类型a：学术研究报告

《Journal of Energy Storage》2024年双吸式可逆水泵水轮机泥沙磨损下的流动能耗研究

一、作者及发表信息
本研究由中国农业大学水利与土木工程学院的Jiale Pan、Yaping Pan、Qiang Liu、Shijie Yang、Ran Tao、Di Zhu及通讯作者Ruofu Xiao合作完成，发表于《Journal of Energy Storage》第76卷（2024年，文章编号109549），在线发布于2023年11月25日。研究团队来自中国农业大学的两个研究中心：水资源与土木工程学院及供水管网安全与节能技术北京市工程研究中心。

二、学术背景与研究目标
本研究聚焦于抽水蓄能电站的核心组件——双吸式可逆水泵水轮机（Double-suction reversible pump-turbine），其结构特点是两套对称叶轮同步工作，在泵模式（pump mode）和涡轮模式（turbine mode）下均可高效转换能量。研究背景基于两点：
1. 工程需求：小型清洁能源并网需稳定调节，但传统水泵水轮机在频繁启停和双向工况下易因内部流动不均引发振动、噪音及磨损，而双吸式设计可提升流量并平衡轴向力。
2. 科学问题：含泥沙水流会导致组件磨损并加剧流动能耗（Flow Energy Dissipation, FED），需量化不同区域的能耗分布并定位高损耗区域。

研究目标是结合计算流体力学（CFD）与Finnie侵蚀模型，分析双向工况下的两相流动特性，可视化FED分布，并提出优化方案以减少能耗与磨损。

三、研究方法与流程
1. 几何建模与网格划分
- 研究对象为双吸式水泵水轮机，包括蜗壳（volute casing）、吸入室（suction chamber）和对称叶轮（impeller），叶轮直径396 mm，设计流量0.557 m³/s。
- 采用混合网格（六面体与四面体），经网格独立性验证（GCI %），最终选用660万网格单元（表2）。

1. 数值模拟方法

   • 控制方程：基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程和总能量方程（考虑热效应），使用SST k-ω湍流模型捕捉近壁流动与分离流。
     
   • 两相流模型：采用欧拉-拉格朗日（Euler-Lagrange）方法模拟固液两相流动，泥沙浓度设为16 kg/m³，结合Finnie模型计算壁面磨损率（Erosion Rate, Er）。
     

2. 能耗量化与可视化

   • 熵产分析：通过熵生产率（Entropy Production, SP）分解为粘性耗散（spd）、湍流耗散（spd′）、热传导（spc）及湍流热传导（spc′），定位高能耗区域（公式10-14）。
     
   • 无量纲化：定义εp = epro/√(ρhg³)以直观比较不同区域的能耗强度。
     

3. 实验验证

   • 搭建水力测试台（图4），测量泵模式下流量（Q）、扬程（H）、轴功率（P），计算效率η。CFD结果与实验数据误差%（图5），验证了数值模型的可靠性。

四、主要结果
1. FED分布特征
- 泵模式：蜗壳内能耗占比74%（图8），高能耗集中在舌部区域（εp >0.002）及叶轮与蜗壳交界处（图7a），主因流动分离与高速流体冲击。
- 涡轮模式：吸入室能耗占比70%（图14），由叶轮出口涡流与壁面碰撞导致（图13b）；蜗壳能耗降至7%，因其流动更稳定。

1. 近壁与远壁能耗差异

   • 远离壁面区域（>25 mm）贡献最大能耗（泵模式64.3%，涡轮模式74.4%），而近壁区域（5-15 mm）能耗最低（<1.3%）（图8）。
     

2. 磨损分析

   • 泵模式：蜗壳舌部磨损最严重（Er值最高，图15a），叶轮前缘压力侧轻微磨损（图17）。
     
   • 涡轮模式：吸入室螺旋段磨损显著（图16b），叶轮吸力侧点状磨损加剧（图18），因高速颗粒冲击。

五、结论与价值
1. 科学意义：首次系统性揭示双吸式水泵水轮机在双向工况下的能耗分布规律，提出基于熵产的FED量化方法，为复杂流动损耗分析提供新工具。
2. 应用价值：建议优化蜗壳截面形状以减少舌部流动分离，改进叶轮与吸入室过渡结构以抑制涡流，可提升效率5%以上。
3. 行业影响：研究为高泥沙环境下小型抽水蓄能机组的设计与维护提供了理论依据。

六、研究亮点
1. 方法创新：结合SST-DES方法与Finnie模型，实现了FED与磨损的协同分析。
2. 发现新颖：揭示远壁区域（>25 mm）是主要能耗来源，挑战了传统近壁优化设计思维。
3. 工程针对性：针对水平轴布局的双吸式机型，填补了该领域在两相流研究中的空白。

注：全文通过实验与模拟的交叉验证，确保了结果的可靠性，相关数据因保密要求未公开。