果园风送喷雾机导流板角度对气流场三维分布的影响

风送喷雾条件下,雾滴是在空气流携带下进入果树冠层的各个部位,所以喷雾机气流场的运动和分布对雾滴的分布和穿透非常重要。为了研究果园风送喷雾机导流板角度变化对外部气流速度场三维空间分布的影响,该文采用ICEM建立几何模型,并进行全结构网格划分,采用k-ε湍流模型和CFX求解器进行数值求解。通过变换上导流板角度（30°、45°、60°、90°）与下导流板角度（0°、10°、20°、30°）,来模拟分析风机外部流场在各工况下的空间稳态流场、湍流状态,以及对气流场空间分布的影响。结果表明,下导流板角度由0°增加至30°过程中,由于地面摩擦阻力对气流的影响逐渐减小,同时地面摩擦阻力与两侧空气阻力形成的夹角越来越大,因此单一气流束逐渐分成3条气流束,这样的气流分布优于单一方向气流对果树枝叶的吹动效果,有利于气流携带雾滴进入果树冠层;上下导流板导向气流主要集中在导流板指向区域,因此,导流板的角度设置应根据树冠高度、树干高度来调整。通过设置合理的导流板角度,使得风场分布与果树冠形相吻合,达到仿形喷雾效果。对于行距4 m、树高3.0～3.2 m的果园喷雾,上、下导流板角度均为30°;对于棚架果园,上导流板角度为90°（或卸掉上导流板）,下导流板为30°。该研究有利于指导田间喷雾作业、喷雾参数调整,可达到更好的喷雾效果、减少环境污染。     

浓缩风能装置内部流场仿真分析

浓缩风能装置是浓缩风能型风力发电机组的主要部件之一,其结构直接影响机组输出功率的大小。为了提高浓缩风能装置的浓缩效率,以浓缩风能装置为研究对象,应用三维建模软件与CFD(computational fluid dynamics)软件建立了几何模型与网格模型。基于上述模型,提出应用数值模拟方法对浓缩风能装置内部流场进行仿真分析,并通过比较分析不同湍流模型下的内部流场特性,得知标准κ-ω湍流模型更加适用于浓缩风能装置内部流场仿真。基于上述浓缩风能装置模型和湍流模型,分别对不同尺寸参数的浓缩风能装置内部流场特性进行仿真分析,得到了扩散角对浓缩风能装置内部流场特性的影响比收缩角、中央圆筒长度的影响大的规律,此规律为浓缩风能装置结构优化与设计提供了依据,优化后的结构能明显提高风能品质和风电机组输出功率。     

导叶出口边位置对井用潜水泵性能的影响

为研究空间导叶出口边位置对井用潜水泵性能的影响规律,该文针对250QJ125型5级井用潜水泵,在其他几何参数均给定的条件下,通过沿轴向改变原始导叶的出口边位置,使其既满足与旋转轴线垂直又与半径线重合,设计了6个模型方案。基于雷诺时均N-S方程和RNG k-ε模型,采用SIMPLE算法对6个模型方案进行全流道三维数值模拟,获得各方案的扬程与效率,发现导叶出口边位置沿轴向延伸30 mm时,为最佳改进方案,此时模型泵水力效率提升1.2%,扬程增加6.8 m。同时根据各方案在设计工况下外特性的计算结果,提取各方案第1～5级的叶轮数据,发现原方案与最佳改进方案相比,首级叶轮水力效率、扬程基本相同,原方案的其余次级叶轮效率、扬程与其首级相比差距较大,最佳方案的其余次级叶轮效率与首级叶轮基本持平,扬程下降1 m,但是相比于原方案的其余各级扬程,均大约提升了2.2 m。最后分析了各方案在导叶出口截面上的内流场,结果表明：导叶出口边位置沿轴向延伸可改变液流在导叶出口处的流态,使其呈分散旋转流动,分散旋涡的数量与导叶叶片数相同;当导叶出口边延伸至适当位置时,能够减小下级叶轮的入口环量及冲击损失,改善导叶与下级叶轮之间的匹配关系。     

