类型a：学术研究报告
1. 研究作者与发表信息
本研究的通讯作者为Desheng Zhang（江苏大学流体机械工程技术研究中心），其他作者包括Gang Yang、Xi Shen、Lei Shi、Jia Meng、Wenhua Luo，以及荷兰埃因霍温理工大学的B.P.M. (Bart) van Esch。研究成果发表于期刊Energy Conversion and Management，2023年8月在线发表，卷293，论文编号117499。
2. 学术背景与研究目标
科学领域：该研究属于流体机械与水力工程领域，聚焦于泵-水轮机（pump-turbine）在泵模式下的失速（stall）特性。
研究动机：随着可再生能源并网需求增加，高功率泵-水轮机的运行稳定性成为关键问题。失速现象会导致水力损失激增、压力脉动加剧和径向力异常，威胁机组安全。现有研究多集中于失速的表现形式与传播机制，但缺乏对导叶开度（guide vane openings, GVO）如何影响失速特性的系统性分析。
研究目标：通过非定常数值模拟，揭示不同导叶开度下泵-水轮机的流场特征、能量损失、压力脉动及径向力变化规律，为被动抑制失速提供理论依据。
3. 研究方法与流程
研究对象：选用高比转速（ns=215）、大流量（770.4 m³/h）的缩比泵-水轮机模型，几何尺寸为原型的1/10。
关键参数：包括设计流量（Qdes）、扬程（Hd）、转速（n=1150 rpm）、叶轮与导叶几何参数（详见表1）。
数值模拟方法：
1. 湍流模型：稳态模拟采用SST k-ω模型，非定常模拟采用SST-SAS（Scale-Adaptive Simulation）模型，以捕捉分离流动的瞬态特性。
2. 网格划分：采用六面体结构化网格，对叶轮、导叶、固定导叶等关键区域进行局部加密（如图3）。通过网格无关性验证，最终选用660万节点的M2方案（表3-5）。
3. 边界条件：进口设为总压（1 atm），出口为质量流量；壁面无滑移条件，瞬态模拟时间步长4.35×10⁻⁴ s（对应叶轮旋转3°）。
实验验证：在25°导叶开度（最优GVO）下进行性能测试，对比CFD与实验数据（图6）。结果显示，扬程和效率的偏差均在5%以内，验证了数值方法的可靠性。
分析流程：
- 能量损失分析：基于能量平衡方程（式4），分解雷诺应力输运项（PL1）、黏性输运项（PL2）、湍动能生成项（PL3）和黏性耗散项（PL4），量化各部件能量损失（图8）。
- 流场特性：通过子午轴向速度（Va）分布（图10）、压力系数（Cp）载荷（图12）和涡量场（图15）揭示失速诱因。
- 压力脉动与径向力：在导叶、固定导叶和蜗壳布置监测点（图16、21），通过FFT分析频域特征（图17-18、22）。
4. 主要研究结果
4.1 导叶开度对失速特性的影响
- 性能曲线：小开度（19°）时扬程-流量曲线正斜率最大，大开度（31°）时能量损失最显著（图7）。
- 能量损失：固定导叶的PL3受GVO影响最大，大开度下湍动能生成量最高（图8b）。
4.2 叶轮内失速特征
- 反向流动：大开度下，叶轮入口轴向速度（Va）在0.76Qdes时出现大面积负值（图10d），表明严重回流阻塞流道。
- 压力突降：叶轮吸力面（SS）近轮盖处因分离涡诱发局部低压区（图12e），大开度下压力差（δCp）最小，导致叶轮做功能力下降。
- 径向力：大开度时径向力幅值随时间剧烈波动（图13），威胁轴系安全。
4.3 导叶区流动机理
- 流动阻塞：大开度下导叶中部出现低速区（Vm最低至0.42 Span，图14d），涡团在无叶区扩散（图15e），加剧能量损失。
- 压力脉动：小开度以叶频（7fn）为主导，大开度出现6.2fn高频和0.7~1.2fn宽频信号（图17c），反映转子-静子干涉（RSI）效应减弱。
4.4 蜗壳内非均匀流
- 能量损失扩散：小开度时蜗壳入口PL3周向分布不均（图20），大开度下不稳定性加剧，压力脉动幅值增至小开度的3.57倍（图22a）。
5. 结论与价值
科学价值：
1. 首次系统阐明了导叶开度对泵-水轮机失速特性的多维度影响机制，提出能量损失与涡演化的定量关联模型。
2. 发现大开度下导叶区低频涡团与叶频信号的竞争关系，为失速主动控制提供频域靶点。
工程应用：优化导叶开度选择（如优先选择25°最优开度）可显著降低 hump 区风险，提升机组运行灵活性。
6. 研究亮点
- 方法创新：结合SST-SAS模型与能量平衡方程，实现了失速流场的高精度解析。
- 发现新颖性：揭示大开度下轴向反向流动与压力脉动宽频化的因果关系（图10 vs 图17）。
- 数据全面性：覆盖3种GVO、5种工况的流场-力场-声场耦合分析。
7. 其他价值
研究指出，后续需进一步探究叶顶间隙、导叶数等几何参数的影响，并开发基于涡控制的失速抑制技术（如非对称导叶布置）。实验数据与CFD模型已公开，可供同行验证（DOI:10.1016/j.enconman.2023.117499）。