类型a：
《Physics of Fluids》期刊于2024年3月13日发表了题为《High-amplitude pressure pulsations induced by complex inter-blade flow during load rejection of ultrahigh-head prototype pump turbines》的研究论文，作者包括Xiaolong Fu（付晓龙）、Deyou Li（李德友）、Jingwei Lv（吕靖玮）、Biao Yang（杨彪）、Hongjie Wang（王洪杰）和Xianzhu Wei（魏显著），他们分别来自哈尔滨工业大学能源科学与工程学院和哈尔滨大电机研究所水力发电设备国家重点实验室。

学术背景

在“碳达峰”与“碳中和”背景下，风电、光伏等可再生能源的随机性和波动性对电网稳定性提出挑战，抽水蓄能（pumped-storage hydropower）成为调节能源供需的关键技术。随着高水头、大容量机组的发展，超高水头水泵水轮机（ultrahigh-head pump turbine, PT）在甩负荷（load rejection）过程中易由水锤、空化、回流和涡流等不稳定流动引发高幅压力脉动（pressure pulsations, PPs），威胁机组安全运行。然而，现有研究多集中于中高水头模型机组，对低比转速（low specific speed）超高水头原型机组的流态演化与压力脉动机理研究不足。本研究旨在填补这一空白，通过耦合一维-三维（1D-3D）可压缩流动模拟方法，揭示超高水头PT在甩负荷过程中的独特压力脉动频率成分及其与叶间流态的关联机制。

研究流程

1. 模型构建与数值方法：

   • 水力系统建模：采用一维特征线法（Method of Characteristics, MOC）模拟管道系统，三维计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟PT机组。考虑水体弱可压缩性（weak compressibility），密度通过状态方程（式5）与压力动态耦合。
     
   • 湍流模拟：使用延迟分离涡模拟（Delayed Detached Eddy Simulation, DDES）方法，结合大涡模拟与雷诺平均的优势，捕捉瞬态湍流结构。
     
   • 网格与边界条件：生成结构化网格（叶轮部分为六面体），网格独立性验证表明830万网格节点可保证结果稳定性（图4-5）。边界条件通过用户自定义函数（UDF）实现1D-3D数据交换，导叶（guide vane, GV）关闭过程采用动态网格重构技术模拟。
     

2. 甩负荷过程模拟：

   • 工况划分：甩负荷分为三个阶段（图7）：水轮机模式（turbine mode）、制动模式（turbine brake mode, TB）和再次进入水轮机模式。重点关注前两阶段（0-11秒），其中第一空载（speed-no-load, SNL）条件附近出现显著压力脉动。
     
   • 监测点设置：在蜗壳入口（volute inlet, Vin）、无叶区（vaneless space, VL）、叶轮高压入口（impeller inlet, IM）和尾水管（draft tube, DT）布置压力监测点（图10）。
     

3. 流场与脉动分析：

   • 时频分析：通过短时傅里叶变换（Short-Time Fourier Transform, STFT）提取压力脉动频谱（图11），识别三类频率成分：（1）转子-定子干涉（rotor-stator interaction, RSI）相关的高频（9fn、20fn）；（2）叶轮高压入口局部回流涡（backflow vortex, BFV）诱导的宽频带fbfv；（3）叶间分离涡（inter-blade separation vortex, IBSV）主导的1-7倍转频（fibsv）。
     
   • 流场可视化：通过速度矢量（图12）和涡量Q准则（图13-15）揭示流态演化。在TB模式下，IBSV周期性阻塞流道，其数量与脉动频率直接相关（图14-15）。
     

主要结果

1. 独特压力脉动频率：超高水头PT在制动模式下首次发现1-7倍转频的低频高幅脉动（fibsv），由IBSV的非稳态演化引起（图11）。此类脉动未在中低水头机组中观测到，可能对机组可靠性构成威胁。
   
2. 流态演化机制：
   
   • 回流涡形成：离心力作用下，叶轮罩面（shroud）首先出现分离涡，随后向高压入口移动并转变为稳定BFV（图12-13）。稳定BFV不引发显著脉动，但其过渡过程（分离涡→回流→BFV）导致fbfv频带的高幅脉动。
     
   • IBSV动态阻塞：TB模式下，叶轮流道被IBSV周期性阻塞（图14-15），阻塞程度与流量最小值吻合（图7c），且IBSV数量与fibsv频率分量一一对应。
     

结论与价值

本研究通过耦合模拟首次揭示了超高水头PT甩负荷过程中的低频高幅脉动机理，提出IBSV与BFV的非稳态过渡是脉动根源。其科学价值在于：
1. 理论创新：明确了低比转速叶轮内独特流态（如IBSV）与压力脉动的因果关系，为后续优化设计提供依据。
2. 应用指导：建议通过优化叶轮水力设计及导叶/阀门协同控制策略抑制脉动，提升机组可靠性。

亮点

1. 方法创新：首次将1D-3D耦合可压缩流模型应用于超高水头原型机组瞬态模拟，解决了传统不可压缩模型在高水头下的误差问题。
   
2. 发现独特性：识别了仅存于超高水头PT的1-7倍转频脉动（fibsv），填补了该领域研究空白。
   
3. 工程关联性：通过流场可视化直接关联脉动频率与涡结构演化，为故障诊断提供可视化依据。
   

其他贡献

研究获中国国家自然科学基金（52079034、52209108）等资助，数据未公开但方法已通过前期研究验证[30]。作者声明无利益冲突，成果对抽水蓄能机组向超高水头发展具有里程碑意义。