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滴灌双向流流道灌水器水力特性分析

农业工程学报 2013年第20期29卷 89-94页

作者：田济扬白丹任长江王新端西安理工大学水利水电学院西安710048

滴灌双向流流道是一种新型滴灌灌水器流道。为了研究流道结构参数对水力特性的影响,分别以流态指数和流量系数为评价指标,取流道的9个主要结构参数为因素,采用均匀试验设计的方法,安排了12组试验方案。根据试验结果,应用多元回归计算方... 详细信息

滴灌双向流流道是一种新型滴灌灌水器流道。为了研究流道结构参数对水力特性的影响,分别以流态指数和流量系数为评价指标,取流道的9个主要结构参数为因素,采用均匀试验设计的方法,安排了12组试验方案。根据试验结果,应用多元回归计算方法,分别建立了流态指数和流量系数与9个结构参数之间的量化关系式,其相关系数分别为0.999和0.998,同时还用另外一组结构参数的试验方案验证了建立的量化关系式。T检验结果显示,9个主要结构参数对流态指数的影响均较显著,而V字形挡水件的张角α对其影响最大;出口宽度a、八字形分水件张角β对流量系数的影响较显著,而出口宽度a对其影响最大,为双向流流道的设计提供了参考。初步研究表明双向流流道的流态指数在0.40~0.47之间,其水力性能优良,结构简单,有一定应用前景。

关键词：灌溉水力学设计灌水器双向流流道结构参数水力性能

基于流量对泥沙沉积敏感度的滴灌灌水器水力性能动态评价

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农业工程学报 2018年第15期34卷 85-91页

作者：王新端白丹宋立勋郭霖西安理工大学水利水电学院西安710048 西安工程大学理学院西安710048

提出了基于流道泥沙沉积过程的滴灌灌水器水力性能动态评价方法,以反映灌水器浑水流量对其进口压力变化和泥沙沉积过程的敏感程度。以3种双向流道灌水器和1种迷宫式流道灌水器为研究对象,在3种进口压力下,分别进行清水和浑水试验。结果... 详细信息

提出了基于流道泥沙沉积过程的滴灌灌水器水力性能动态评价方法,以反映灌水器浑水流量对其进口压力变化和泥沙沉积过程的敏感程度。以3种双向流道灌水器和1种迷宫式流道灌水器为研究对象,在3种进口压力下,分别进行清水和浑水试验。结果表明,迷宫式流道灌水器流态指数浑水条件下相比清水增大74.85%,1#,2#和3#双向流道灌水器分别增大38.47%,41.26%,46.25%,流道中泥沙的沉积使其水力性能变差;双向流道灌水器浑水流态指数均小于迷宫式流道灌水器;随着浑水试验次数的增加,4种灌水器浑水流态指数总体趋势是逐渐增大,成因是流道中泥沙沉积的累积效应,反映了浑水条件下水力性能的动态变化过程;相同压力变化,浑水条件下迷宫式流道灌水器流量变化率比清水时增大40.43%,1#,2#和3#双向流道灌水器分别增大17.23%,19.43%,22.33%,迷宫式流道灌水器增大程度大于双向流道灌水器,导致其水力性能相对双向流道灌水器下降较大;4种灌水器水力性能与抗堵性能差异均显著,且双向流道灌水器的水力性能与抗堵性能均优于迷宫式流道灌水器,说明灌水器流道结构形式及结构参数是影响灌水器整体性能的重要因素。

关键词：流量压力水力性能滴灌灌水器抗堵性能泥沙沉积

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双向流滴灌灌水器消能机理PIV试验研究

水动力学研究与进展（A辑） 2019年第3期34卷 401-410页

作者：王新端白丹郭霖西安理工大学水利水电学院

滴灌灌水器流道内部水流运动特性与其水力性能密切相关。该文以双向流滴灌灌水器为研究对象,利用粒子成像测速技术(PIV, particle image velocimetry),分别在30 kPa和130 kPa进口压力条件下,观测灌水器流道内部水流运动特征,获取水流流... 详细信息

滴灌灌水器流道内部水流运动特性与其水力性能密切相关。该文以双向流滴灌灌水器为研究对象,利用粒子成像测速技术(PIV, particle image velocimetry),分别在30 kPa和130 kPa进口压力条件下,观测灌水器流道内部水流运动特征,获取水流流速和湍流强度等水流运动的分布特性,据此分析了流道的消能机理。结果表明:流道内正向和反向水流形成了双S型主流流动及漩涡流动,水流流动呈现为紊流状态;灌水器进口压力的增加并未显著改变流道水流运动特征及漩涡的分布位置;在流道分流处、转角处及混掺处水流流速变化较为剧烈,为流道主要消能位置;随着进口压力升高,正向和反向水流在混掺前与混掺后的流速差均显著增加,有利于提高流道对冲、混掺消能效果;反向水流在混掺前与混掺后的流速差均高于正向水流,且随着压力升高,两者的差距显著增加,说明反向水流在混掺消能过程中的作用大于正向水流;流道湍流强度大部分在0.1-0.4之间,紊流程度较高,有利于在流道中消除多余能量,以确保灌水器出流量稳定。研究结果从微观角度揭示了双向流滴灌灌水器在不同进口压力下的消能机理,可与宏观试验及数值模拟相结合,为进一步优化流道结构及提高双向流滴灌灌水器水力性能奠定理论基础。

