工程美育:新工科美育的价值意蕴、理念阐释与实践范式

在回顾美育教育发展、嬗变的基础上,总结了新时代美育研究的新理论、新路径和新范式。以新工科建设为背景,以“德智体美劳”五育并举的逻辑关系为起点,验证了“工程教育+美育”是遵照教育规律、逻辑贯通并符合时代要求的育人形式,进而对“工程美育”的内涵和对象进行了概述。最后简述了上海理工大学依托工程美育平台,构建美育与德育、教学与实践结合,以“科艺融合”为特色的工程美育实践范式,从而建立起高校支持中、小学美育协同发展的艺术教育和工程美育的文化场域,构筑理工科大学美育新格局,推动中国式艺术教育、美育教育和工程教育联动发展的创新模式。

轴流泵多目标优化正交试验

为了整体提高轴流泵的水力优化设计水平,找出影响轴流泵性能的主要几何参数,运用正交试验方法,以扬程、效率、轴功率和压力脉动作为试验评判指标,将综合频率分析法应用到轴流泵多目标优化设计中。基于L_9(3~4)正交表得到了9组方案,研究叶片数、翼型、轮毂比和叶片与导叶间距离对轴流泵的扬程、效率、轴功率和压力脉动的影响规律,并通过综合频率分析法确定了一组最佳试验方案。结果表明:该最佳试验方案在设计流量下,水流在叶轮及导叶段中的流态较好,水流流线顺畅,分布相对均匀;轴流泵模型在流量和扬程满足改型要求的同时,效率提高了5.7%;轴功率下降了1.21%;压力脉动系数降低了11%,验证了综合频率分析法在多目标正交优化中的可行性。

轴流泵失速工况下非定常流动特性研究

为了研究轴流泵在失速工况下的流动特性,对某原型立式轴流泵进行非定常数值计算,对比分析了设计工况以及失速工况下泵内部典型流动结构与压力脉动特性,揭示了失速工况下低频压力脉动的产生机理,利用真机压力脉动测试验证了数值计算方法的可靠性。研究表明:失速工况下叶片背面的前缘靠近轮缘一侧以及尾缘靠近轮毂一侧存在回流区;设计工况下叶轮进口处以及导叶体中段压力脉动主频为叶片通过频率,叶轮出口部位由于受到动静干涉作用,主频为导叶通过频率,导叶体出口部位由于远离旋转叶轮,叶频主导作用减弱;深度失速工况下泵内部压力脉动系数幅值显著增加,其中导叶体出口处G6点在深度失速工况下压力脉动系数幅值为设计工况的16倍;深度失速工况下叶轮出口处监测点P6、导叶体中段监测点G2以及导叶体出口监测点G6出现频率为0.83 Hz的低频压力脉动;失速工况下导叶体内涡核心区域与导叶流线图中存在的漩涡的发展、演化规律基本一致,两者的频率均为0.86 Hz,与低频压力脉动的频率(0.83 Hz)较为接近,因此可以证明低频压力脉动由导叶内漩涡诱导所致。

贯流式水轮机低频脉动及尾水管涡带特性研究

为了研究贯流式水轮机内部低频压力脉动特性,针对某电站贯流式水轮机进行了非定常数值计算,分析了不同工况下水轮机内部的压力脉动特性,揭示了贯流式水轮机低频压力脉动产生的机理,并提出了改善低频脉动的方案。研究表明,在额定工况和小流量工况下,水轮机内部的压力脉动主要受到叶片通过频率(5.26 Hz)以及低频脉动(0.20 Hz)的影响,低频脉动的幅值从水轮机进口到出口逐渐增加,且小流量工况的低频压力幅值较额定工况高;不同工况下,水轮机尾水管内均存在一个与转轮旋转方向一致的螺旋状偏心涡带,该涡带按一定周期演变,其对应频率为0.22 Hz,与低频压力脉动频率(0.20 Hz)较为接近,因此可以说明该水轮机内部的低频压力脉动是尾水管涡带引起的;为了减小水轮机低频压力脉动系数幅值,提出了一种在尾水管内增设导流板的方案,该方案能有效降低由尾水管涡带引起的低频压力脉动系数幅值,导流板通过降低尾水管内的涡带能量,达到消涡目的。研究结果可为贯流式水轮机组的稳定运行提供依据。

基于CFD的导叶进口角对轴流泵水力性能的影响

为研究后置导叶进口安放角对轴流泵水力性能的影响,在常规导叶基础上将导叶分为进口段和出口段两部分,运用数值模拟的方法研究了5种导叶进口安放角对轴流泵泵段水力性能的影响。结果表明,轴流泵在偏离设计工况下运行时,通过调节导叶进口角度可以减小导叶进口冲角,改善导叶体内流态。在后置导叶原设计进口角度的基础上,沿旋转轴顺时针调节适当角度可提高大流量处的泵段效率,逆时针调节适当角度可提高小流量处的泵段效率。不同导叶进口角主要是保证多种工况下水流无撞击进入导叶室,对泵段的其他过流部件水力性能基本无影响。研究成果有助于轴流泵导叶性能的优化设计。

