《renewable energy》期刊于2020年发表的这项研究由清华大学能源与动力工程系的Wenwu Zhang和Baoshan Zhu（通讯作者）、温州大学机电工程学院的Zhenmu Chen以及国网新源公司技术中心的Fei Zhang共同完成。论文标题为《pressure fluctuation and flow instability in s-shaped region of a reversible pump-turbine》，聚焦可逆式水泵水轮机在S形特性区的复杂流动现象。
作为当前唯一商业化运行的大规模储能技术，抽水蓄能电站在电网调峰填谷中扮演关键角色。可逆式水泵水轮机（reversible pump-turbine）作为其核心部件，被称为水力发电技术中的”皇冠明珠”。随着高水头、大容量、高转速机组的发展，压力脉动问题日益突出——它不仅影响机组水力稳定性，更可能导致转轮等关键部件振动甚至破裂。特别在远离设计工况时，机组会进入特征曲线呈”S形”（S-shaped region）的不稳定区域，产生强烈的压力脉动和复杂流动结构。
已有研究发现，即使稳定运行区也难免压力脉动，其中导叶与转轮间的无叶区（vaneless space）脉动最为显著。Tanaka等学者曾研究过高水头机组中转轮叶片与导叶尾迹的干涉效应，Sun等则分析了无叶区尺寸对脉动的影响。但对于S形特性区内旋转失速（rotating stall）、涡带（vortex rope）等复杂流动结构与压力脉动的关联机制，此前研究尚未系统阐明。因此，本研究旨在通过实验与数值模拟相结合的方法，揭示水泵水轮机在五种运行模式（水轮机模式、飞逸模式、制动模式、小流量模式和反向泵模式）下的压力脉动特性及其与流动不稳定性的内在关系。
研究以中国蒲石河抽水蓄能电站的水泵水轮机模型为对象，采用三维反问题设计理论、实验设计、遗传算法和CFD模拟相结合的先进设计方法开发。模型转轮进口直径D1=0.45m，出口直径D2=0.27m，高压侧宽度b=0.056m，倾斜角θ=-11°。原型机组在水轮机工况下的额定水头Hr=308m，转速nr=333.33rpm，功率Pr=306MW。
实验在哈尔滨大电机研究所的标准水力机械试验台上进行，按照国际电工委员会(IEC)标准获取所有测量参数。模型测试的综合误差控制在±0.20%以内。图1展示了包含螺旋蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管的全流道计算域。
研究采用ICEM CFD生成蜗壳和尾水管的结构化网格，Turbogrid生成转轮、固定导叶和活动导叶的网格。通过三种网格密度（584万、684万和824万网格）在泵工况设计条件下的稳态模拟进行独立性验证，结果显示三种网格的计算效率差异很小，模拟与实验的最大相对误差仅为1.26%。最终选择584万的Mesh I进行后续分析，其网格质量参数如展弦比（97.6）、膨胀因子（1.3）和最小正交性（35.0°）均表现良好。
边界条件设置：进口指定质量流量，出口给定静压；所有壁面采用无滑移边界条件；稳态模拟使用冻结转子模型（frozen rotor model）处理旋转域与静止域的界面，瞬态模拟则采用瞬态转子-定子模型（transient rotor-stator model）。
通过对比RNG k-ε和SST k-ω两种湍流模型在不同时间步长（0.005s、0.001s和0.0005s）下的表现，发现SST k-ω模型能更好捕捉S形区的非定常流动特征。时间步独立性分析表明0.001s和0.0005s的结果吻合良好，因此最终选择SST k-ω模型配合0.001s时间步长进行模拟。
