2021年, 第49卷, 第3期　
刊出日期：2021-03-30

  

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试验研究
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  燃料电池车用双驱动无油螺杆压缩机设计与试验研究

  何志龙, 曲西德, 杨显照, 张炯焱

  流体机械. 2021, 49(3): 1-7. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.001

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  作为燃料电池汽车系统重要设备之一，空气压缩机必须具备压缩空气完全无油的条件。为此，本文提出了一种采用同步控制实现双电机驱动的无油螺杆压缩机，并对其展开了试验研究。结果表明：双驱动无油螺杆压缩机的伺服控制系统实现了主从电机较为理想的跟随误差，主电机的稳态误差为0.011°，从电机的稳态误差为0.013°，在压缩机负载不超过电机额定功率下，压缩机阴阳转子啮合误差不超过67.19 μm，转速和排气背压对双驱动压缩机同步性能有着显著影响。因此，采用双驱动控制的无油螺杆压缩机设计方案切实可行，但在设计中应重点考虑排气背压和转子啮合间隙的设计，特别是转子间隙应从同步控制精度和压缩机性能2个角度进行综合考虑。
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  微通道反应器沟槽底面的磨料水射流抛光研究

  管华双, 姜晨, 李佳音, 王璐璐

  流体机械. 2021, 49(3): 8-13. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.002

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  针对燃料电池微通道反应器的沟槽底面抛光技术难题，开展磨料水射流沟槽抛光仿真与试验研究。采用FLUENT软件，对不同工艺参数下沟槽底部剪切力分布进行了数值模拟；根据仿真结果进行316L不锈钢材料的单沟槽抛光工艺试验，检测分析不同抛光参数下单沟槽底面形貌、材料去除率以及表面粗糙度的变化规律；根据单沟槽底面几何精度和表面粗糙度需求，获得最佳的沟槽抛光参数，进行单沟槽抛光验证试验。结果表明：当磨料粒径5 μm，抛光液浓度3%，射流压力0.35 MPa，喷射距离8 mm时沟槽底面抛光效果最佳，抛光后粗糙度Ra达到0.11 μm，沟槽底面轮廓的RMS误差为2.92 μm。试验研究结果为磨料水射流抛光微通道反应器等沟槽类零件提供指导依据。
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  磁力搅拌湍流场的PIV测量及流场演变的POD分析

  金洁, 范赢

  流体机械. 2021, 49(3): 14-19,51. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.003

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  为了解磁力搅拌过程湍流特性，对其开展了激光粒子图像测速（PIV）试验，并进行了本征正交分解（POD）分析。分析表明，在测量平面转子外部区域，除平均流动，含能量较高的流动结构为循环剪切流和转子旋转的尾涡结构。在搅拌槽底部具有较高的旋涡强度，有利于固体颗粒悬浮。流体与转子之间的流-固耦合作用使转子产生振荡，随转速升高，系统稳定性下降，平均流动含能降低，小尺度结构含能增加，涡流扩散增强，有利于混合和反应进行。
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  旋流萃取器流场及性能研究

  袁惠新, 史茜, 付双成, 周发戚, 蒋敏杰

  流体机械. 2021, 49(3): 20-26,33. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.004

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  液液萃取过程要求高的传质速率和高的相分离效率。由于液液两相密度差小和液体介质粘度较大，重力场下相分离效率较低，传统萃取设备往往存在夹带和液泛问题而影响萃取过程。本文设计了一种在超重力场下进行萃取的设备——旋流萃取器，其旋流场既可以强化传递过程，又可以强化相分离过程。在模拟可靠性验证的基础上，通过模拟方法探索直径为26 mm的旋流萃取器的流场、萃取效率和相分离效率。结果表明，在液液比一定的情况下，萃取效率随总处理量的增大而增大，分离效率随总处理量的增大先增大后减少，3级设备串联可达到95%的萃取效率，且设备高度不到传统设备的一半。
设计计算
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  氯化钙溶液环境下单螺杆泵定子材料的损伤研究

  王超, 谈金祝, 刘欣, 李洋, 陆颜, 尹力

  流体机械. 2021, 49(3): 27-33. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.005

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  单螺杆泵定子材料的损伤对单螺杆泵的使用寿命至关重要。本文以单螺杆泵定子常用材料丁腈橡胶（NBR）为对象，研究其浸泡在不同浓度氯化钙（CaCl₂）溶液环境下的损伤情况。采用拉伸试验和Shore A硬度研究NBR的机械性能变化，采用重量损失法研究NBR的重量损失情况，采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术（ATR-FTIR）对老化试样表面的化学变化进行研究。试验结果表明，老化时间和CaCl₂溶液浓度对其机械性能的损伤有直接的影响。NBR在CaCl₂溶液中质量变化明显降低。ATR-FTIR试验结果表明，在CaCl₂溶液环境下，试样表面的分子结构随着老化时间以及CaCl₂溶液浓度的增加发生了明显的变化，材料损伤主要表现在分子链的氧化、酰胺的水解和Cl-的卤代反应。
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  阀门中法兰瞬态温度波动密封性能研究