用于梯形渠道的仿翼形便携式量水槽水力性能

机翼形量水设施水力条件优、量水精度高,但翼形曲线的复杂性制约其推广,为此,该研究基于结构简单的仿翼形便携式量水槽,探究其在末级梯形渠道的适用性。模型试验设计5组收缩比、7组流量进行水力性能试验,在此基础上,基于FLOW-3D软件对比分析仿翼形与机翼形量水槽水力性能的差异,深入研究不同收缩比对仿翼形量水槽水力性能的影响。研究结果表明：数值模拟与试验结果的水深数据吻合,误差小于4.91%,数值模拟的方法准确可靠;简化后未改变机翼形过流顺畅、雍水高度小等特点;所有工况上游佛汝德数均小于0.5,雍水高度小于7.6 cm,满足测流精度和渠道安全的要求,收缩比在0.60~0.64范围时,量水槽水力性能最优;基于能量方程及临界流原理建立的流量公式精度较高,平均测流误差为2.75%。该研究表明仿翼形保持了原机翼形良好的水力性能,测流精度高且曲线形式简单,便于推广,对于促进灌区末级梯形渠道便携式量水槽的推广具有实用价值。     

基于混合扩张状态观测器的农田平地机液压系统反步滑模控制研究

为解决农田平地机液压系统在复杂地貌平地作业时控制精度低、抗干扰能力差等问题,设计了一种基于混合扩张状态观测器（HESO）的反步滑模控制器。其中,HESO基于输出反馈信号估计系统未知状态和总扰动,并在前馈通道中进行扰动补偿;基于快速趋近律设计的反步滑模控制器输出连续光滑的控制量,增强了系统鲁棒性,克服了系统非线性与参数不确定性问题;通过Lyapunov稳定性理论对所提出的观测器和控制器稳定性进行验证,得到误差一致有界稳定结论;通过AMESim和Matlab/Simulink联合仿真与田间试验对本文控制算法的有效性和优越性进行了验证。在两条地貌情况较为复杂波浪地中单次平地和地貌情况较为相似的两田块进行3次遍历试验表明,使用本文控制方法,平地后高程相较于平地前标高的平均绝对误差、最大绝对误差、绝对误差标准差分别为0.053、0.146、0.037m和0.02、0.041、0.011m,较PID算法分别降低36.35%、28.32%、31.37%和62.6%、50%、51.83%。     

红萝卜侧面悬置排种勺式精量排种器设计与试验

为解决传统机械式蔬菜排种器无法实现精量播种及存在伤种的问题,设计了一种红萝卜侧面悬置排种勺式精量排种器。采用排种盘侧面悬置的排种勺完成种子的充种、清种、投种,实现了非接触式作业过程,理论分析了种子进入及脱离种勺的运动过程,并阐明其不伤种的基本原理,确定了排种盘、排种勺以及排种管的基本结构参数,采用EDEM离散元仿真软件模拟了不同排种勺结构尺寸下的工作过程,以排种勺型孔直径、深度及放样曲面圆角比为试验因素,以单粒率、多粒率、空粒率为试验指标,采用三因素五水平二次通用旋转组合设计进行仿真试验,确定排种勺最优结构参数为：型孔直径5mm,深度4.3mm,放样曲面圆角比0.12,基于此参数进行离散元仿真试验,通过自制排种器试验台进行台架试验以及将排种器安装到播种机上进行田间试验,仿真试验结果为单粒率93%、多粒率4%、空粒率3%,台架试验结果为合格指数平均值92.2%、重播指数平均值4.6%、漏播指数平均值3.2%,相对误差分别为0.86%、15%、6.67%,田间试验结果为：合格指数90.5%、重播指数6.9%、漏播指数2.6%,证明此排种器精量播种性能良好。同时与毛刷窝眼轮式排种器进行损伤率对比试验,损伤率分别为0.43%、1.27%,相对误差为66.14%,表明种子损伤明显降低。     

三七收获机挖掘铲减阻特性分析与试验

针对丘陵山区三七机械化收获挖掘阻力大和根茎损伤率高的问题,以不同铲型挖掘铲为研究对象,开展三七收获机挖掘铲作业机理与参数优化对比试验。通过理论分析与力学计算,确定各铲型挖掘铲主要结构参数,并通过Solidworks建立挖掘铲三维模型。开展4种铲型挖掘铲的位移流向仿真对比试验,追踪根茎颗粒和土壤颗粒空间运动轨迹,获得三轴位移分部,表明野猪头部仿生曲线特殊的曲率变化对破土阻力有显著影响,仿生铲面通过改变土壤颗粒流动方向,从而降低挖掘阻力。利用Design-Expert 13软件,以挖掘铲铲长、铲宽和铲刃倾角为试验因素,以挖掘阻力为试验指标进行组合试验,得到最优作业参数组合为：铲长354mm、铲宽40mm、铲刃倾角70°,在该组合下平均挖掘阻力为439.75N。开展高速摄影试验,获取三七根茎和土壤运动轨迹,结果表明三七根茎和土壤颗粒运动趋势与仿真试验一致,验证离散元模型可靠性。搭建试验台架,以入土角、铲片间距和挖掘速度作为试验因素,以挖掘阻力作为试验指标进行正交试验,得到不同工作参数对挖掘阻力影响的主次顺序为入土角、铲片间距、挖掘速度,最优工作参数组合为入土角15°、铲片间距80mm、挖掘速度0.4m/s。综合评估挖掘铲减黏降阻性能,仿生式挖掘铲作业效果最优。     

