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基于分形维数特征的砂滤层适宜粒径范围

农业工程学报 2021年第20期37卷 162-168页

作者：李景海翟国亮刘清霞宋蕾蔡九茂中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室新乡453002 安阳工学院土木与建筑工程学院安阳455000

为了对砂滤层过滤性能进行分析,该研究以粒径范围为1.0~1.18、>1.18~1.4和>1.4~1.7 mm的3种砂滤层为研究对象,以黄河泥沙作为原水杂质颗粒,采用激光衍射粒度分析仪测量了人民胜利渠泥沙粒度分布,得到了泥沙粒度分布的密度函数,并以兰考... 详细信息

为了对砂滤层过滤性能进行分析,该研究以粒径范围为1.0~1.18、>1.18~1.4和>1.4~1.7 mm的3种砂滤层为研究对象,以黄河泥沙作为原水杂质颗粒,采用激光衍射粒度分析仪测量了人民胜利渠泥沙粒度分布,得到了泥沙粒度分布的密度函数,并以兰考县黄河泥沙对泥沙粒度分布规律进行了验证。采用工业CT对3种砂滤层进行扫描,利用计算机图像处理技术,采用像素点覆盖法,自编程序计算了3种砂滤层横截面特征参数,孔隙率均值分别为0.421、0.431和0.439,计盒分形维数均值分别为1.695、1.709和1.726,截面最小孔径与最大孔径比分别为1/17、1/18和1/21,拟合了孔隙率与计盒分形维数的相关关系,分析了砂滤层分形理论适用性。建立了砂滤层过滤概率分形模型,计算了3种砂滤层孔隙直径范围,分别为59.5~1002、66.9~1220和72.9~1503μm,计算了原水中100μm以上杂质颗粒通过砂滤层的概率,对于人民胜利渠泥沙,分别为0.67%、0.81%和0.93%,对于兰考县黄河泥沙,分别为0.62%、0.80%和0.91%。从理论上证明了表层过滤的存在性,分析了表层过滤的机理及其对反冲洗频率的影响。同时,为了减轻表层过滤,粒径范围为>1.4~1.7 mm的滤层更适宜作为砂过滤器的滤料。研究可为砂滤层内部结构的研究和滤料选型提供基础理论与数据参考。

关键词：泥沙粒径图像处理石英砂滤层表层过滤过滤性能计盒维数

膜下滴灌水氮调控对南疆棉花产量及水氮利用率的影响

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应用生态学报 2013年第9期24卷 2525-2532页

作者：邓忠白丹翟国亮宗洁李迎蔡九茂冯俊杰西安理工大学水利水电学院西安710048 中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室河南新乡453002

为探明水氮调控对膜下滴灌棉花的生长特性、产量构成因素以及水氮利用效率的影响,设置了3个灌溉水量和5个氮素水平进行大田棉花膜下滴灌试验.结果表明:随着灌溉水量的增加,棉花的株高、主茎叶数、果枝数和叶面积指数显著增加,棉花叶、... 详细信息

为探明水氮调控对膜下滴灌棉花的生长特性、产量构成因素以及水氮利用效率的影响,设置了3个灌溉水量和5个氮素水平进行大田棉花膜下滴灌试验.结果表明:随着灌溉水量的增加,棉花的株高、主茎叶数、果枝数和叶面积指数显著增加,棉花叶、茎干物质积累增加,但抑制了根系生长,与低(4950 mm·hm-2)和高(6750 mm·hm-2)灌水量处理相比,中灌水量(5850 mm·hm-2)处理平均单株有效铃数和单铃质量分别增加0.96、0.4个和0.22、0.11 g.与其他施氮处理相比,施氮量为300 kg·hm-2时棉花茎直径显著增加,促进了棉花蕾、铃和根系的发育,而且在灌水量为5850 mm·hm-2条件下,棉花干物质由营养器官向生殖器官的分配比灌水量为4950和6750 mm·hm-2处理分别增加5.1%和29.6%.灌溉水量对棉花产量有显著影响,对衣分率影响不显著,而施氮量对棉花产量和衣分率都有一定的影响,但灌溉水量过低会抑制氮肥增产效应的发挥.在本试验条件下,灌水量为5850 mm·hm-2、施氮量为300 kg·hm-2时,棉花生长健壮,株型结构优化,显著促进了干物质向生殖器官的运转,有效铃数、单铃质量和衣分增加,产量达到最高(6992 kg·hm-2),水分利用效率和氮肥利用率分别达1.45 kg·m-3和45.9%.

