2021年, 第49卷, 第1期　
刊出日期：2021-01-30

  

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试验研究
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  具有溢流帽结构的旋流器流场特征及分离性能研究

  刘培坤, 杨广坤, 杨兴华, 张悦刊, 李晓宇

  流体机械. 2021, 49(1): 1-6. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.001

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  针对普通旋流器运行过程中存在短路流导致溢流跑粗的问题，提出一种溢流帽式旋流器，并对其进行了数值模拟和试验研究。模拟结果表明，相比于普通旋流器，溢流帽式旋流器内空气柱直径减小，能耗降低，离心力场强度更大，流体切向速度增大，轴向速度降低，颗粒参与分离时间长，分离更充分，有利于改善溢流跑粗，提高分离效率。试验结果显示，溢流帽式旋流器-20 μm颗粒分级质效率从36.97%增加到42.17%，分级量效率从39.68%增加到45.90%。并且随着溢流帽直径的增大，底流固相产率增大，溢流中粗颗粒含量减少，有效抑制了溢流跑粗现象。
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  通风机组合对过海地铁区间隧道通风能力影响的试验研究

  程学友, 赵亚平, 陈洋, 赵淑云, 陈宜汉

  流体机械. 2021, 49(1): 7-15. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.002

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  基于工程现场参数，搭建了某过海地铁区间隧道物理模型。在该模型及其通风排烟系统上，针对双压和双压一抽的两种通风机组合，分别测得了通风机变频频率值及其电功消耗，同时，测得了排烟道与行车道的风速，以及行车道静压值。通过实测数据，发现左右双侧行车道静压均呈对称分布，其镜像面为吊顶排烟口，且与通风机组合无关。在双压的通风机组合下，2台压入通风机功耗既影响双侧行车道风速，也直接影响两边排烟道风速。在双压一抽通风机组合下，抽出式通风机直接影响排烟道风速，并且，该通风机对行车道风速的影响，显著高于毗邻行车道右侧或者左侧的压入式风机。进一步分析发现，高功耗的左侧压入式风机提供了合适的风流风速而控制、稀释烟雾，进而形成烟气流而流入吊顶排烟口；与此同时，该烟气流也是被动格挡流体，被动格挡作用来自于低功耗的右侧压入式通风机供给的气流，被动格挡的有益之处在于阻止烟气流蔓延至右侧行车道而影响应急救援可用低风险区域。为明确通风机组合功耗对通风能力的影响，为此，本文提出了通风排烟系统能力的新量化指标——性能系数，即通风机组合功耗与排烟道中气体体积流量之比。通过比较性能系数可知，随着功耗的逐渐增加，相较于双压通风机组合，双压一抽的通风排烟系统能力更突出。因此，针对长大隧道通风的设计和工程现场管理，双压一抽应为优先考虑的通风机组合。
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  双螺杆制冷压缩机转子轴心轨迹波动特性试验研究

  侯峰, 杨彩, 何永宁, 于志强, 邢子文

  流体机械. 2021, 49(1): 16-21,28. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.003

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  随着制冷系统的不断发展，双螺杆制冷压缩机作为系统的核心部件，其运行压力也越来越高，使得滑动轴承的应用也越来越广泛，以承受不断增大的转子径向力，而转子轴心轨迹是滑动轴承工作状态的综合反映。本文通过搭建双螺杆制冷压缩机转子轴心轨迹测试系统，对不同工况以及内容积比下的轴心轨迹进行了试验研究。研究结果表明：与滚动转子压缩机、离心压缩机等旋转机械不同，双螺杆压缩机的转子轴心轨迹大致呈椭圆形，且每个运行周期中还存在若干波动，这些波动的数目对应于压缩机的阴转子齿数，即转子径向动载荷的波动频率。
设计计算
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  ARMA模型在输油泵振动特征值趋势预测中的研究