大型斜流泵模型泵装置水力性能的研究

为了探讨斜流泵段与泵装置水力损失及空蚀试验的异同点,以河海大学多功能水力试验台为基础,通过试验测量和计算,对比分析斜流泵段和斜流泵装置的水力损失及有效空蚀余量。结果表明:斜流泵段在叶片安装角度较小时,其水力损失由叶片表面摩擦损失和出口混合损失决定,而当叶片安装角度增大时,其水力损失由进口撞击损失决定;泵装置较泵段水力损失变化稳定但变化幅度较大;斜流泵装置与泵段在设计扬程附近有效空蚀余量随叶片安装角度增大而增大,但在偏离设计工况时数据变化无明显规律,且斜流泵装置与泵段比较有效空蚀余量总体偏小。

导叶式混流泵水力性能优化的数值模拟

以导叶式混流泵为例,通过改变叶片截面的扭曲角和导叶的扫掠角度,对混流泵进行了优化设计,进而采用数值模拟方法分析了混流泵的水力性能。结果表明,在一定范围内,调整叶片的扭曲角度会使泵段效率上升;增大导叶的扫掠角度,导叶翼型的表面流线分布会更加均匀,可有效避免导叶表面的脱流漩涡,优化后的混流泵段效率比优化前提高了8.36%。

轴流泵内部压力脉动特性及流动诱导噪声研究

为了研究转速对轴流泵内部压力脉动特性及流动诱导噪声的影响,通过对轴流泵进行非定常数值计算,获取了3组转速下轴流泵内部不同监测点处的压力脉动特性。对叶片旋转偶极子源作用的噪声场进一步进行数值模拟,分析了转速对轴流泵流动诱导噪声的影响。结果表明:3组转速下的不同压力脉动监测点处,其主频及次频基本保持一致;随着转速的降低,压力脉动幅值也逐渐减小,辐射声场的声压级也逐渐减小,研究轴流泵内部压力脉动特性对于流动诱导噪声的控制具有指导作用。

水泵水轮机甩负荷过程流动诱导噪声数值模拟

为研究水泵水轮机甩负荷过程压力脉动特性及其流动诱导噪声,该文基于网格壁面滑行技术和DES湍流模型,对水泵水轮机发电工况下导叶关闭过程进行连续性模拟,并将流场叶片表面压力脉动信号作为声场流动诱导噪声计算声源,通过对压力脉动特性和流动诱导噪声分析得到:导叶进出口处2个无叶区内压力脉动主频位置均在叶频为斯特劳哈尔数等于0.051与1处,导叶出口处频谱值是进口处10倍之上,说明动动干涉对流态的影响强于动静干涉;当尾水管内出现2个反向旋壁涡带时,压力脉动最强烈且其幅值最大。声场分析结果表明外场噪声的主频由压力脉动主频与壳体固有频率综合决定,声压分布具有"∞"形式的指向形态,且各阶叶频处声压分布呈现出明显的对称性,说明叶片噪声辐射具有明显的偶极子特性;在一阶、二阶叶频处,导叶关闭前一半阶段,流量对于外场噪声辐射能力的影响表现为大流量工况下最强,小流量工况下最弱,导叶关闭后一半阶段正好相反。

变速工况下轴流泵性能特性研究

为了揭示转速对轴流泵装置能量性能的影响规律,本文以一立式轴流泵装置模型为研究对象,对从额定转速1461 r/min(n)到731 r/min(0.5n)6组转速下各最优工况点进行数值计算,并通过欧拉方程分析。结果表明:转速变化时,叶轮输送给水体的理论能量头并不符合水泵相似定律,这也是水泵各最优工况点之间随转速的变化不满足相似定律的一个重要原因;且随着转速的降低,叶轮的水力效率逐渐降低,泵装置内各段流道水力损失逐渐增大,进而导致泵装置效率减小。研究结果为变速工况下轴流泵装置能量特性的精准预测提供了参考规律。

大型轴流泵反向发电压力脉动及流固耦合

为研究南水北调东线某泵站机组反向发电的稳定性,对流道进行了全数值模拟,以研究反向发电工况的压力脉动及应力分布规律.在导叶进口、转轮进口和出口3个截面设置监测点.计算结果表明,轴流泵在反向发电工况下,转轮进口及出口处监测点的压力脉动时域图呈现周期性变化规律.压力脉动频率受转轮转频影响,集中在低频.转轮进口处中部及边缘处水流压力脉动明显,最大压力脉动发生在转轮出口处的中部水流,压力脉动幅值是转轮出口边缘处的近3倍,是转轮进口处中间及边缘的近2倍.叶轮出口处,压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大.研究结果表明,叶片总形变主要分布在叶片进水侧,其形变沿轮毂到轮缘方向逐渐增大;应力主要集中在叶片压力面与吸力面的根部,最大等效应力出现在叶片吸力面的叶轮根处.最大等效应力值在叶片材料安全范围内,对转轮运转机组寿命及破坏不构成影响.