关键词：水氮调控膜下滴灌产量水分利用效率氮肥利用率

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微灌砂石过滤器滤层泥沙的沉积与迁移特征

农业工程学报 2023年第4期39卷 76-83页

作者：宋蕾蔡九茂翟国亮冯俊杰张文正中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室新乡453002 中国农业科学院研究生院北京100081

为探明泥沙颗粒在砂石过滤器滤层中沉积与迁移的规律,选用3种粒径(>0.90~1.25、>1.25~1.60、>1.60~2.00 mm)的石英砂作为滤料,通过滤柱模型开展0.4‰的浑水过滤试验,分析滤层沉积与迁移的泥沙质量、泥沙粒度分布以及过滤时的水力性能。... 详细信息

为探明泥沙颗粒在砂石过滤器滤层中沉积与迁移的规律,选用3种粒径(>0.90~1.25、>1.25~1.60、>1.60~2.00 mm)的石英砂作为滤料,通过滤柱模型开展0.4‰的浑水过滤试验,分析滤层沉积与迁移的泥沙质量、泥沙粒度分布以及过滤时的水力性能。结果表明:过滤过程3种滤柱泥沙截留率分别为97.07%、94.53%、90.50%,滤后水均满足微灌水质要求,但构成砂滤柱的滤料粒径越大,泥沙在滤层中分布越均匀。各砂滤层截留泥沙的粒径分布宽度自上向下分别为1.86、3.37、4.12、4.21,随滤层深度增加,截留泥沙颗粒粒径减小;在>0.90~2.00 mm范围内,随滤料粒径增大,更多的细颗粒泥沙可以随水流排出过滤器,但中砂与粗砂全部截留在滤层中。综上,3种砂滤柱过滤效率的差异主要体现在小粒径泥沙截留量上,而在满足微灌水质标准的情况下,该部分小颗粒泥沙并不会使灌水器流道产生物理堵塞。同时,根据流速与压强分析得,大粒径的砂滤柱不仅流速稳定,压强升高较慢,而且纳污能力强。因此,在滤后水满足微灌水质的情况下,应当优先采用大粒径滤料,这样不仅可以提升过滤效率,而且节能省材。研究结果对砂石过滤器滤料粒径及滤层高度的优化具有重要意义。

关键词：泥沙压强流速微灌砂石过滤器粒度分布沉积

微灌砂石过滤器滤帽水力性能试验及内部流场模拟

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农业工程学报 2020年第13期36卷 67-74,F0004页

作者：蔡九茂翟国亮吕谋超刘杰云张文正中国农业科学院农田灌溉研究所/农业农村部节水灌溉工程重点实验室新乡453002

微灌用砂石过滤器中,集水滤帽是进行过滤过程集水和反冲洗过程散水的关键部件。为了获得滤帽内部流阻特性,改善砂石过滤器水损较大弊端,该研究对国内市场上常用的梯形集水滤帽进行了室内模型试验,测定了滤帽在不同过滤和反冲洗速度下的... 详细信息

