本文档属于类型a，即报告一项原创性研究的科学论文。以下是对该研究的全面学术报告：
一、作者及发表信息
该项研究由Wei Li（第一作者兼通讯作者）、Yu Long（共同一作）、Leilei Ji（共同通讯作者）等7位作者合作完成，作者单位包括江苏大学国家泵研究中心（National Research Center of Pumps, Jiangsu University）、江苏大学温岭流体机械技术研究院（Wenling Fluid Machinery Technology Institute of Jiangsu University）及江苏大学流体工程装备技术研究所（Institute of Fluid Engineering Equipment Technology）。研究论文《Effect of circumferential spokes on the rotating stall flow field of mixed-flow pump》发表于能源领域期刊Energy（2024年卷290，文章编号130260），在线发布于2024年1月4日。
二、学术背景
研究领域为流体机械内部流动控制，聚焦于混流泵（mixed-flow pump）在低流量工况下的旋转失速（rotating stall）问题。混流泵因其高流量和高效率的优点广泛应用于工程领域，但在低流量工况下易产生旋转失速，导致流道内涡流和不稳定压力脉动，引发泵系统性能下降及安全隐患。传统抑制方法（如“J型槽”结构）存在局限性，因此本研究提出新型周向辐条结构（circumferential spoke，简称“O-spoke”），旨在延迟失速发生并优化泵性能。
三、研究流程与方法
1. 研究对象与模型设计
- 泵模型：基于特定转速480的JHM-500导叶式混流泵，按1:3比例缩比建模（图1），关键参数见表1（如设计流量Qdes=380 m³/h，叶轮叶片数Z=4，导叶数Zd=7）。
- “O-spoke”结构设计：提出三种不同深度的辐条方案（A:4 mm、B:5 mm、C:6 mm），其几何参数如图2及表2所示，区别于传统径向或轴向凹槽，通过弧线形结构抑制叶轮失速涡。
2. 数值模拟与网格验证
- 网格划分：采用结构化网格（图3），通过网格独立性验证（表3）确定最优网格数（9.12×10⁶，叶轮域548万网格），最大y+<10满足SST k-ω湍流模型要求。
- 湍流模型：选择SST k-ω模型（公式1-9），因其能准确预测剪切流动与近壁分离，边界条件设置为速度入口（inlet）和平均静压出口（outlet，参考压力30 kPa）。
3. 实验验证
搭建混流泵测试台（图5-6），对比数值模拟与实验结果（图7）。在设计工况（1.0Qdes）下，模拟扬程误差5%（5.77 m vs 5.51 m），效率误差1%（63.75% vs 64.28%），验证了CFD可靠性。
4. 熵产理论分析
引入熵产率（entropy generation rate）量化能量损失（公式10-21），分为粘性耗散熵产（△S₁）、湍流耗散熵产（△S₂）及壁面效应熵产（△S₃），通过局部熵产分布（图17）识别高损失区域。
四、主要结果
外特性曲线优化
- 5 mm“O-spoke”方案（B）表现最佳：在深失速（0.54Qdes）、临界失速（0.62Qdes）和设计工况（1.0Qdes）下，效率分别提升3.96%、0.59%、1.27%，扬程增加3.62%、0.67%、2.18%（图8）。
- 失速区平滑化：传统泵头曲线在失速区（0.4Qdes~0.6Qdes）呈现“鞍形突降”，而B方案曲线过渡平稳。
内部流场改善
- 叶尖泄漏流抑制：5 mm辐条使叶尖泄漏流（TLF）显著减少（图16），熵产分析显示轮缘区域能量损失降低（图17）。
- 失速涡消除：基于Q准则（Q=80000 s⁻²）的涡结构分析（图14-15）表明，B方案在0.62Qdes下几乎完全抑制了叶轮流道内的失速涡（SV）。
压力与速度场
- 压力脉动缓解：中截面压力云图（图12）及流线压力曲线（图13）显示，B方案使动静干涉区压力波动幅度减小。
- 低速区优化：对齐涡面（aligned turbo surface）速度分布（图10）表明，B方案在失速工况下缩小了叶轮内低速区范围。
五、结论与价值
科学价值
- 首次提出周向辐条结构作为新型流动控制技术，揭示了其对混流泵失速涡和泄漏流的抑制机制，丰富了旋转失速被动控制的理论体系。
- 通过熵产理论量化了能量损失分布，为叶轮机械优化设计提供了高精度诊断工具。
应用价值
- 5 mm“O-spoke”方案可提升混流泵在低流量下的运行稳定性，为大型水力机械高效稳定运行提供工程解决方案。
- 研究结果可直接应用于泵站、化工等领域，降低设备振动风险并延长寿命。
六、研究亮点
- 创新结构设计：区别于传统“J型槽”，提出弧线形“O-spoke”，通过优化轮缘流动延缓失速发生。
- 多方法融合：结合CFD模拟、实验验证与熵产分析，形成完整的流动-能量损失关联研究链条。
- 显著性能提升：在失速工况下实现效率与扬程双提升，为同类研究提供了可复制的优化路径。
七、其他贡献
- 实验数据为后续研究建立基准，开源参数（如网格划分策略、湍流模型设置）可供同行直接参照。
- 提出的熵产分析方法可推广至其他叶轮机械（如水轮机、压缩机）的故障诊断中。
该研究通过理论和实践的结合，为混流泵的优化设计及失速控制提供了重要参考，兼具学术创新性与工程实用性。