离心式铁磁流体微泵的设计及流动特性分析

铁磁流体微泵由于其自润滑性和自密封性,使其更加符合微流控技术应用在生物医学、生命科学、化学分析、航空航天等领域的需求,而在目前的结构设计中无法同时满足加工简单、可靠性高、流动稳定等优势,因此限制其应用及发展。为提高铁磁流体微泵的可靠性和稳定性,促进其发展和应用,本研究基于铁磁流体的外场控制原理、磁流变效应及介质流体的流体力学行为设计了一种离心式的新型铁磁流体微泵,并应用数值计算分析了介质流体流动特性。结果表明:该微泵可以有效实现泵送过程,当转速为10 r/min时,一个周期内的泵送净流量可达0.07 kg/T,且在两股铁磁流体的交替作用下可以阻断泵腔进口与出口的介质流体质量交换;由于铁磁流体与泵腔结构的动静干涉作用,导致出口流量存在轻微脉动(数量级为10^(-5)),但仍处于层流状态(Re<1),并且由于惯性力与特征尺寸相关而黏滞力与特征尺寸无关等力学因素,导致泵送动力对出口尺寸长度非常敏感,在转速4 r/min、出口段长度9 mm时无法实现有效泵送。同时对铁磁流体与泵送介质流体之间的相界面压力波动和自密封性能进行分析,得到相界面上的压力波动峰值远小于铁磁流体自密封性能,相差3个数量级,从铁磁流体的密封稳定性和界面稳定性角度验证了离心式铁磁流体微泵的可行性。

多级离心泵叶轮和蜗壳协同优化研究

为了解决多级离心泵高效运行区窄,整体能效偏低的问题,本文对比转速为64.3的双进口多级离心泵叶轮和蜗壳进行了优化设计研究。对比了不同代理模型在多级离心泵水力性能优化中的适用性,选择了GA-BP神经网络作为最优代理模型,以叶轮和蜗壳的9个主要设计参数作为优化变量,0.6Qd和1.0Qd工况泵的效率为优化目标,通过拉丁超立方抽样方法和自动数值分析程序构建样本库,使用NSGA-II算法获得多目标优化问题的帕累托最优解,并根据实际工程需求选取了适当的参数组合。结果表明:模型泵在小流量工况和设计工况点效率分别提高了2.49%和3.09%,大流量工况扬程陡降问题得到缓解。该方法可以为多级离心泵的正向设计提供参考。

基于光纤光栅测试技术的隔水管力学行为实验研究

基于光纤光栅测试技术开展了隔水管力学行为的实验研究,运用相似理论确定了隔水管实验模型的基本参数。确定了光纤光栅传感器的布置方法。给出了基于光纤光栅测试技术的数据处理方法,开展了均匀流作用下的隔水管涡激振动实验研究。通过研究得到以下结论:光纤光栅测试技术可应用于隔水管力学行为实验研究中;实验条件下,流向的振动频率是横向的2倍,且横向的振幅明显比流向的振幅大。所应用的方法对于实验室研究隔水管力学行为实验具有重要意义。

基于聚类算法的道岔健康度标准值智能分析系统研究

根据专家经验分析道岔曲线特性并设置每组道岔的标准值具有工作量大、专家经验标准值不能覆盖每个道岔特性的问题。在分析道岔特性及健康度评价现状基础上,基于云平台技术,搭建道岔健康度自学习软件架构,阐述了使用专家经验分析道岔数据、三次样条差值曲线算法和K-means聚类算法在道岔健康度标准值智能选取系统中的应用,提出基于聚类算法的道岔健康度标准值智能提取方法。系统可适用于不同类型的道岔,能够有效降低设置不同道岔系统健康度评价参数标准值的工作量。

基于无限元法的离心泵空化辐射噪声指向性研究

为研究离心泵运行时产生的辐射噪声特性,运用Realizable k-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型计算离心泵内部瞬态流场,利用Lighthill声类比理论提取离心泵流场数据中的体声源和面声源,采用有限元与无限元相结合的声振耦合办法,研究离心泵的辐射噪声。结果表明:离心泵运行时产生的辐射噪声主要分布在低频率范围,且随着频率的增大,噪声不断降低;离心泵辐射噪声声压级在不同的频段具有不同的指向性,在轴频(Axial Passing Frequency,APF)到5倍叶频(Blade Passing Frequency,BPF)频段内,离心泵的指向性分布较为均匀;在5~10BPF频段内,离心泵的指向性表现出偶极子分布,在15~30BPF频段内,离心泵的指向性表现出四极子分布。