微灌用砂石过滤器中,集水滤帽是进行过滤过程集水和反冲洗过程散水的关键部件。为了获得滤帽内部流阻特性,改善砂石过滤器水损较大弊端,该研究对国内市场上常用的梯形集水滤帽进行了室内模型试验,测定了滤帽在不同过滤和反冲洗速度下的压降特性,并采用Fluent(15.0)软件对滤帽过滤和反冲洗过程中的流场分布特征进行了数值模拟,研究了滤帽内外的压降分布规律。结果表明:滤帽压降模拟结果和试验测试结果吻合性较好,相对误差3.54%~6.53%。随着滤速升高,滤帽产生的水头损失较滤层水损增长更为显著,反冲洗过程中的滤帽水损要大于过滤状态;通过对滤帽内部流场分析,滤帽水损主要产生于近滤缝区域和芯柱区域,均是由于过水流道突然缩小导致,在滤层滤速为0.030 m/s时,滤缝和芯柱进口处滤速分别为2.57和4.01m/s。结合以上结果,设计了一种扁平球面滤帽结构,增加了滤缝面积,优化了芯柱结构,缩小了滤帽高宽比,通过数值模拟,表明扁平球面滤帽结构有助于改进过滤和反冲洗效果。研究结果可为滤帽选型和优化改进提供参考。

关键词：流速过滤器水力性能微灌砂石过滤器滤帽流场模拟流阻特性

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基于CT扫描的不同粒形滤料孔隙结构特征

农业工程学报 2022年第19期38卷 94-101页

作者：蔡九茂宋蕾张文正翟国亮许强李鹏来中国农业科学院农田灌溉研究所/农业农村部节水灌溉工程重点实验室新乡453002 安徽菲利特过滤系统股份有限公司马鞍山243071 内蒙古龙泽节水灌溉科技有限公司赤峰024005

滤层孔隙结构直接影响过滤过程中的颗粒沉积和运移效果。为了掌握砂石过滤器不同粒形滤料组成滤层的内部孔隙结构特征,该研究以粒径为1~1.18 mm的普通石英砂(QS1)、天然海砂(SS2)、改性玻璃(MG3)和玻璃微珠(GB4)4种滤料为研究对象,采用C... 详细信息

滤层孔隙结构直接影响过滤过程中的颗粒沉积和运移效果。为了掌握砂石过滤器不同粒形滤料组成滤层的内部孔隙结构特征,该研究以粒径为1~1.18 mm的普通石英砂(QS1)、天然海砂(SS2)、改性玻璃(MG3)和玻璃微珠(GB4)4种滤料为研究对象,采用CT扫描技术对滤层孔隙模型进行了三维重构,利用VGStudio MAX、Image J等计算机图像处理软件,分析了4种滤层的孔隙率、孔径大小及孔隙形状参数,并结合分形理论确定了4种滤层孔隙结构的计盒分形维数。结果表明:4种滤层的表观孔隙率范围分别为39.7%~44.6%、38.5~42.3%、40.7%~45.6%、34.8%~38.7%,对应体积孔隙率分别为0.422、0.412、0.441、0.366;对应孔径范围分别为75~960、80~760、70~1050、85~930μm,圆度值区间分别为1.59~1.78、1.35~1.54、1.65~2.03、1.20~1.36,扁平度值区间分别为2.62~2.75、2.05~2.20、3.04~3.21、1.94~2.04,计盒维数均值分别为1.621、1.566、1.661、1.446。该研究定量表征了滤层孔隙结构特性,得出不同粒形滤料细观孔隙结构的差异:滤层表观孔隙率呈现“上高下低”分布规律,孔径分布规律表明滤层内均是小孔隙占多数,大孔隙占少数,且孔隙以狭长型为主。随着滤料棱角度增加,表观孔隙率分布越分散,体积孔隙率越大,大孔隙占比也相应增加,最大达到17.24%(MG3),孔隙形状更加偏离球形,表征孔隙结构复杂性的计盒维数相应增加,且分形维数与孔隙率呈负相关关系。滤层孔隙结构研究可为后续研究滤层内颗粒沉积和运移规律奠定基础。

