本报告所分析的文档由Lianchen Xu（徐连琛）、Yuquan Zhang（张玉全）、Desheng Zhang（张德胜）、Junhui Xu（徐君蕙）、Chengyi Li（李城易）、Chen Feng（冯陈）和Yuan Zheng（郑源）共同完成，研究人员来自河海大学水利水电工程学院、西华大学流体及动力机械教育部重点实验室和江苏大学国家水泵研究中心。该研究于2025年7月1日发表在《Physics of Fluids》期刊上（DOI:10.1063⁄5.0276061）。
这项研究属于流体机械与工程领域，重点关注轴向流动泵（axial-flow pump）在电力中断引发的跳闸瞬态过程中的水力不稳定机制。由于地理约束和气候变化，全球水资源分布不均衡，而跨流域调水成为现代水利工程的重要解决方案。作为低扬程泵站的核心动力设备，轴向流动泵因其高流量输送能力和运行效率在长距离调水工程中扮演关键角色。然而，这类泵在紧急停机或电力故障时常遭遇水力不稳定性问题，可能导致反向流动、压力冲击和严重的结构应力。
尽管国内外学者已对稳定工况下的轴向流动水力机械进行了系统研究，但关于跳闸瞬态过程中的流动特性，特别是涡动力学演化规律的研究仍十分有限。前期研究表明，流量降低条件下，内部涡结构会对运行稳定性产生显著影响；在启动和停机等瞬态过程中，会出现反向流动、分离涡和动态涡核等复杂现象。然而，传统涡识别方法（如涡度和Q准则）无法有效区分旋转与剪切分量，而基于刚性涡量(Rortex)的涡分析方法虽已在稳态条件下应用，但尚未用于轴向流动泵的瞬态过程研究。
本研究旨在利用计算流体力学(CFD)方法，结合剪切应力传输(SST)湍流模型和Rortex方法，阐明轴向流动泵跳闸过渡过程中的水力不稳定机制。通过分析外部性能参数、压力脉动和内部涡动力学的瞬态变化，为轴向流动泵站的水力稳定性和控制策略提供理论依据。
研究采用完整的水力系统计算模型，包括进水池、进水流道（含前后导叶）、叶轮、出水流道和出水池六大组件。具体研究流程可分为四个关键步骤：
模型建立与网格划分
研究采用直径为1.7米的”S”形叶片轴向流动泵模型，设计流量10m³/s，设计扬程2.5m，叶轮转动惯量320kg·m²，转速250rpm。使用ICEM软件对整个流道计算域进行六面体网格划分，对叶轮和导叶区域实施局部加密，最终选定网格数为743万，网格收敛指数(GCI)对扬程和效率分别仅为1.82%和1.87%，满足低于3%的收敛准则。
数值方法及边界条件设置
瞬态模拟基于ANSYS Fluent平台，采用SST k-ω湍流模型，该模型融合了标准k-ε和k-ω模型的优点，能够准确预测近壁行为和自由流湍流，特别适合捕捉泵跳闸事件特有的快速减速和反向流动条件中的分离流、逆压梯度和非定常涡结构。通过用户自定义函数(UDF)实现动态速度变化模拟：读取作用在转轮上的实时扭矩，根据角动量守恒方程计算新转速，并通过滑动网格技术应用于旋转域。入口流域设定为三面进水方式，入口压力随水深变化，上表面建模为移动壁面。
实验验证与数值校正
研究进行了外部特性测试和跳闸过渡试验以验证数值准确性。结果表明，数值模拟的飞逸转速为30.97rad/s（额定转速的1.18倍），与30.4rad/s的实验结果仅偏差1.87%。外部特性参数的实验与数值结果趋势一致性良好，证实了模拟的可靠性。
数据分析方法