水力旋流阀内部固液两相流动特性研究

为了研究水力旋流阀在城市管道污水流动中的固液两相流动特性,基于瞬态不可压缩流动的N-S方程和重整化群RNG k-ε湍流模型,耦合颗粒轨迹追踪模型,采用MATLAB编程处理初始边界颗粒分布模型,分析了颗粒质量浓度(5%,10%,15%)对水力旋流阀进出口压降、出口质量流量、内部流场颗粒的运动轨迹分布、颗粒的空间位置及液相速度流线分布的影响。结果表明:随着颗粒浓度增加,出口质量流量呈现减小趋势(52.2~53.2 kg/s),进出口压降线性增加,颗粒浓度影响水力旋流阀的截流特性;当颗粒质量浓度在15%以内,颗粒在水力旋流阀流场中具有很好的跟随性;通过试验验证发现,水力旋流阀内部产生了绕某一中心旋转的气带,该旋流气带可以作用到水力旋流阀出口管道内部,起到截流作用;水力旋流阀通过特有的气带特性,有利于污水管道截流控制的技术发展,具有较高的应用价值。

计及线路保护反时限特性的备用优化模型

针对故障状态下传统备用配置比例较高而导致经济性差的特点,计及线路保护的反时限特性,建立了故障状态下电力系统备用协调经济调度模型。该模型以最小化发电成本和备用成本为目标函数,常规机组性能、网络安全等为约束条件,并结合线路保护的反时限特性将线路潮流约束按备用响应时间松弛转化为对应时间尺度可承受的热稳定极限值,从而综合求解不同响应速度备用的协调优化经济调度问题,提高备用配置的经济性。该模型是一个混合整数线性规划问题,需要将模型中的非线性式进行线性化或近线性化,并调用商用混合整数线性规划CPLEX求解器进行求解。最后,通过IEEE 6机30节点进行算例仿真,验证了该模型的合理性和方法的有效性。

具有分压电容平衡功能的新型组合九电平逆变器

针对传统多电平逆变器存在电平数大于3时,分压电容难以平衡,造成拓扑电路结构复杂等问题,对扩展NP点的混合H桥拓扑和独立分压电容平衡拓扑电路进行组合,简化并得到一种新型九电平逆变器拓扑电路;针对该拓扑电路提出相应的四载波层叠SPWM策略。通过仿真分析,扩展NP点的混合H桥拓扑中间两个分压电容电压值幅度在基准电压0V上下波动,其幅度达到±25V;而新型九电平逆变器的分压电容电压值在期望值100V上下波动时,其波动幅值小于±5V,因此,从仿真结果表明新型九电平逆变器拓扑结构及调制策略的应用,不仅可降低输出电压纹波的幅值,还能达到分压电容均衡的效果,并减少了两个开关管的应用,降低经济成本。

对2个优化目标要求的离心叶轮入口直径计算模型的分析

提高离心叶轮水力效率与抗空化能力是叶轮设计过程中追求的2项重要技术指标,这2项指标与叶轮进口直径有密切的关系。为实现不同叶轮的性能预期,进口直径应有不同的取值范围。通过对2个叶轮入口直径优化模型的数学分析,阐明叶轮入口直径在不同性能要求下的取值规律,为正确确定叶轮直径提供理论基础。同时,还从不同角度论证了进口直径对叶轮几何形态和水力性能多方面的影响。

一种新型交错并联型buck变换器

通过传统buck变换器的三端口网络模型中引入一个开关电容,得到了一种新型带开关电容交错并联buck变换器。通过对新型变换器进行理论分析可知,与传统buck变换器相比,当占空比D<0.5时,新型变换器不仅输出电流纹波减小,且在相同占空比下实现了更高的电压增益;同时开关管的电压应力减小,其电流应力均为输出电流的一半,有利于器件的选择和散热。因此新型变换器非常适合于低输出电压、大电流的场合及输入、输出电压相差较大的系统。最后通过仿真验证了理论分析正确性。

三相可控整流并联系统环流的抑制研究

三相可控整流并联电路中由于控制与器件不能实时响应、零序开关占空比不同步和器件参数不相同等将导致环流的产生。采用一种统一电压调节器控制方法,即将各并联模块的外环电压调节器独立出来,形成统一电压调节器,通过对并联系统闭环电流的控制实现三相可控整流器的并联均流。对三相PWM整流并联系统进行了小信号建模,分析了其环流产生的原因,通过仿真验证了环流为0.12 mA,输出直流电压纹波电压为输出电压的0.2%;同时负载突变时,0.03s内电压值就恢复到给定值,其输出直流电压的变化量为2.8%,有较好的稳定性。

