低扬程泵系统出口导管入口环量对抽水蓄能能耗的影响机制及优化研究

针对低扬程泵系统出口导管水力损失占比高的问题，研究人员通过数值模拟和动态模态分解(DMD)技术，揭示了入口环量分布对熵产和系统效率的影响机制。研究发现导叶出口角101°-99°（轮毂至轮缘）可减少流分离和旋涡损失，使系统效率提升14.57个百分点，为旋转机械系统优化提供了新思路。

　　

随着风电、光伏等间歇性可再生能源大规模并网，电网对调节能力的需求日益迫切，抽水蓄能电站建设迎来高速发展期。中国计划到2030年实现1.2亿千瓦的抽水蓄能装机容量，但东部地区受地质条件限制，传统抽水蓄能电站建设面临挑战。与此同时，江苏等沿海省份的数百座低扬程泵站，如江都三站、淮安三站等，通过利用上下游水体进行反向发电，探索出"泵站+抽水蓄能"的创新模式。然而，这些泵站的出口导管水力损失常占扬程的10%-20%，成为制约系统效率提升的瓶颈。

江苏大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表的研究中，首次将入口环量分布优化作为突破口，通过计算流体力学(CFD)和非定常雷诺平均纳维-斯托克斯方程(URANS)模拟，结合动态模态分解(DMD)技术，系统解析了圆形直管和虹吸式出口导管内的流场演化规律。研究创新性地采用熵产方法量化能量耗散，发现适度旋流可使熵产降低，而导叶出口角从轮毂到轮缘采用101°-99°的渐变设计，配合4°-7°的出水偏转角，能显著改善流场结构。实验验证该方案使泵系统效率提升14.57%，为旋转机械系统优化提供了普适性方法。

关键技术包括：1) 采用URANS方法进行非定常数值模拟；2) 应用DMD算法解析熵产动态模态；3) 基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)的稳态模拟；4) 结合体积流体法(VOF)的固定水头模拟；5) 通过激光多普勒测速(LDV)原理验证流场特征。

圆形大直径管道非定常模拟
通过对比无旋流、单方向旋流和二次流(Dean流)三种流态，发现旋流场中速度与涡量对齐可降低能耗，其熵产率较二次流减少23%，验证了适度环量的节能效应。

DMD算法应用
对管道湍流进行时空耦合分析，提取出主导熵产演化的低频模态，揭示旋流场中能量更集中于轴向传输，而二次流会导致能量在径向无序耗散。

外部特性分析
虹吸式出口导管的静压损失实验显示，优化环量分布可使水力损失降低18.6%，且导叶出口角渐变设计能有效抑制流分离，使出水池旋转动能损失减少42%。

结论与意义
该研究首次建立了入口环量与出口导管能耗的定量关系，提出通过导叶几何优化调控环量分布的新方法。工程应用表明，优化后的泵系统在4m以上扬程工况下效率突破85%，为传统泵站改造为抽水蓄能设施提供了关键技术支撑。研究采用的DMD-熵产耦合分析方法，也为其他旋转机械系统(如水轮机、压缩机)的流场优化提供了范式。值得注意的是，团队发现当导叶出口轴向速度与周向速度比低于临界流动数时，会出现边界层分离现象，这一发现对进口设计具有重要指导价值。