关键词：微灌 CT图像图像处理孔隙结构孔隙率分形维数

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基于遗传算法的挖掘机工作装置多目标优化

矿山机械 2012年第4期40卷 29-32页

作者：刘小成宋怀超蔡九茂华东理工大学机械与动力工程学院上海200237

将挖掘机工作装置作为一个整体,建立了工作装置的整体优化设计数学模型。分别以提升力、钢绳与斗杆中心线夹角及几何尺寸作为目标函数,并从设计经验本身、运动性能、结构几何尺寸、工作尺寸及边界条件等方面建立合理的约束条件。应用MAT... 详细信息

将挖掘机工作装置作为一个整体,建立了工作装置的整体优化设计数学模型。分别以提升力、钢绳与斗杆中心线夹角及几何尺寸作为目标函数,并从设计经验本身、运动性能、结构几何尺寸、工作尺寸及边界条件等方面建立合理的约束条件。应用MATLAB遗传算法工具箱寻求全局最优解。结果表明,采用遗传算法可以快捷而有效地对挖掘机工作装置铰点位置进行优化设计,是对挖掘机性能进行优化设计的一种有效方法。

关键词：挖掘机数学模型优化设计遗传算法

基于砂滤层内水体积分数瞬态模拟的反冲洗速度优选

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农业工程学报 2018年第2期34卷 83-89页

作者：李景海蔡九茂翟国亮刘清霞张文正安阳工学院土木与建筑工程学院安阳455000 安阳市水资源管理委员会办公室安阳455000 中国农业科学院农田灌溉研究所新乡453002

为了对石英砂滤层反冲洗过程水的体积分数波动规律进行分析,并确定合理的反冲洗速度范围,该文采用数值模拟手段对滤层反冲洗过程水的体积分数进行三维动态模拟,采用Gambit软件建立了石英砂过滤器的几何模型,并对几何模型进行了网格划分,... 详细信息

为了对石英砂滤层反冲洗过程水的体积分数波动规律进行分析,并确定合理的反冲洗速度范围,该文采用数值模拟手段对滤层反冲洗过程水的体积分数进行三维动态模拟,采用Gambit软件建立了石英砂过滤器的几何模型,并对几何模型进行了网格划分,以Mixture模型做为反冲洗过程水的体积分数的数值模拟模型。以当量粒径分别为1.06、1.2和1.5 mm的3种石英砂滤层为研究对象进行动态模型。为了验证模拟结果的准确性,开展了室内模型试验,并将模拟结果与试验结果进行对比,结果显示,水的体积分数的最大模拟误差为5.64%,说明数值模拟结果是可信的。在使用模拟数据进行流场分析时,为了得出更具普遍性的结论,引入了反冲洗流化倍数的概念,最小反冲洗流化速度的倍数称为反冲洗流化倍数。在此基础上,分别分析了反冲洗流化倍数为1.1、1.3、1.5、1.7和1.9时,滤层高度分别为15、25和35 cm共3个横截面上,反冲洗过程水的体积分数随时间的变化规律。计算了水的体积分数的均值和标准偏差,分析了水的体积分数的均值和标准偏差随随反冲洗流化倍数的变化规律。在3个截面上水的体积分数均值基本相同的情况下,根据标准偏差的大小,判定滤层反冲洗的稳定性。由此得出,使反冲洗水的体积分数波动保持稳定的反冲洗流化倍数的临界值为1.7。当反冲洗流化倍数范围为1~1.7时,标准偏差适中,反冲洗效果理想。结果表明,对于均质石英砂滤层,反冲洗效果是否理想,决定因素是反冲洗流化倍数。该文可为砂过滤器的反冲洗运行机理提供参考。