实验中在九个关键位置布设压力测点：蜗壳进口（P01）、无叶区（P02-P03）、尾水管锥段（P04-P07）和肘管（P08-P09）。数值模拟额外在无叶区周向均布20个监测点（M01-M20）用于详细分析。定义压力脉动峰值Δh/H=(pi-p̄)/(1000ρgH)作为评价指标，其中pi为瞬时压力，p̄为平均压力，H为水轮机模式下的数值水头。
实验结果表明，导叶开度对压力脉动的影响程度随运行模式变化：水轮机模式（turbine mode）受影响最大，制动模式（turbine brake mode）次之，反向泵模式（reverse pump mode）最小。在19mm导叶开度（54%）时，无叶区的最大脉动峰值分别是蜗壳进口、尾水管锥段和肘管的5.7倍、6.9倍和2.0倍。
随着流量减小，蜗壳进口、无叶区和尾水管的压力脉动整体呈现先增后减趋势。具体表现为： - 水轮机和制动模式下，压力脉动随导叶开度增加而逐渐增强 - 反向泵模式下，不同导叶开度的压力脉动差异较小 - 飞逸模式（runaway mode）和小流量模式（small flow rate mode）的压力波动更为紊乱
全流道非定常模拟显示，在水轮机、飞逸和制动模式下，转轮内部出现不对称流动。特别在制动模式下，无叶区产生明显的旋转失速涡（rotating stall vortex），其特征频率为0.65倍转频（0.65fn），导致该区域出现较大压力脉动。小流量模式下，无叶区的流动分离变得显著而转轮内部分离减弱，使得无叶区压力脉动降低。反向泵模式因转轮内出现明显的对称流动分离，无叶区脉动相对较小。
尾水管压力脉动主要源于旋转失速与涡带的联合作用。通过等压面可视化发现： - 大流量（水轮机模式s01）下涡带旋转周期约0.33s，对应频率0.30fn - 小流量（制动模式s06）下周期延长至约0.59s，频率降为0.17fn - 旋转失速产生的0.65fn及其倍频成分在所有模式（除s09、s10外）均有显现
20个周向监测点的数据表明，制动模式下无叶区存在单一旋转失速单元（stall cell），其传播频率为0.65fn（约6.5个失速周期对应10个转轮旋转周期）。相位分析显示点m05与m15、m10与m20之间均存在180°相位差，证实了单失速单元的存在。
流线分布揭示了不同模式的流动演化特征： 1. 水轮机模式s01：转轮内流线分布均匀，压力脉动较小 2. 模式s03：转轮出现弱不对称分离 3. 飞逸模式s05：不对称分离增强，各流道内形成不同范围的涡旋 4. 制动模式s06：涡旋范围扩大，部分流道阻塞，无叶区形成明显旋转失速单元 5. 小流量模式s09：无叶区分离显著而转轮分离减弱 6. 反向泵模式s10：转轮出现明显但对称的流动分离
湍动能分析显示，所有模式下尾水管锥段都存在明显的流动分离和高湍动能区。水轮机和s03模式形成两个大型涡旋，而飞逸和制动模式则产生三个大尺度涡旋，导致更强烈的压力脉动。
本研究通过实验与数值方法系统阐明了可逆式水泵水轮机在S形特性区的压力脉动机制，主要结论包括：
导叶开度影响规律：导叶开度对压力脉动的影响在水轮机模式最显著，制动模式次之，反向泵模式最弱。19mm开度时无叶区脉动峰值达到其他部位的2.0-6.9倍。
转轮流态关联性：转轮内的对称/不对称流动与无叶区脉动密切相关。水轮机模式下的均匀流场产生较小脉动；不对称流动（水轮机、飞逸、制动模式）导致较大脉动；制动模式下0.65fn的旋转失速涡尤为显著；反向泵模式的对称分离使脉动维持较低水平。
尾水管脉动机制：尾水管脉动是旋转失速（0.65fn）与涡带（0.17-0.30fn）共同作用的结果。大流量下涡带频率较高（0.30fn），小流量时降低至0.17fn。
该研究的科学价值在于首次系统揭示了S形区内复杂流动结构与压力脉动的耦合机制，特别是量化了旋转失速与涡带对各区域脉