关键词：滴灌灌水器双向流道流场特性消能 PIV

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Y市排水管网模型建立及其应用研究

Y市排水管网模型建立及其应用研究

作者：王新端扬州大学

学位级别：硕士

市政污水管网系统是城市转输污废水的重要设施,为确保居民生活污水以及工业废水等污废水可以安全有效地转输到污水处理厂,应保证污水管网系统结构的完整性与有效性。Y市W污水厂接管范围内的污水管网存在收纳工业废水水量占比高、外水入... 详细信息

市政污水管网系统是城市转输污废水的重要设施,为确保居民生活污水以及工业废水等污废水可以安全有效地转输到污水处理厂,应保证污水管网系统结构的完整性与有效性。Y市W污水厂接管范围内的污水管网存在收纳工业废水水量占比高、外水入侵及雨污错接等一系列问题,导致管网长期高水位运行,不仅影响到污水厂的来水水质,更容易引起严重的水环境污染问题。但是碍于研究区域的经济发展模式及区域特征等原因导致水环境改善的压力较大,因此如何对该地区污水系统的运行现状以及输水能力进行合理的评估并提出科学有效的优化方案与解决策略是一个重要的研究课题。以往的研究表明,SWMM建模技术是一种可靠的、被广泛接受的方法,本论文基于前期对该研究区域的工业企业走访调研、取样分析以及管网运行情况的实地摸排调查,构建相关函数公式对污水系统流入水源以及污水厂进水水质现状进行评估分析,并利用SWMM软件构建研究区域污水管网水力模型,以实现对该区域污水管网系统的评估与优化研究。具体研究内容及结果如下:1、根据研究区域的实地调研走访以及数据统计,该区域工业废水约占处理污水的40%～60%,废水中的有毒有害物质不可控,对污水厂的危害较大。此外,由于管网管龄普遍偏高,存在较多的结构性与功能性缺陷,出现污水管网外水入侵、雨污错接问题,导致管网调蓄能力不足,污水溢流风险较高。同时,W污水厂进水出现水量高、水质差的问题,必要时需额外投加碳源,耗费成本被迫提高。2、将SWMM模型作为研究工具,收集研究区域的管网基础数据,汇总形成研究区域管网模型拓扑结构;通过查询相关文献及实地调研,确定适用于该区域特征的模型参数;基于包括区域用水信息在内的基础信息,对集水区人口进行划分并处理统计,得到研究区域的污水时变化系数及节点污废水入流量等数据,最终构建了该研究区域污水管网SWMM模型。3、基于走访调查、取样获得的水量、水质数据,构建基于研究区域实际情况的工业废水排放百分比、外水/雨水量占原生污水水量百分比与污水管网COD浓度的关系函数,并对研究区域流入水源以及污水厂来水水质现状进行评估分析,结果表明:工业废水完全排入污水管网时,管网COD浓度从358.18mg/L降至301.54mg/L;污水厂半年间的外水水量约占原生污水水量的26.65%～84.89%,2022年11月寒潮期间污水厂收纳雨水量约为原生污水水量的25.7%～57.32%。4、基于建立的SWMM模型对该研究区域污水系统运行现状及输水能力进行评估,结果表明:研究区域将近三分之一的管线超负荷状态S>1,现状管网负荷压力较大;管网中污水流速普遍低于0.6m/s,加速了沉积物的沉降;A泵站运行工况不合理,水泵频繁启闭,增加了运行成本。5、基于走访调研期间发现的管网突出问题,采取情景假设的方式进行了模拟分析,结果表明:高比例外水入侵会抬高管网运行水位,影响管网负荷与流速,增加了污水溢流风险;不同时段、不同规模的工业企业超量排水对污水管网排水口的水质峰值的产生的效果均不同;当雨污错接的降雨径流入流百分比大于10.02%时,污水管道及节点不但会超载,还会出现部分污水检查井节点积水、溢流。6、基于泵站运行调控及调蓄设施优选,对3种情景下的污水系统水质水量问题进行了全面的优化研究。结果表明:当现状污水管网存在20%的外水水量入流时,A泵站采用1.8m3/s的排水量与6.80m的集水池开启水位即可以满足管网的正常运行,还可以充分发挥进水管的过流能力,并且设定2.0m3/s以上排水量可有效提高管网的储水能力;近端设置污水调蓄池可以有效削减因工业企业超量排水引起的管网污水COD峰值,多点位污水调蓄池设置可以有效缓解雨污错接下雨水对污水管网的冲击负荷。