基于速度矩守恒的离心泵节能蜗壳断面几何参数求解

螺旋形蜗壳是离心泵的基本压水室形式,降低蜗壳中的流动损失是提高泵效率的重要措施。分析表明,蜗壳各轴面断面的周长是决定蜗壳中水力损失的重要因素。在传统的蜗壳设计方法中,并未重视蜗壳湿周与蜗壳水力损失的关系,也未将改善蜗壳断面几何特征作为产生节能产品的设计目标。该文以速度矩守恒原理为依据,在保证蜗壳断面入口无显著扩散的条件下,提出了实现蜗壳断面最小湿周的理念与实现方法。利用等面积图形中圆具有最小周长的几何特征,该文给出了与现行蜗壳断面有区别的断面确定原则,并根据断面要求通过的不同流量形成了2种减小断面湿周的断面新结构。由于这种断面几何参数没有解析解,该文给出了它们详尽的数值求解方法与过程。事实证明,该文提出的方法对改善泵效率有积极效果,在设计点附近的提高幅度均达到1.6%。该文设计的断面蜗壳有望成为实现改善泵效率这一预期目标的可行结构。

旋转圆盘内不同转速的空化特性研究

为了研究不同转速对旋转圆盘空化性能的影响,以卧式旋转圆盘试验装置为例,建立全流道几何模型,使用CFD数值模拟软件,模拟不同转速工况下的情况,对结果进行分析表明:随着转速的上升,在旋转圆盘空蚀源和试件之间的压力降低,同时低压面积增大,低压区越靠近空蚀源压力越低,其空化越严重;当转速为2000r/min时,旋转圆盘空蚀源外边缘开始出现空化,随着转速的上升,旋转圆盘上出现空泡的面积不断扩大,而且越靠近空蚀源边缘,空泡体积分数越大。定义了旋转圆盘空化系数并得到了旋转圆盘转速n与空化数σ关系曲线,随着转速的上升,空化数σ不断降低。

自流工况下循环泵内非定常流动特性研究

循环泵运行于自流工况时会产生异于常规的内流结构和压力脉动信号。为剖析自流工况下循环泵内流特征和压力脉动特性,采用大涡模拟方法对额定流量下常规工况和自流工况内流进行数值计算和对比分析。研究表明:自流转速随自流流量的增加呈线性递增趋势,考虑叶顶间隙时自流转速的计算误差仅为设计转速的2.41%;自流工况下的主要内流特征为叶轮和导叶压力面流动分离,叶轮表面呈典型的斜流趋势;自流工况下压力脉动的特征频率为叶频,其幅值远大于常规工况;导叶前缘产生的分离涡是破坏导叶内流稳定性的主要原因,非稳定流动结构引起的低频激励主要产生于导叶流道的中后段以及出口区域。研究工作初步揭示了循环泵自流工况下的内流特征和压力脉动特性,为后续循环泵的应用和优化提供了有益的指导。

轴流式水轮机内外顶盖螺栓刚强度分析

水轮机顶盖螺栓是电站机组的关键连接件之一,若是发生断裂可能导致水淹厂房的严重事故。尤其是轴流式水轮机,具有内外两层螺栓,本文利用ANSYS有限元软件建立了某电站轴流式水轮机顶盖螺栓的模型并划分了网格,基于静力学基本方程及有限单元法对水轮机五种运行工况下顶盖螺栓的刚强度进行了计算分析,比较了内外顶盖螺栓的受力特点,由于机组在甩负荷工况,顶盖自然补气,螺栓受力并未出现最大荷载,顶盖变形和螺栓受力都随着顶盖轴向水压力的增大而增大,机组在最大水头、额定出力时螺栓应力最大。

考虑“源?网?荷”三方利益的主动配电网协调规划

提出一种考虑配电公司、DG运营商和用户利益的主动配电网(ADN)三层规划模型,并分析了各层间的相互关系,用于协调"源"、"网"、"荷"三方的利益以及促进资源的优化利用。其中,"源"层以DG运营商利益最大进行DG的选址定容,"网"层以配电公司建设运行成本最小进行配电网的扩展规划,"荷"层以用户参与利益最大进行基于激励型和价格型DSR项目的用电调整,并采用结合支持向量机回归(SVR)拟合潮流计算的并行遗传膜算法(PGMA)求解所建模型。最后,通过54节点系统的算例应用,表明三层规划模型可以有效协调DG和网架的规划,合理确定用户参与DSR的响应方案,实现"源"、"网"、"荷"三方的利益共赢,PGMA算法具有计算速度快和全局搜索能力强等优点。

