本文属于类型a的学术研究报告，介绍一项关于超低水头轴流泵作水轮机（Pump as Turbine, PAT）流动力学特性及其优化的原创性研究。以下是详细报告内容：

第一作者及机构

本研究由 Zehui Zhu（第一作者）、Qi Gu、Hongxun Chen（通讯作者）、Zheng Ma 和 Baohua Cao 合作完成，作者单位包括：
- 上海大学力学与工程科学学院（Shanghai University）
- 中国船舶科学研究中心（Chinese Ship Scientific Research Center）
- 江苏淮沭新河管理处（Jiangsu Huaishu Xinhe Management Office）
研究发表于期刊 Energy Conversion and Management（2024年6月，卷314，文章编号118684）。

学术背景

研究领域与动机

轴流泵在反向运行（即作为水轮机模式，简称PAT）时可用于小型水电站发电，具有成本低、维护简便等优势。然而，实际运行时，由于水位差变化，PAT常在非设计工况（off-design conditions）下运行，导致效率下降、压力波动剧烈等问题，严重影响设备寿命。本研究聚焦于超低水头（ultra-low water head）条件下的轴流泵作水轮机，旨在通过优化叶片角度提升其性能。

科学问题与目标

1. 问题：传统半可调式叶片（semi-adjustable impeller）因同步调整进/出口角，难以兼顾涡轮模式（turbine mode）和泵模式（pump mode）的效率需求。
   
2. 目标：基于计算流体动力学（CFD）与熵产理论（entropy production theory），分析流场特性与能量损失机制，优化叶片进/出口角组合，提升涡轮模式效率的同时不牺牲泵模式性能。
   

研究方法与流程

1. 数值模拟与验证

• CFD模型：
  
  • 使用 ANSYS CFX 18.0 软件，采用 SST k-ω 湍流模型 模拟稳态与非稳态流动。
    
  • 流域包括进水管、导叶、转轮和出水管，网格为结构化六面体，通过 Richardson外推法 验证网格独立性。
    
• 实验验证：
  
  • 通过原型泵站（型号3.1ZLQ-5）实测数据（如水头2.2–2.8 m下的轴功率）与CFD结果对比，最大误差7.4%，验证模型可靠性。
    

2. 流场与熵产分析

• 关键参数：
  
  • 定义熵产率（entropy production rate）分为：直接耗散项（EPDD）、湍流耗散项（EPTD）和壁面剪切项（EPWS）。
    
  • 通过涡量（Q-criterion）捕捉叶尖泄漏涡（TLV） 和 管状涡结构（tubular vortex）。
    
• 分析方法：
  
  • 对比不同叶片角度（-2°、0°、2°）下转轮和出水管内的能量损失分布，发现出水管能量损失占总损失的90%，且与转轮出口速度环量（velocity circulation）密切相关。
    

3. 转轮优化设计

• 优化算法：
  
  • 采用 拉丁超立方抽样（Latin Hypercube Sampling） 构建设计空间，以设计流速（26.19 m³/s）和速度环量（0.1816）为输入变量。
    
  • 通过 多目标粒子群算法（MOPSO） 优化叶片进/出口角组合，目标为最大化涡轮模式效率和输出功率，同时约束泵模式水头需求（≥3.22 m）。
    
• 响应面模型（RSM）：
  
  • 基于9组样本数据构建二阶响应面模型，最终优化转轮的涡轮模式效率提升0.99%（平均），泵模式流量增加2 m³/s。
    

4. 非定常流与压力脉动分析

• 压力波动监测：
  
  • 在出水管设置监测点（D1–D3），分析优化前后压力脉动的时域与频域特性。
    
  • 结果显示优化转轮将主涡频率从0.114 fn降至0.171 fn，显著抑制低频压力波动。

主要结果与逻辑关系

1. 叶片角度对性能的影响：

   • 涡轮模式：-2°叶片角效率最高（因TLV分离延迟，减少能量损失），但流量较低；2°叶片角流量大但效率低。
     
   • 泵模式：优化转轮在相同水头下流量提升2–4 m³/s，效率略有下降。
     

2. 能量损失机制：

   • 转轮内能量损失主要由 叶尖泄漏流（TLF） 和 入口攻角不匹配 引起，表现为EPWS主导（占56–60%）；
     
   • 出水管损失由 非均匀入流 导致，EPTD占主导（43–47%）。
     

3. 优化效果验证：

   • 优化转轮的叶片载荷分布更均匀，压力脉动幅值降低30%，且泵模式流量提升满足实际需求。
     

结论与价值

1. 科学价值：

   • 揭示了超低水头轴流PAT的能量损失机制，提出基于熵产理论的流场诊断方法。
     
   • 通过独立优化叶片进/出口角，解决了传统半可调式转轮的局限性。
     

2. 应用价值：

   • 为中国“南水北调”工程中51座轴流泵站的技术改造提供理论依据，兼顾发电与抽水需求。
     
   • 优化后的转轮可提升年发电量约1.4%，同时增强防洪排涝能力。
     

研究亮点

1. 创新方法：

   • 首次将熵产理论应用于原型尺度（prototype-scale）轴流PAT的优化设计。
     
   • 结合MOPSO算法与RSM模型，实现多目标高效优化。
     

2. 关键发现：

   • 出水管能量损失占总损失90%，优化需优先降低转轮出口速度环量。
     
   • 叶片进口角影响TLV分离位置，出口角决定出水管流态均匀性。
     

其他有价值内容

• 电气系统适配性：研究提及泵站采用四象限变频器（four-quadrant frequency converter）实现发电模式并网，为类似工程提供参考。
  
• 局限性：优化转轮在低泵模式水头下效率略降，未来需进一步平衡双模式性能。
  

（全文完）