关键词：污水管网 SWMM水力建模现状评估情景假设系统优化研究

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基于区间数的不确定优化理论及求解方法研究

基于区间数的不确定优化理论及求解方法研究

作者：王新端长安大学

学位级别：硕士

不确定性广泛存在于实际问题中，不确定性规划理论及其求解方法的研究对于真实地反映和解决实际问题具有重要意义。不确定性规划根据不确定参数的不同描述分为三大类：随机规划、模糊规划和区间规划。在实际应用中获得随机参数的概率分... 详细信息

不确定性广泛存在于实际问题中，不确定性规划理论及其求解方法的研究对于真实地反映和解决实际问题具有重要意义。不确定性规划根据不确定参数的不同描述分为三大类：随机规划、模糊规划和区间规划。在实际应用中获得随机参数的概率分布函数以及模糊参数的隶属函数通常比较困难，而获取参数的变动范围则比较容易，因此利用区间规划可以更好地解决不确定系统的优化问题。然而，区间规划的研究还存在不少问题，如大多数研究主要针对区间线性规划而对区间非线性规划的研究较少，且区间规划尚未形成成熟、完整的理论体系，因此进一步研究区间规划特别是区间非线性规划以及区间规划理论在实际中的应用对于完善和发展区间规划理论具有重要意义。本文针对区间规划研究过程中的一些问题展开讨论，力求在区间数优化问题的数学规划理论本身及一些实际应用方法上做有价值的尝试和探索。本文主要研究内容按如下几个方面展开： (1)探讨区间数优化问题的最基本内容：区间数的排序问题。介绍了区间数排序的几种重要方法，讨论了每一种方法的在使用过程中的优缺点，通过分析研究提出了一种改进的基于概率理论的区间数排序方法。 (2)利用文中提出的改进的区间数排序方法和反向约束法，对一般形式的区间数线性和非线性优化问题中的区间约束进行确定性转化;区间目标函数的确定性转化利用比较常用的序关系，最终将区间数优化问题转换为确定性优化问题。 (3)针对转换后的区间数优化问题，分别探讨决策者为乐观型和悲观型情况的区间数优化问题的求解方法。在求解区间数线性优化问题时，利用粒子群算法(PSO)，有效地解决了转换后模型约束条件比较复杂的情形;在求解区间数非线性优化问题时，提出了基于遗传算法和神经网络的混合智能算法，有效地求解了转换后模型产生的两层嵌套优化问题。 (4)通过两个数值算例，详细阐述了本文方法的具体过程，数值算例结果表明本文提出的方法能更好地求解区间线性和非线性优化问题。

关键词：不确定优化区间优化区间排序区间可能度混合智能算法

基于支持向量机的滴灌灌水器流量预测模型建立与验证

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农业工程学报 2018年第2期34卷 74-82页

作者：郭霖白丹王新端王程周文程鹏西安理工大学水利水电学院西安710048 华北水利水电大学水利学院郑州450011

为了直接、准确预测灌水器流量,引入支持向量机预测方法,取灌水器6个工作压力和8个几何参数作为因素,正交设计安排300组灌水器训练样本和30组检测样本,并采用精度较高的SST k-ω模型模拟计算灌水器流量,同时利用遗传算法对支持向量机参... 详细信息

为了直接、准确预测灌水器流量,引入支持向量机预测方法,取灌水器6个工作压力和8个几何参数作为因素,正交设计安排300组灌水器训练样本和30组检测样本,并采用精度较高的SST k-ω模型模拟计算灌水器流量,同时利用遗传算法对支持向量机参数进行优化计算,得到与模拟流量误差最小的流量预测值。结果表明,惩罚参数为100、核函数参数为20时检测样本的流量预测值与模拟值的误差最小,平均相对误差为1.91%,决定系数为0.98,而回归拟合方法计算得到的平均相对误差为6.45%,决定系数为0.93,表明支持向量机预测流量的优越性,且30组试验验证样本的平均相对误差为2.25%,证明支持向量机预测的准确性和可靠性。预测模型建立可有效地提高灌水器研发效率,对水力性能评估和流道结构设计与优化提供依据。

关键词：流量数值分析模型滴灌灌水器工作压力几何参数支持向量机优化

双向对冲流灌水器水力性能和消能机理模拟与验证

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农业工程学报 2017年第14期33卷 100-107页