不同喷油定时乙醇/柴油RCCI低负荷燃烧与排放特性

在总循环能量与乙醇能量替代比不变的条件下,研究了不同柴油喷油定时(start of injection, SOI)下乙醇/柴油活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition, RCCI)六缸增压柴油机低负荷的燃烧与排放特性。结果表明,随着SOI的提前,RCCI冷焰反应相位提前,高温放热的瞬时放热率峰值先增大后减小,滞燃期逐渐增大,缸内燃烧温度逐渐增加,燃烧重心先提前后推迟。传统燃烧模式(conventional combustion mode, CCM)与RCCI的燃烧特性差异随着SOI的提前而增大。与CCM相比,RCCI的NOx排放的减少量随着SOI的提前而增加,HC与CO排放的增加量随着SOI的提前而减少。随着SOI的提前,粗态(>273.8～1 000nm)颗粒物质量分数从84.09%减小到32.87%。聚集态(>13.3～273.8 nm)颗粒物质量分数从15.88%增加到66.36%。与CCM相比,RCCI的颗粒物排放的数量浓度较少,尤其是核态颗粒物;但RCCI颗粒物排放质量浓度较高。

电动汽车换电站可用电池组数动态调度策略

电动汽车换电站由于其换电过程耗时短、便于统一管理等优点,成为了电动汽车电能补充的重要方式。但由于电动汽车用户的换电需求具有随机性,目前的预测方法不能很准确地对其进行预测,因此对换电站精确地制定充放电调度计划有较大难度。针对这一问题,建立换电站日前调度与实时调度模型,并通过粒子群算法在Matlab中完成仿真计算。在日前调度模型中通过对用户换电需求的预测制定日前调度计划,在满足各时段需求的前提下优化换电站各时段充放电功率;在实时调度模型中根据各时段需求预测的误差,来动态调整后续时段的调度计划。通过实时调度与日前调度的协调,使换电站抑制了用户实际需求波动影响,同时合理兼顾用户利益、换电站收益与电网的优化运行。

叶片数对泵作液力透平的性能影响

叶片数是泵作液力透平时的主要几何参数之一,为了明确叶片数对泵作液力透平时的性能影响,基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,应用FLUENT流场模拟软件对不同叶片数下的泵用作液力透平时进行了数值计算,得到了不同叶片数下液力透平的外特性曲线并分析内部流动规律。结果表明:对于低比转速离心泵作液力透平,随着叶片数的增加,流量从最高效率点向小流量偏移时效率下降的梯度增大,而从最高效率点向大流量偏移时效率呈现先增大后减小的变化趋势,另外液力透平的最高效率点随叶片数增加向小流量偏移;压头随叶片数的变化在小流量变化相对较小,而在大流量工况时,随着叶片数的增加呈现逐渐增大的趋势。内流场分析表明,随着叶片数的逐渐增加,透平叶轮中漩涡区域逐渐减小,叶轮内部的流动有很大的改善。但结合外特性分析发现,叶片数过多的增加反而不利于透平性能的提升,因此,对于具体参数组合的液力透平,存在着最佳叶片数使得泵作液力透平的性能达到最优。

基于并行膜计算的短期电力负荷组合预测

提出一种并行膜计算(Parallel Membrane Computing,PMC)的电力负荷短期组合预测方法。将线性回归模型、趋势外推模型、改进灰色模型和粒子群优化参数的支持向量机分别放入膜系统的基本膜中,同时并行预测,然后把预测结果输出到表层膜。在表层膜中组合得出最终预测值,组合优化以各种方法预测结果的几何平均数与加权组合结果之差的平方值最小为目标函数,并采用改进粒子群算法分时段优化出权重系数。此外,在进行预测前对历史数据进行了改进滑动平均处理,并采用系统聚类法选出计算输入的历史数据。并行膜计算可以极大地提高组合预测速度,以多种方法预测结果的几何平均数代替真实值确立组合预测模型的目标函数更具实用性。最后,仿真结果验证了所提方法的合理性和有效性。