采用Rortex方法识别涡核，该方法基于速度梯度张量的Galilean不变分解，将涡结构分离为刚性旋转(xₐ)和剪切分量(xₛ)。为更深入研究涡演化特征，引入基于刚性涡量的雷诺平均熵传输方程，其包含拉伸项(ERST)、扩张项(ERDT)、伪Lamb矢量旋度项(ERCT)、粘性项(ERVT)和雷诺应力项(ERRT)五项关键传输机制，通过这些项分析涡演化的能量转移和耗散过程。
外部参数瞬态响应
跳闸过程可分为三个阶段：跳闸后的线性减速阶段，流量先于转速降至零；过渡阶段（13.24-14.22秒），扭矩短暂上升后衰减至零，系统经历制动工况向水轮机工况转变；飞逸阶段，流道内形成稳定反向流场，最终飞逸转速达30.97rad/s。短时傅里叶变换(STFT)显示，泵模式阶段主导频率为104.67Hz（四叶片通过频率）；当进入制动和流动反向阶段，频谱变得弥散无主导频率；飞逸阶段重新出现123.88Hz的主导频率。
压力脉动与涡结构演化
压力监测表明，跳闸瞬间(t₀)导叶区域压力骤升，叶轮和出水导叶区压力骤降，当流量接近零时（tq=0）各部位压力达到峰值。在过渡阶段，系统经历复杂流态转换和明显水锤效应。轴向力和径向力分析显示，t₀后两力均急剧下降；制动工况阶段轴向力增大而径向力相对稳定；转化为水轮机工况后两力开始增大并呈现渐强的脉动。
基于Rortex方法（等值面xᵣ=50s⁻¹）的涡核识别揭示了显著的阶段特征：稳定运行时涡仅存在于叶片边沿；跳闸后叶顶泄漏涡和轮毂分离涡加强而尾缘涡减弱；零流量状态触发前缘和尾缘涡再生，叶轮区出现涡致阻塞；飞逸工况下叶顶泄漏涡和尾缘涡湍动能显著增大。流道分区分析显示，ERCT在所有工况下均为主导传输项，尤其在叶轮流道区域最显著。
这项研究系统揭示了轴向流动泵跳闸过渡过程中的多尺度水力不稳定机制，主要得出以下结论： 1. 转子减速与水力响应的强耦合性：转速快速降低导致流量、扭矩和轴向力的显著非定常响应，跳闸事件诱导的瞬时冲击效应引起叶轮载荷的周期性振荡，这种耦合关系可能在实际运行中加剧结构疲劳和振动风险。 2. 涡结构演化的多阶段性：稳定工况下涡结构局限于叶片边缘；跳闸后泄漏和分离涡扩展，尾缘涡减弱；零流量和飞逸条件下逆向流动加强涡相互作用，引发大尺度涡塞；这些衍变对流动方向和转速变化极为敏感。 3. 涡动力学-压力场-熵输运的协同作用：涡演化与当地压力梯度和熵耗散密切相关，随着转速下降涡核强化且能量耗散向其邻近集中；涡轮模式阶段尾缘和分离涡共存；飞逸状态下增强的涡活动导致局部耗散骤增。
研究创新点体现在：首次将Rortex方法应用于轴向流动泵跳闸瞬态过程分析，开发了基于刚性涡量的熵传输方程揭示涡演化能量机制，建立了转子减速-压力波动-涡结构发展的完整关联模型。这些成果不仅深化了对泵飞逸事件非定常流动物理的理解，更为提高轴向流动泵站在瞬态工况下的运行安全性提供了直接理论支持。
这项研究的突出创新点包括： 1. 方法学创新：将Rortex方法和刚体涡量概念应用于瞬态过程分析，开发了相应的雷诺平均熵输运方程，为涡演化的能量机制研究提供了新工具。 2. 现象学发现：首次系统描述了轴向流动泵跳闸过程中涡结构演化的五个特征阶段及其与外部参数的对应关系，特别是识别了零流量状态的涡再生和阻塞现象。 3. 工程指导价值：建议通过优化导叶关闭时序、渐进式转速下降和叶片型线调整等控制策略减轻涡致不稳定影响，这些结论可直接应用于泵站安全运行优化。
该研究获得了国家自然科学基金(52209110)、江苏省国际科技合作计划(BZ2023047)和四川省流体机械及工程重点实验室开放课题(LTJX-2025002)的支持。研究人员表示支持数据可根据合理请求从通讯作者处获取。