基于工质可压缩性的水泵水轮机驼峰初始工况导叶内部流动机理研究

抽水蓄能系统在实现“双碳”目标方面具有重要意义，有利于与其他可再生资源相结合，形成环境友好型电力系统。水泵水轮机作为抽水蓄能系统的核心部件，驼峰区的形成会严重制约系统的安全性与稳定性，应予以考虑。此外，随着水泵水轮机向高扬程和大容量发展，工质的可压缩性变得不可忽略，不可压缩模型无法满足其高精度数值模拟研究的要求。针对这个问题，基于等温假设和Tait方程建立了一个弱压缩性模型，在这个模型的基础上对水泵水轮机内部的流场进行了数值模拟和分析。结果表明，考虑可压缩性计算出的驼峰曲线不仅与实验结果更加一致，而且还获得了更多的流动细节。对于近设计点的驼峰初始工况，虽然未考虑可压缩性和考虑后的结果皆表明导叶内部的流动结构引起的能量损失不容忽视，可压缩性对该流动结构发展还是比较显著的影响。

“碳达峰”、“碳中和”大背景下，储能技术也迎来了新的发展。抽水蓄能技术作为目前储能市场上应用最广、占比最高的物理储能方式[1]，也迎来了新的技术挑战。为实现“双碳”目标，最近国家能源局发布《抽水蓄能中长期发展规划》[2]。可逆式水泵水轮机作为抽水蓄能电站的关键设备，在其以泵工况模式运行时，流量扬程曲线于小流量附近出现正斜率的驼峰区[3]，该现象主要是由其各过流部件内的不稳定流动引起。同时，驼峰出现也常伴随较大的震动和噪声，严重影响机组运行的安全性及稳定性[4] [5] [6] [7]。随着水泵水轮机朝着高扬程、大容量方向发展[8] [9]，其内部的流速和压力随之增大，此时管道中水的可压缩性会极大影响工质性质及内部流动。因此，在研究水泵水轮机驼峰特性的流动机理中考虑水的可压缩性都具有重要的意义。

导叶栅作为旋转机械中的主要部件，国内外研究学者对其内部流动机理与驼峰生成开展了大量的研究。Shibata 等[10]等发现导致一多级泵流量扬程曲线驼峰区的主要原因是导叶能量损耗增加，且损耗增加是由于导叶区发生旋转失速。

姚洋阳[11]结合模型试验进行多个流量工况点的非定常数值计算， 结果表明随着流量减小， 尾水管、叶轮及活动导叶的能量损失增加幅度过大导致性能曲线出现驼峰区。

Li 等[12]通过对水泵水轮机泵工况导叶压力脉动分析，导叶流道进口处的空化强度对低频压力脉动有显著影响， 从而导致驼峰特性发生变化。

随着高扬程水泵水轮机研究的增多，原有的不可压缩计算模型无法满足计算要求。尽管可以用该模型计算并捕获到水泵水轮机内部的不稳定流动现象，但其对应频率下的压力幅值明显小于试验结果[13]。