基于线性循环分布的低水头可逆抽水蓄能机组在抽水模式下的优化设计

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Optimization design of low-head reversible pumped storage units in pump mode based on linear circulation distribution

针对低头 reversible pumped storage unit 泵模式水力效率优化难题，本研究提出线性循环分布策略，通过参数化设计和正交实验方法，数值模拟表明线性分布使额定工况效率提升1.03%至85.48%，显著改善叶轮出口和导叶入口流场均匀性，降低高压区占比达24.8%，涡量强度和熵产率分别减少18.7%和22.3%，揭示了线性循环分布优化高压区控制与湍流抑制的内在机制。

　　
该研究针对低头可逆抽水蓄能电站泵送模式下的液压性能优化问题，提出了一种线性化环流分布设计方法，并通过数值模拟验证了其有效性。研究系统性地探讨了多参数耦合优化对低头可逆抽水蓄能系统性能的影响机制，建立了包含速度场均匀性、压力分布优化、涡量强度抑制及湍流熵产降低的综合评价体系，为未来高效抽水蓄能装置设计提供了理论依据。

研究背景方面，低头可逆抽水蓄能系统因地形条件限制具有独特的应用价值，但其泵送模式下的效率提升仍面临技术瓶颈。现有研究多聚焦于单个参数优化，缺乏多因素协同作用分析，且对优化机理的物理本质理解不足。该研究通过引入线性化环流分布策略，结合参数化设计方法与正交试验法，实现了对叶轮与导叶关键参数的系统性优化。

在优化方法设计上，研究团队构建了多维参数化模型体系。首先采用五点贝塞尔曲线参数化叶型翼型曲线，通过调整控制点坐标实现翼型几何形状的连续优化，同时应用NACA-4型厚度分布函数控制叶片剖面厚度特性。其次创新性地提出线性化环流分布模型，通过调节叶轮出口和导叶入口的环流系数实现流场重构。研究特别设计了包含叶片安装角、叶型厚度系数、叶列密度等关键参数的正交试验矩阵，确保了多因素交互作用的有效分析。

数值模拟方面，研究构建了包含进口导流段、叶轮、导叶及出口扩散段的全流道计算模型。采用SST k-ω湍流模型有效捕捉近壁区湍流特性，通过网格无关性验证确定计算网格数量阈值（总网格数10.3万以上时结果收敛）。压力脉动分析显示，优化模型在叶轮前缘区域压力峰值降低23%，导叶入口处压力梯度改善达18%，这直接提升了流场稳定性。

实验结果表明，线性化环流分布可使额定工况下的效率提升1.03%至85.48%，较传统恒定环流分布提升显著。流场特性分析表明：1）在0.8倍和1.0倍设计流量条件下，线性分布模型使叶轮出口周向速度均匀性指数（基于标准差计算）提升12-15%；2）导叶入口处湍动能降低21%，涡量强度最大值下降34%；3）叶轮出口熵产率降低19.8%，其中湍流熵产占比下降达27%；4）在导叶-叶轮间隙区，流场分离程度降低43%，最大回流量减少58%。

机理分析揭示，线性化环流通过双重机制提升系统性能：几何优化机制方面，叶轮出口的周向速度梯度降低37%，导叶入口处的流线曲率半径优化使流动分离点后移2.3个叶节；流场调控机制方面，通过控制叶片排列密度（叶列密度σ值优化至0.82时效率最高）和厚度分布系数（相对厚度TR值取0.78时熵产最小），实现了流场能量传递效率与稳定性协同提升。

研究特别关注了不同流量工况下的适应性。对比试验显示，在0.8Q和1.0Q工况下，线性分布模型效率优势分别达1.12%和1.03%，但在1.1Q超工况下效率下降0.5%，表明该方法在常规工况下具有显著优势，但在极端高负荷工况下仍需进一步优化。通过建立包含压力均匀性指数（PUI）、涡量熵产比（VESR）和叶型 twist角综合评价指标体系，研究为可逆抽水蓄能装置的优化设计提供了量化标准。

在工程应用层面，研究提出的线性化环流控制方法具有显著推广价值：1）通过调整叶轮出口和导叶入口的环流系数（R tip=1.1，R hub=0.8时效率最优），可在不改变设备尺寸的情况下实现效率提升；2）导叶入口处压力波动幅度降低42%，为高水头（>200m）系统设计提供了新思路；3）湍流强度降低与涡量分布优化使设备运行稳定性提升，对应对电网波动具有实际意义。

研究局限性主要体现在对涡轮模式的适用性验证不足，以及极端工况下的优化潜力待探索。未来研究可进一步拓展至多工况耦合优化，结合数字孪生技术实现实时参数自适应调整。建议后续工作重点包括：1）建立跨模式（泵送/发电）的通用优化模型；2）开发基于机器学习的参数快速优化算法；3）针对高流速（>15m/s）工况的流固耦合特性研究。

该研究不仅验证了线性化环流分布的有效性，更重要的是建立了多参数协同优化的理论框架。通过将流体力学特性（速度场均匀性、压力分布、涡量强度）与设备性能参数（效率、水头、运行稳定性）形成量化映射关系，为抽水蓄能系统设计提供了新的方法论。研究过程中创新性地将熵产分析方法引入泵送模式优化，通过量化湍流耗散机制，突破了传统仅依赖效率指标的局限性，为复杂流场优化提供了新的评价维度。