成果速递：仿生导叶优化流动特性的研究进展

近日，《中国科学：技术科学》在线发表了题为“仿生导叶对长短叶片水泵水轮机‘S’特性的优化研究”的研究论文。硕士施俊德为论文的第一作者，博士后赵子龙为论文的第二作者，中心主任钱忠东为论文的通讯作者。

水泵水轮机特性曲线上独特的“S”不稳定区影响着机组在启停及工况切换等常规过渡过程中的动态特性，对抽水蓄能电站的安全稳定造成威胁。相关研究表明，水泵水轮机的“S”反弯段曲线反映了在小流量工况下，机组内部形成的流动分离、旋涡结构及旋转失速团等不稳定流动所引起的局部能量耗散导致了大幅的水力损失。本研究首先讨论了基于座头鲸鳍状肢剖面特性的仿生导叶设计（见图1），随后将其应用于某长短叶片水泵水轮机模型并进行数值模拟计算。结果表明，基于鳍状肢中跨剖面设计的仿生活动导叶对水泵水轮机“S”特性的优化效果最佳，使得机组特性曲线的不稳定区间缩小了近75%（见图2）。优选的仿生活动导叶改善了活动导叶区和无叶区的流态，使机组在飞逸工况下无叶区高速水环的范围和活动导叶流道内旋涡的数量均大幅减少。此外，优选仿生活动导叶还提高了机组在水轮机工况的能量特性，最优效率提高了2.1%。

图1 仿鲸鱼鳍截面翼型筛选示意图

(a) 座头鲸跃出水面; (b) 鳍状肢实物图; (c) 筛选部位及对应翼型

图2 采用不同导叶的外特性曲线

聚焦于中心研究主题“水泵水轮机的内流不稳定性机理及优化策略”，该成果对于优化水泵水轮机运行稳定性的几何设计方法研究有着重要意义，本研究得到国家自然科学基金（52279090）等项目资助。

论文信息：

施俊德, 赵子龙, 钱忠东, 等. 仿生导叶对长短叶片水泵水轮机“S”特性的优化研究. 中国科学: 技术科学.

Shi J D, Zhao Z L, Qian Z D. Optimization of the "S" characteristics of a pump-turbine with splitter blades utilizing bionic guide vanes (in Chinese). Sci Sin Tech.

论文链接：http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SST-2024-0190