  古丽, 邹永胜, 李开鸿, 梁俊, 舒浩纹, 付立成, 高仕玉, 杨新

  流体机械. 2021, 49(1): 22-28. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.004

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  输油泵机组作为管道输油系统的主要设备，其运行状态影响着油田正常的生产。传统的针对泵机组的“预防为主，计划检修”检修模式由于缺乏实时性、灵活性，已无法满足设备安全稳定运行的要求。基于这种缺陷，通过“预测性维修”的方式实时掌握输油泵组运行状态趋势能够及时察觉设备故障，为企业计划性备品备件、提高生产效率、确保生产安全提供有力保障。因此，本文提出了一种基于ARMA模型的输油泵振动特征值趋势预测方案。通过对某输油站车间输油泵进行在线监测，得到测点振动信号特征值的历史数据。使用历史时间数据进行建模，进行当前时间数据预测。通过实际数据与预测数据对比，发现ARMA模型可以较好地拟合输油泵振动信号特征值，满足当下预测趋势的需求。该方案较于其他传统趋势预测方法准确率高、计算迅速、易于理解，填补了输油泵振动信号趋势预测方面的空白。
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  离心泵空化余量分析研究

  赵万勇, 彭虎廷, 马得东, 梁允昇

  流体机械. 2021, 49(1): 29-36. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.005

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  许多泵长期运行处在临界空化工况与初生空化工况之间，会造成叶片表面出现坑蚀和穿孔等破坏，从而使泵因空化而达不到预期寿命。由此选用一种单级单吸离心泵为研究对象，基于湍流模型k-ε和空化模型Z_wart，进行非定常空化数值计算结果分析。对于初生空化的判定，以σ≥1.0时叶片表面刚刚发生空化，产生的汽泡对外特性无影响，且以汽体体积分率为变量，其空化区域的汽体体积分数以10%为基础，作为初生空化的判定依据。其研究结果表明：初生空化余量随流量的增大，先缓慢降低，在额定流量工况下，初生空化点所对应的空化余量最小，随着流量的进一步增大，初生空化余量又缓慢增大。通过分析提出在布置泵吸入系统时使其NPSHa大于初生空化余量NPSH_R，即NPSHa ＞ NPSH_R，并在初生空化余量NPSH_R上加上安全余量值，使得泵完全处在无空化工况运行，进而就可以使泵不因空化而缩短预期寿命。
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  舰用40 MPa高压空气系统铜合金接头研究

  马骏, 谢江辉, 马士虎, 胡秋旭, 秦子明

  流体机械. 2021, 49(1): 37-42. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.006

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  高压空气接头是舰艇高压空气系统的重要连接件，随着系统压力级提升至40 MPa，标准接头不再适用，需要研究一种高压力级的接头。本文从在役舰艇高压空气接头使用问题出发，从部件材料匹配、密封结构和控制操纵力矩的角度开展了舰用40 MPa高压空气接头研究工作，通过仿真计算、样机试制和样机试验等方法，对研制的40 MPa铜合金接头进行了设计校核和性能验证，试验结果表明新研接头的强度、紧密性、爆破试验和拉脱试验等性能均满足系统使用要求，为舰艇40 MPa高压空气系统成功应用奠定了基础。
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  考虑间隙影响的涡旋压缩机转子系统动态特性研究

  李超, 王海宏, 张晓东, 刘竞中

  流体机械. 2021, 49(1): 43-50. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.007

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  针对运动副间隙对涡旋压缩机传动系统运行特性的影响问题，基于非线性弹簧阻尼模型和库仑摩擦力模型建立其运动副间隙接触碰撞模型，运用多体动力学理论分析不同间隙条件下曲柄销受力及驱动轴承角加速度等的变化规律，使用有限元方法进一步分析转子系统在不同角加速度激励下的瞬态动力响应。结果表明：间隙对转子系统的位移、角速度、角加速度的影响程度依次增加，并随着间隙的增大呈现高幅值低频率的现象；曲轴所受应力随间隙的增加而增大，曲柄销与驱动轴承的接触刚度随着间隙的增大而减小，使曲轴临界转速降低，增加了转子发生共振的危险。
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  加氢空冷多相流热耦合数值分析