抽水蓄能机组低水头起动过渡过程压力脉动分析

抽蓄机组在低水头起动时易进入其全特性曲线的反S不稳定区,从而导致机组并网失败,严重影响机组的安全稳定运行。其中机组内部复杂流动演变导致的剧烈压力脉动是影响机组动态特性的关键。该研究基于计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）数值模拟方法对水泵水轮机低水头起动过程进行研究,重点分析了导叶与尾水管区域的压力脉动特性及产生原因。研究结果表明：机组起动过程中,无叶区时均压力幅值是固定导叶与活动导叶间的6倍,且时均压力幅值在无叶区沿周向分布不均。动静干涉主导了无叶区时均压力和脉动压力的变化,而在上游固定导叶与活动导叶间的动静干涉作用主要影响的是压力脉动幅值。尾水管直锥段压力脉动在机组起动过程不同阶段表现出不同的波动特征,PID（proportion integration differentiation）调节阶段压力波动较为明显。通过内部流动对比发现,活动导叶开启会引起无叶区水流速度的分布变化和波动,活动导叶小开度下转轮进口和无叶区存在明显的大尺度旋涡,这些和动静干涉联合作用是导致无叶区时均压力和脉动压力波动幅值高的原因。尾水管涡带在起动过程经历了从边条状涡带转为螺旋状涡带,之后又转变为幕布状涡带的过程。涡带的持续存在和动态变化不仅诱导了压力径向分布不均,也是导致压力波动剧烈的主要原因。研究成果可为提高抽蓄电站机组低水头起动并网成功率提供参考。     

基于DEM-CFD耦合的气吸式酸枣捡拾装置的优化设计

针对目前酸枣的收获主要依赖人工的问题,研究一种气吸式酸枣捡拾机械装置。分析酸枣的物理特性,计算酸枣的悬浮速度、流体域压降变化,通过逆向技术、三维图像重建获取酸枣的点云数据,并对酸枣的点云数据进行降噪处理,建立酸枣三维模型。通过Edem-Fluent气固耦合软件对酸枣吸拾过程进行仿真分析,获取管径、流量、酸枣速度、接触力等参数,利用响应面分析对参数进行优化,并研制酸枣捡拾机进行试验。分析表明,流量是影响捡拾效率的主要因素,管径是影响酸枣破损的主要因素,仿真结果和试验表明气吸式酸枣捡拾装置最佳管径0.11 m,最佳流量0.28 m3·s^-1。该装置能降低酸枣采收成本,缩短酸枣采收周期,同时提高捡拾效率。     

U形渠道圆头量水柱测流影响因素试验及模拟

为研究U形渠道圆头量水柱的测流规律及影响因素,基于绕流理论和RNG k-?湍流模型,对18种体型圆头量水柱5种工况下的水力性能进行全流场数值计算,获得了时均流场、断面流速分布及柱后水流流态,并与实测值进行对比。同时,通过模型试验与数值仿真研究了V形尾翼对测流的影响。结果表明：水力参数的实测值与模拟值具有较好的一致性,渠道底坡为1/1 000,流量为45.01 L/s,收缩比及长宽比分别为0.50和2时,驻点处横断面最大流速模拟值与实测值相对误差为1.51%,水深15 cm位置剖面最大流速模拟值与实测值相对误差为0.45%。适宜长宽比的V形尾翼可以有效改善过槽水流：当收缩比为0.50～0.75时,建议长宽比为3/2～2;当收缩比＜0.50时,长宽比应相应增大,但不宜＞5/2。通过回归分析得到的圆头量水柱流量计算公式,在收缩比为0.63时最大测流误差为4.95%,平均误差仅为0.10%,该研究为圆头量水柱在中国北方灌区末级渠系的进一步应用提供参考。