优化导叶出口角度提升低扬程泵系统效率及抗冻性能的锌离子电池研究

针对低扬程泵站反向发电时出水流道水力损失大的问题，研究人员通过动态模态分解(DMD)和熵产分析，揭示了导叶出口角度(101°-99°)和4°-7°偏流角可减少14.57%能量损失，为旋转机械系统优化提供新思路。

　　

随着可再生能源并网规模扩大，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峰。然而传统抽水蓄能电站受地形地质限制，在华东、东南等电力需求旺盛但地质复杂的区域难以大规模建设。有趣的是，江苏等平原地区大量用于调水灌溉的低扬程泵站，通过利用上下游水体实现反向发电和储能功能，成为"天然"的分布式抽水蓄能单元。但这类泵站普遍存在出水流道水力损失占比高达10%-20%的痛点，严重影响系统效率。

江苏大学流体机械工程技术研究中心的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，创新性地提出通过优化导叶出口角度来调控入流环量分布，从而降低出水流道能量损耗的方法。研究结合计算流体力学(CFD)模拟与动态模态分解(DMD)技术，首次揭示了旋转流、二次流等复杂流态的能量耗散机制，为泵系统增效提供了理论依据和工程解决方案。

关键技术包括：1) 采用非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方法模拟等径圆管和虹吸出水流道；2) 应用DMD算法解析熵产动态模态特征；3) 基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)稳态模拟量化环量分布影响；4) 结合VOF(Volume of Fluid)方法优化导叶几何参数。

【等径圆管非定常模拟】通过设置无旋流、旋流和二次流三种入口条件，发现适度旋流可使熵产降低12.3%，证实环量控制对减阻的有效性。DMD分析显示旋流模态的动能耗散主要集中于管壁边界层。

【虹吸出水流道优化】当导叶出口角度从轮毂到轮缘采用101°-99°渐变布置，偏流角控制在4°-7°时：1) 导叶片表面流动分离减少38%；2) 出水流道旋流强度衰减速率降低21%；3) 系统效率提升14.57个百分点。实验验证该方案能有效抑制出口池室旋动能损失。

该研究突破传统仅通过限制流速(GB50265标准要求<1.5 m/s)来降低水力损失的思路，首次建立导叶几何参数-入流环量-能量耗散的定量关系。提出的"渐变导叶角度+适度偏流"设计准则，已在江苏江都三站等泵站改造中应用，为平原地区泵站储能功能开发提供关键技术支撑。论文揭示的旋转流能量耗散机制，对风机、水轮机等旋转机械系统优化同样具有重要参考价值。