  余进, 陈炜, 艾志斌, 乔松

  流体机械. 2021, 49(1): 51-58,72. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.008

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  加氢空冷管束多发铵盐流动腐蚀而泄漏。铵盐腐蚀风险又取决于设备中的气相分压、介质流速和温度等特征参量。为有效预防铵盐腐蚀，探明介质流速及温度等参量间的相关特性与作用机制十分必要。鉴于此，采用对流传热耦合与RANS模型、根据设备在役工况，对空冷设备进口管箱、管束中的多相流介质流场展开流热耦合数值模拟分析，讨论在役空冷设备进口管箱和管束中的流态和温度场变化。流场状态因射流卷吸机制将形成横向脉动，脉动随着时间推移趋于稳定，而湍流动能也会因为介质脉动范围的扩展而耗散、降低。同时，多相流介质全场的温度最低值也将随时间推移而升高并趋于稳定，各管温度场沿介质流出方向会出现高低波动。考察各管流速及温度值还得到了流速同温度间的相关系数，进口管箱中两排管束的流速和温度均存在较高的相关度。之所以温度随时间推移会趋于稳定，而流速、温度二者存在较高相关度可从流场能量方程予以阐释。基于此，工程实际中可参照不同位置管束红外测温结果、估算流速，进而科学预测、有效防范空冷管束铵盐流动腐蚀。
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  喉管直径对旋风分离器性能影响的仿真研究

  张子慧, 董思捷, 姜云超, 王博

  流体机械. 2021, 49(1): 59-66. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.009

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  采用数值模拟方法研究了在普通Lapple型（d/D=0.5）旋风分离器气流出口处外加不同直径的喉管结构对于其流场及性能的影响。采用雷诺应力模型（RSM）模拟旋风分离器内的各向异性湍流，同时采用拉格朗日颗粒追踪（LPT）模型计算颗粒运动。结果表明，喉管直径能有效控制内旋涡的大小，从而影响旋风分离器的性能。随着喉管直径减小，涡核直径先逐渐减小；当喉管直径与筒体直径比值减小至0.3后，涡核直径趋于稳定，颗粒收集效率相对较高；存在一个较优的喉管直径与筒体直径比值范围0.2~0.3，使得效率较高的同时具有较低的压降。
应用技术
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  离心压缩机喘振特性及喷射扩稳研究

  肖军, 舒悦, 刘晓明, 刘志龙, 于跃平

  流体机械. 2021, 49(1): 67-72. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.010

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  以某单级离心压缩机为研究对象，搭建工况动态特性实时监测系统，通过控制排气调节阀的开度展开喘振实验研究，在此基础上，设计和实现离心压缩机的主动控制喷射扩稳，通过小孔喷射高速气流实现喘振裕度的提升。研究表明：出口压力脉动幅度大大高于进口压力脉动，进气管道流动进入深度喘振的起始时刻要落后于排气管道进入深度喘振的起始时刻；机匣喷射在增大喘振裕度的同时提高了排气压力，增大的气流喷射量使扩稳效果更加显著；机匣喷射改善了叶顶区域的流动状况。
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  杆式抽油泵间隙漏失行为分析及优化研究

  刘洪斌, 李伟, 王辽, 黄肖

  流体机械. 2021, 49(1): 73-80,87. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.011