  姜峰, 杨曦, 赵维乐, 周文海, 陈斐, 俞瑞利

  流体机械. 2021, 49(3): 34-39,67. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.006

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  根据传热学理论建立传热学模型，运用ANSYS有限元分析软件建立三维有限元模型和温度场，以瞬态温度场和热-结构耦合为基础，研究了不同升温速度对垫片密封性的影响。结果表明：受温度影响产生的热应力会造成法兰接头各元件应力及变形的变化，并且一定程度上会加剧垫片应力不均匀；并且升温速度越快，垫片应力下降越快，变形量增加越快，对密封造成的不良影响越大。另外本文还采用瞬态温度场对温度波动工况进行了研究，结果表明，温度波动会导致垫片内外侧变形增大而应力减小，大大降低密封可靠性。
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  抽油泵固定凡尔球运动规律的数值模拟

  王小兵, 吕雷纲, 李森, 边斌, 刘阳, 龚浩宇, 王多琦

  流体机械. 2021, 49(3): 40-45. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.007

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  固定凡尔是抽油泵的主要部件之一，其中固定凡尔球的运动规律决定了泵内流体的吸入过程。为研究固定凡尔球的运动规律，采用COMSOL Multiphysics 数值模拟软件，建立了多物理场耦合模型；运用动网格技术和接触压力方法，解决了固定凡尔球运动、启闭引起的网格质量和触壁反弹的问题。分析了冲次、泵内流体粘度对固定凡尔球运动规律的影响。结果表明：冲次对固定凡尔球上升的稳定性有较大影响，黏度对固定凡尔球升程影响更为显著。
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  基于多系统联合仿真的变负荷工况下往复压缩机动态特性研究

  张进杰, 孙旭, 江胜飞

  流体机械. 2021, 49(3): 46-51. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.008

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  针对往复压缩机在气量调节工况下因多系统耦合、多参数关联导致工作模型复杂，对压缩机动态特性分析难度大的问题，本文提出了针对气量调节系统与压缩机的多系统联合仿真的建模方法，首先建立独立的调节系统各模块工作模型，利用不同模型对接端口完成子系统模型之间的数据交互，融合压缩机工作模型构建了变负荷工况下往复压缩机工作特性分析模型，将仿真数据与实测数据进行对比，证明了多系统联合仿真与传统仿真方式相比，能够更准确地表达变负荷工况下压缩机的动态特性。
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  雷达天线系统离心风机气动噪声研究

  朱曾辉, 陈小军, 李舒, 陈杨

  流体机械. 2021, 49(3): 52-59. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.009

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  基于FW-H方程，对离心风机进行气动声学理论分析，结合噪声测试方法，对某雷达天线系统进行噪声试验研究分析。测试数据表明，噪声和振动加速度频谱图分布较为接近，噪声振动能量峰值频率均为离心风机叶片基频的倍频，即雷达天线系统噪声主要来源于离心风机的气动噪声。通过改变均热板上翅片与风机叶片边缘的间距和调节风机转速，对单个离心风机开展噪声试验研究。由实验结果可知，随着间距增大，其噪声值降低，且噪声能量逐渐集中分布在低频区域；离心风机噪声值随着其转速增大而增加，不同工况下离心风机噪声能量均在其叶片基频的二倍频处最大。噪声试验获得的不同工况下离心风机噪声云图可为雷达天线系统均热板的结构优化设计提供试验和理论依据。
应用技术
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  多级离心泵扬程预测及内部流场数值模拟

  成科, 陈启明, 崔宝玲, 岳维亮

  流体机械. 2021, 49(3): 60-67. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.010

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  为了研究多级离心泵的性能及其内部流场分布，采用SST k-ε湍流模型对原型泵的首级、第二级及第三级叶轮进行定常和非定常数值模拟计算，分析其外特性、内部流场和压力脉动。研究表明，通过前三级叶轮的扬程能较准确地预测原型泵的扬程。不同流量工况下隔舌处均易出现低压区域，大流量工况蜗壳出口近隔舌处也易出现局部低压区和高压区，隔舌处压力梯度较大。小流量下首级叶轮近隔舌区域的压力脉动不稳定，周期性较差，频域幅值主要集中在低频率区域；对于设计流量和大流量工况，首级叶轮近隔舌区域和远离隔舌区域的压力脉动较为稳定，呈现出较明显的周期性，主频在1倍和2倍叶片通过频率处，频域幅值主要集中在叶片通过频率及其高次谐波频率处。
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  油田站场输油泵模糊安全评价