作者：郭霖白丹王新端何靖周文程鹏西安理工大学水利水电学院西安710048 华北水利水电大学水利学院郑州450011

为研究双向对冲流灌水器的水力性能和消能机理,安排25组试验方案,开展流量测试与模拟计算,选取模拟精度较高的湍流模型计算不同压力区间的流态指数、正反向水流流量比,分析正反向水流分布情况。结果表明,RNG k-ε模型的流量计算值与实... 详细信息

为研究双向对冲流灌水器的水力性能和消能机理,安排25组试验方案,开展流量测试与模拟计算,选取模拟精度较高的湍流模型计算不同压力区间的流态指数、正反向水流流量比,分析正反向水流分布情况。结果表明,RNG k-ε模型的流量计算值与实测值的相对误差为1.656%~3.151%,与其他模型相比,RNG k-ε模型的相对误差较小;灌水器的流态指数为0.414~0.483,水力性能良好,尤其在低压区间,流态指数为0.414~0.456,正反向水流流量比趋近于1,水力性能更加突出;随压力的增大,反向水流的流量增幅较快,流量比减小,水力性能降低;正反向水流在挡水装置的齿尖形成对冲与混掺是消能的核心,而水流分布不均会影响灌水器的消能效果;在灌水器边壁增加多个改变流向的挡水装置,可优化双向水流配比,提高水力性能,从而验证不同压力区间、不同流量比与水力性能的内在关系。研究可对灌水器结构优化、水力性能提高提供参考。

关键词：消能数值分析流量灌水器水力性能

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多因素影响下竖管地下灌溉入渗特性分析

农业工程学报 2016年第23期32卷 101-105页

作者：白丹何靖郭霖王新端梁志栋西安理工大学水利水电学院西安710048

为了研究压力水头、竖管直径、土壤初始含水率、土壤容重和入渗时间等5个因素对竖管地下灌溉入渗特性的影响。采用正交试验设计共安排了10组试验（9组试验,1组验证试验）,利用竖管地下灌溉室内试验装置测定7 h内累积入渗量,构建累积入... 详细信息

为了研究压力水头、竖管直径、土壤初始含水率、土壤容重和入渗时间等5个因素对竖管地下灌溉入渗特性的影响。采用正交试验设计共安排了10组试验（9组试验,1组验证试验）,利用竖管地下灌溉室内试验装置测定7 h内累积入渗量,构建累积入渗量与5个因素之间的量化关系式,量化关系式相关系数为0.98,决定系数大于0.99,表明该式可客观反映各因素与累积入渗量之间的关系。累积入渗量与压力水头、竖管直径和入渗时间呈显著性正相关,与土壤初始含水率和容重呈负相关。根据这一量化关系式得到入渗流量的表达式,入渗流量开始较大,为1.93-5.92 L/h,逐渐减小,经过5-6 h后趋于稳定,稳定入渗流量为0.08-0.25 L/h;用敏感性分析和相关系数分析各因素对入渗流量的影响,结果表明：压力水头是影响流量的主要因素,其次为竖管直径、容重和初始含水率;入渗流量与压力水头和竖管直径呈极显著性正相关,与土壤初始含水率、土壤容重和入渗时间呈负相关。这一结果对进一步研究竖管地下灌溉管网系统水力特性和技术要素具有重要意义。

关键词：入渗土壤含水率灌水器地下灌溉压力水头竖管直径容重

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双向对冲流滴灌灌水器水力性能与消能效果

农业工程学报 2016年第17期32卷 77-82页

作者：郭霖白丹王新端何靖周文程鹏西安理工大学水利水电学院西安710048 华北水利水电大学水利学院郑州450011

双向对冲流滴灌灌水器是1种可形成急转流、正反双向流、以及对冲混掺流等加大能量耗散效果的新型灌水器。为研究灌水器的水力性能以及流道几何参数对水力特性的影响,取灌水器几何参数作为因素,采用正交设计安排25组试验方案,开展水力性... 详细信息

双向对冲流滴灌灌水器是1种可形成急转流、正反双向流、以及对冲混掺流等加大能量耗散效果的新型灌水器。为研究灌水器的水力性能以及流道几何参数对水力特性的影响,取灌水器几何参数作为因素,采用正交设计安排25组试验方案,开展水力性能测试,计算流道的局部损失系数,同时对正交试验结果进行直观和方差分析,建立几何参数与流态指数的回归模型。结果表明,灌水器流态指数为0.432～0.464,其水力性能良好。单元流道的局部损失系数为6.698～19.130,显示优越的消能效果。挡水件与分水件最大过水通道宽度对流态指数的影响最大。建立的几何参数与流态指数之间的回归模型R2=0.94,且验证表明其估算值与试验值相对误差小于5%,可可靠地估算流态指数。研究可为双向对冲流滴灌灌水器水力性能预研和评估、结构优化提供参考。

关键词：消能结构流速滴灌灌水器工作机理几何参数局部水头损失