关键词：灌溉模型计算机仿真石英砂滤层反冲洗多相流

基于颗粒流理论的微灌砂滤层反冲洗过程砂粒速度场模拟

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农业工程学报 2018年第22期34卷 78-83页

作者：李景海刘清霞翟国亮蔡九茂张文正安阳工学院土木与建筑工程学院安阳455000 中国农业科学院农田灌溉研究所新乡453002

砂颗粒流在石英砂滤层反冲洗流场中的速度分布,对滤层流化状态的稳定性和反冲洗效果起决定性作用。为了对滤层反冲洗过程砂颗粒的速度场进行分析,并确定最佳反冲洗速度,该文以厚度为400 mm,粒径范围为1.0～1.18 mm的石英砂滤层为研究对... 详细信息

砂颗粒流在石英砂滤层反冲洗流场中的速度分布,对滤层流化状态的稳定性和反冲洗效果起决定性作用。为了对滤层反冲洗过程砂颗粒的速度场进行分析,并确定最佳反冲洗速度,该文以厚度为400 mm,粒径范围为1.0～1.18 mm的石英砂滤层为研究对象,基于颗粒流运动理论,采用Eulerian-Eulerian模型对滤层反冲洗过程砂粒的速度场进行3维动态模拟。为了验证模拟结果的准确性,作者开展了室内模型试验,并将模拟结果与试验结果进行对比,结果显示,滤层膨胀高度的最大模拟误差为9.8%,能够控制在10%以内,说明数值模拟结果是可信的。在此基础上,分析了反冲洗流化倍数为1.3、1.5、1.7和1.9时,滤层高度分别为15、25和35 cm 3个横截面上,在不同的反冲洗时间,砂粒的轴向速度沿横坐标的分布规律。根据砂粒在3个横截面上运动速度的大小和方向,判断砂滤层是否达到完全流化;根据砂粒在3个横截面上运动趋势是否一致,砂粒的上升区是否保持稳定,判断滤层流化状态是否稳定。结果显示,当反冲洗流化倍数不小于1.7时,滤层才能达到稳定的流化状态,从而达到比较理想的反冲洗效果,并得出滤层最佳反冲洗流化倍数为1.7。研究结论为砂过滤器的反冲洗研究提供了理论基础和技术支撑,为反冲洗性能参数的确定提供了参考。

关键词：模型计算机仿真灌溉石英砂滤层反冲洗多相流

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砂石过滤器过滤效果影响因素试验研究

灌溉排水学报 2020年第7期39卷 77-83页

作者：张文正蔡九茂吕谋超翟国亮中国农业科学院农田灌溉研究所河南新乡453002 农业农村部节水灌溉工程重点试验室河南新乡453002

【目的】研究不同因素对砂石过滤器过滤效果的影响。【方法】本文开展室内过滤模型水力学试验,选择不同滤层厚度、原水含沙量、过滤速度,对比过滤后水样浊度、颗粒质量浓度、水头损失。【结果】随着滤层厚度的增加,过滤后水样浊度呈递... 详细信息

【目的】研究不同因素对砂石过滤器过滤效果的影响。【方法】本文开展室内过滤模型水力学试验,选择不同滤层厚度、原水含沙量、过滤速度,对比过滤后水样浊度、颗粒质量浓度、水头损失。【结果】随着滤层厚度的增加,过滤后水样浊度呈递减趋势,原水含沙量的变化与过滤后水样浊度呈正相关,过滤速度的变化对浊度影响较弱。滤层厚度60 cm条件下水样颗粒质量浓度与其滤层他厚度差异显著,原水含沙量0.8‰条件下水样颗粒质量浓度与其他原水含沙量差异显著,而过滤速度对颗粒质量浓度影响同样较弱。过滤速度与水头损失呈正相关,不同滤层厚度条件下水头损失差异不显著,不同原水含沙量条件下水头损失差异显著。【结论】滤层厚度、原水含沙量对水样浊度、颗粒质量浓度影响显著,过滤速度影响较弱;过滤速度、原水含沙量对水头损失影响显著,滤层厚度影响较弱。

关键词：过滤器滤层厚度过滤速度浊度颗粒质量浓度水头损失