立式轴流泵水力不稳定工况流场数值预测

为了研究轴流泵位于水力不稳定工况的流动特性,基于N-S方程以及RNGκ-ε湍流模型,对轴流泵进行三维湍流数值计算。预测得到设计工况下的扬程与模型参数接近,说明所采用的数值计算方法可以较为准确地预测轴流泵内部流动特性。计算结果表明:在0.35Q_d至0.5Q_d流量区间内,轴流泵的流量-扬程曲线呈现正曲率特性,此区间内流量工况即为其水力不稳定工况;伴随着流量由设计工况Q_d依次减小至0.5Q_d和0.35Q_d的过程中,轴流泵内部流态逐渐恶化。在0.35Q_d工况点,叶轮进口前水流存在强烈的预旋,进口存在漩涡导致流体不能有效进入叶轮室,同时叶轮室内流体脱流现象严重,严重堵塞流道,致使叶轮无法有效对流体做功。

导叶开度对混流式水轮机压力脉动特性及流动诱导噪声的影响

为研究导叶开度对混流式水轮机压力脉动特性及流动诱导噪声的影响,应用CFD和LMS Virtual Lab软件分别对混流式水轮机在三种导叶开度下进行非定常流场和声场数值计算。结果表明:混流式水轮机内压力脉动主要受到叶片通过频率(108.33Hz)以及低频脉动(4.15Hz)的影响;随着导叶开度的增大,叶频对转轮进口和蜗壳内压力脉动的影响逐渐增加;外场噪声的分布与混流式水轮机的几何轮廓相吻合;尾水管弯肘段有助于减弱混流式水轮机流动噪声声压;导叶开度越大,混流式水轮机辐射出的外场噪声声压值越大,偶极子特性越明显。研究结果可为混流式水轮机组的稳定运行及流动诱导噪声的控制提供参考。

超低扬程贯流泵模型试验的压力脉动研究

为了研究在不同扬程和不同叶片安放角下超低扬程贯流泵内压力脉动的变化规律,结合某泵站,采用物理模型试验的方法,在模型泵转轮进口和导叶出口处安放两个压力脉动测点,通过时域和频域分析,对超低扬程贯流泵内的压力脉动进行研究。结果表明:超低扬程贯流泵内的最大压力脉动发生在转轮与导叶之间;转轮进口处,低于设计扬程时的压力脉动变化比高扬程时大;导叶出口处,高于设计扬程时的压力脉动变化比低扬程时大;由空化现象可以看出,叶片安放角对贯流泵内的压力脉动有很大的影响作用;转轮进口和导叶出口处的压力脉动均以BPF为主;在高扬程工况下,以1~2倍固有频率的低频压力脉动幅值随扬程增加而增大,低扬程工况下未发现这种现象。

“南瓜村”的那些人和事

如果说普高是青春梦想的延续，那么职高就是现实人生的开始。如果说普高生是翩翩起舞的蝴蝶，那么职高生就是正经历破茧的蝶蛹。

长距离管道输水工程空气阀的配置优化设计

为研究长距离管道输水工程空气阀的配置设计思路及作用,以龙河口引水工程为例,对输水管道中重力流管段和加压输水管段分别采用理论计算和水力过渡过程计算方法进行全面分析。结果表明,在重力流管段末端设置流量调节阀且确定其启闭程序后,管段中空气阀仅需满足充水过程中排气要求即可;加压输水管段中水体汽化压力随空气阀口径增加而增大,减小空气阀口径有利于水锤防护。研究成果对于长距离输水管道空气阀配置具有一定参考价值。

不同转速对轴流泵装置水力性能的影响研究

水泵在变速工况下运行可以避免因运行工况发生变化带来的效率下降和水力不稳定。本文借助CFD计算方法,以立式轴流泵装置为研究对象,对其在叶轮转速从1461r/min到731r/min中六种转速下的最优工况进行水力性能分析。结果表明:随着转速的降低,叶轮最优效率会轻微下降,叶轮叶片两侧的压力梯度也会随之变小。同时从轮毂到轮缘方向,压力梯度增大,做功能力逐渐增加。从速度环量的角度来看,由于最优工况叶轮出口速度三角形相似,因此转速越大,出口截面的环量也会越大。本文研究为水泵装置在运行工况变化下进行转速调节提供参考。

M型防涡装置对混流泵装置水力性能的影响

在混流泵进水流道内通常会存在一些漩涡,如果不设置任何防涡消涡装置,会导致喇叭管内流态混乱,叶轮室内发生脱流、漩涡等现象,从而增加泵内的水力损失、降低泵装置的效率,甚至会引发机组的振动。为此,以国内某混流式泵站为研究对象,运用数值模拟的方法对混流泵的全流道进行三维定常湍流计算。结果表明,M型防涡装置可以防止混流泵进水流道后壁附近出现漩涡,改善进水流道和喇叭管内水流流态;在进水流量大于最优工况流量时,M型防涡装置能够提高混流泵装置的效率,增幅最大可达2.18%。