  魏立新, 初勇强, 刘芳, 闫锋, 叶霖, 王霁

  流体机械. 2021, 49(3): 68-73. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.011

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  输油泵机组作为输油站场的核心动力设备，负责为原油提供压能。现以某输油站场输油泵机组为例进行安全评价，根据故障模式、原因及影响分析对输油泵机组进行部件划分，分析输油泵机组的故障模式，建立输油泵机组的安全评价体系，应用模糊关系矩阵，采用层次分析法确定指标因素权重，最后模糊综合评价输油泵机组，确定出该输油站场6台输油泵机组的安全等级及各指标因素权重值，针对故障影响分析提出改进措施。
制冷空调
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  直热式空气源CO₂热泵热水器系统运行特性试验研究

  张超, 赵晓丹, 赵泽华

  流体机械. 2021, 49(3): 74-79. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.012

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  设计了一种直热式空气源CO₂热泵热水器系统，利用试验研究的方法研究了环境温度、气冷器冷却水入水温度及流量对系统性能的影响。试验结果表明：设计的空气源CO₂热泵热水器系统，其系统能效系数（COP_h）基本达到了国家标准；环境温度、气冷器冷却水入水温度以及流量对系统COP_h、系统制热量以及气冷器出水温度的影响显著。通过调节热泵热水器系统低温热源温度、气冷器冷却水入水温度及流量，可改善系统COPh，提高系统制热量以及气冷器出水温度。
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  空调水系统等效模型的水力特性理论研究

  毛颖杰, 田向宁

  流体机械. 2021, 49(3): 80-84. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.013

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  首先对现有采暖空调系统的输送能耗状况及其存在的问题做了深入分析，采暖空调系统的输送系统可等效为异程或者同程式水力模型。然后分别对异程或者同程式水力模型的能量模型、温度模型及压力模型做了深入研究，发现采暖空调系统的设计模型是导致输送系统“大流量、小温差、高功耗”的根本原因。最后提出一种新型空调输送系统的解决方案——双冷源串联两管制空调系统，该系统通过提高输送系统设计供回水温差的方法解决输送系统“大流量、小温差、高功耗”，不仅有效地解决了输送系统“大流量、小温差、高功耗”的问题，而且提高了冷源的效率。
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  基于深度置信神经网络的变风量空调送风量的预测

  雷蕾, 王宁, 郑皓, 薛雨

  流体机械. 2021, 49(3): 85-90. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.014

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  送风量的精准预测是实现变风量空调蓄冷量精确控制的重要环节。本文根据变风量空调送风量的影响参数，基于深度置信神经网络方法，建立变风量空调送风量的预测模型。将该模型的预测结果同BP、Elman和模糊神经网络的预测结果进行对比，结果表明，深度置信神经网络的预测精度最高，平均绝对相对误差、均方根相对误差和决定系数分别为1.555%、0.789%和0.997 5，由此说明本文建立的模型能够精确有效地预测变风量空调的送风量。
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  逆流冷凝塔热泵系统热质交换过程数值模拟研究

  尚福强, 盛璐腾, 刘军, 王硕, 杨家华, 秦华云, 安雪晖

  流体机械. 2021, 49(3): 91-97,104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.015

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  冷凝塔作为冷凝式热泵系统的重要组成部分，其热质交换过程对于降低能耗及热泵系统设计具有重要意义。以逆流冷凝塔热泵系统形式为基础，通过建立冷凝塔内热质交换过程的数学模型，推导出热质交换过程的通用计算方程组，并以贵阳地区的气象参数为参考，对不同工况下塔内热质交换情况进行模拟计算及具体分析。研究结果表明，不同入口空气参数对溶液温度、冷凝塔进出溶液温差等设计参数有很大影响，通过设计前对冷凝塔内部传热传质过程的模拟计算，能够有效指导冷凝塔和整个热泵系统运行工况的设计，且在系统运行时能够对不同外部条件下设备的调节及保护操作进行预判断。所得结果对冷凝塔的设计选型及热泵系统的实际运行具有重要意义。
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  天津地区间接蒸发冷却能量回收系统能效的试验研究

  马千里, 郭春梅, 郭式伟, 李胜英, 陈通, 卞晨航

  流体机械. 2021, 49(3): 98-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.03.016

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  根据天津地区的气象特点，该地区不适宜单独使用直接蒸发冷却空调，因此选用了间接蒸发冷却能量回收新风预冷系统。通过试验研究室内排风对新风的预冷过程，分析了干、湿工况下典型日的运行效果和能效，结果表明：在干工况运行状态下，系统显热节能量较大，没有潜热节能量，COP范围6.47~14.07，能够承担63.28%~144.54%新风冷负荷；湿工况下，发生潜热换热，显著提高总节能量，COP处于13.99~18.11之间，能效较高，新风预冷量占新风冷负荷之比处于44.54%~49.42%。