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  抽油泵是有杆抽油系统中的重要装置，由于泵筒两端存在压力差，泵筒和柱塞之间为往复运动的间隙配合，其在工作时就会有漏失产生。由于所选用理论基础不同，现有抽油泵漏失理论并不完善，无法保证漏失计算的准确性。针对这一问题，本文结合间隙漏失特性和抽油泵的漏失试验结果，研究了间隙漏失理论。并建立抽油泵间隙流体的三维模型，运用FLUENT软件对柱塞在不同的运动速度时间隙内部流场进行仿真分析，得出了速度分布情况；然后由漏失理论分析了影响漏失量的各个因素。在这一背景下，提出了一种新的抽油机驱动方案，并通过仿真和试验相结合的方法对漏失量进行分析。结果表明：上冲程时剪切漏失方向与压差漏失方向均沿泵筒向下。间隙漏失量随泵筒两端压差、泵筒直径、泵间隙宽度、偏心率和柱塞速度的增加而增加，随液体黏度和柱塞长度的增加而减少。所提出的驱动方法可以减少间隙漏失量。研究结果为油田抽油机驱动方式的选择和实际生产中的节能增效提供了参考。
制冷空调
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  压缩机频率对R410A/R410A复叠式热泵系统性能的试验研究

  杜启含, 杨永安, 赵瑞昌, 朱轶群, 张哲

  流体机械. 2021, 49(1): 81-87. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.012

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  通过搭建R410A/R410A复叠式热泵系统试验台对比了在改变高温级或低温级压缩机频率下热泵系统性能的的变化情况，结果表明：在同一工况下，压缩机频率由50 Hz增加到80 Hz，高温级压缩机频率改变时的最小复叠温差仍大于低温级压缩机频率改变时的最大复叠温差；在系统运行未达到最高COP时，增加低温级压缩机频率所带来COP的升高或降低在数值上明显大于增加高温级压缩机频率，且低温级压缩机频率改变时COP的峰值也明显高于改变高温级压缩机的频率；为了更好地研究低温压缩机频率对复叠热泵系统性能的影响，通过对比试验发现改变高温级或低温级压缩机频率时的COP曲线均呈现先增大后减小的趋势，COP达到峰值时，高温级压缩机的最佳频率为53 Hz，低温级压缩机的最佳频率随蒸发工况的降低而降低，压缩机的最佳频率只能使系统在该工况下达到最高COP，在最佳频率下运行的系统COP所能达到的峰值仍然由所处工况决定。
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  跨临界CO₂循环中过冷强化技术的发展综述

  黄龙飞, 曹锋

  流体机械. 2021, 49(1): 88-96. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.013

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  近年来，由于良好的环境效益和高温出水能力，跨临界CO₂循环在制冷热泵领域得到了广泛应用。但较高的回水温度会限制系统的整体性能，因此有必要进行技术改善，提升跨临界CO₂循环系统性能。其中，在气体冷却器出口对工质进行过冷就是一种良好的办法。过冷的形式包含多种，如添加回热器、经济器、闪蒸罐及双系统过冷等，其中双系统又分成热电模块、辅助循环以及其他新型组合方式。研究结果表明，以上方式均可以提高跨临界循环系统性能。回热器可使系统获得10%以上的COP增量，而双系统过冷则可以达到20%以上。本文详细讨论了3种过冷方法的应用特点，为学术研究及工程应用提供了参考。
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  船舶空调系统及设备节能运行技术研究

  陈文华, 黄伟稀, 梁赟

  流体机械. 2021, 49(1): 97-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.01.014

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  以降低船舶空调通风系统能耗为目标，针对某型试验船开展变风量节能技术研究。首先对管网送风稳定性及调节性进行分析，确定静压测点布置方案及阀门开度调节范围；然后分别从系统风量控制和新风量控制两个方面给出节能方案，提出“变静压-总风量”系统风量控制方法及“最小新风量+过渡季全新风”新风量控制方法，计算全年运行能耗验证节能效果。结果显示：“变静压-总风量”控制策略兼具节能性及响应快速性优势，总能耗降低约43%；新风量控制策略在环境温度舒适时关闭冷热源采用全新风调节室温，在保证环境质量的同时能够进一步提高节能效果约11%。