获得了气液分离室进口、回流孔、蜗壳各断面及叶轮内监测点的含气率变化曲线。结果表明,叶轮外缘出现了明显的气液混合层,气液分离室进口回流现象明显,启动过程初期泵运行的不稳定,使气液分离室进口及蜗壳隔舌处含气率出现明显的振荡,气泡在叶轮中不断地生成及溃灭是造成叶轮上监测点含气率振荡的原因。该文采用的模拟方法能够较好地模拟自吸泵启动过程内部气液两相流动,为进一步研究自吸泵内部气液混合及分离提供参考。