能源无疑是当今各个国家经济和社会发展的关键因素。电力作为众多能源形式之一,是发展中国家在各领域争取自给自足的关键点。基于农村地区的经济优势,电力供应机构最近提出一种使用泵作透平(PAT)作为远程离网电气化微型水电站(MHP)方案。泵作透平相当于在相反的旋转方向进行工作的以用于发电的目的普通液压泵。尽管在农村小型水电站中使用泵作透平带来了许多好处,但目前也发现了许多问题,这主要是因为它们流量无法控制,同时缺少有关涡轮机运行特性的数据有关,从而使它们易受流动不稳定的影响而且工作区间较小。众所周知,泵作透平只能在0.8 BEP到1.0 BEP的工作区间内运行,一旦脱离这个非常小的工作区间,机器内部流道会产生严重的漩涡,导致相应的局部高压脉动和结构振动。这些现象最终可能影响整个机组的工作效率甚至导致结构损坏,如叶片破损。此外,小型水电站大部分安装在流动不稳定的山区小河流上,这使得它们处于不可预测的流动条件下,而且PAT的流入条件还与季节性降水有关。因此,满足条件的可用流量大部分时间段内处于空载状态下,这导致机器长期的运行不稳定。尽管上述问题的科学机理尚不清楚,但不同的研究者已经尝试了不同的PAT性能预测方法,并提出了相应的理论方法。然而,通过这些方法呈现的预测精度还不足以准确地预测不同设计涡轮机模式的性能特征,不同的测试方法最大误差范围为±20%。这使得这些方法的预测不是十分可信,只有在伴随实验测试结果时才具有可行性。这个问题虽然对整个小型水电安装过程产生了负面影响,尤其是对于选择适合的地理位置和水力特性,但其仍然具有重大价值。不过,这只是一个工程实际问题,任何液压机械的外部性能特征本质上都是机器流道内流动动力学演变的结果。因此在任何运行条件下,所监测的机器运行参数如果存在任何异常,则可以确定在机器内部的流动最终演变方面肯定存在相关的特殊特征。也就是说,只有深入了解更宽的运行参数范围内,泵作透平内的流体动力学和影响参数,才能找到解决流体机械内不同技术问题的解决方案。目前为止,关于PAT流动结构演化特征的研究数量非常少,基于此并从长远来看,本研究可以有助于解决上述PAT的运行问题,尤其是小范围内的最优工况。迄今为止,全球可再生能源的推广使得抽水蓄能电站已被广泛采用,并且主要用于保证发电机组中的能源供应稳定性。其中具有流量控制系统的PAT,即可逆式水轮机(RPT),与其他正式使用的机组设备相比具有许多优点。目前已经取代了以前使用单独的泵和涡轮机来分别泵送水和发电的布置,从而提高了工厂的经济性。抽水蓄能电站通常安装在两个蓄水池之间,在高需求时段(大部分是白天),水从高蓄水池释放到低蓄水池用于发电,并在低需求时间内泵送回高蓄水池进行储能(大多是晚上的时间)。这些设备通常在非设计条件下运行,并由于电网不断变化的电力需求使其在泵送和发电模式之间频繁切换。在保证电网稳定运行的前提下,抽水蓄能电站大多需要提供电力,导致其在非设计运行条件和相关的流动中呈现不稳定性。例如,由于各种可能的原因,其它的可再生能源--风能和太阳能减少了发电量,导致电网能源需求和供应之间的不匹配,从而需要抽水蓄能电站的干预以弥补当前的电力不稳定性。这种补充能量的操作我们通常称为“峰值循环”。根据水泵水轮机的比转速,在固定导叶开度下的流量—转速以及扭矩-转速特性曲线都是“S形”。在这种情况下,其可能在飞逸转速和更高转速下变得非常不稳定,结构振动显著增加,使得其与电网实现安全的机器同步变得更加困难。迄今为止已经进行了多种不同的研究,主要目的是彻底了解这些不稳定背后的流动力学。然而,尽管在解决问题上采用了不同的办法,但当涉及抽水蓄能水电站内的RPT操作时,流动不稳定仍然是最常遇到的危险问题之一。严重的情况下它们可能在会导致某些RPT部件破损,,当振动频率接近工厂的固有频率时甚至会导致整个工厂的破坏。本文试图在上述两种机器(PAT和RPT)中找到上述问题的长期解决方案,旨在通过低扬程可逆泵水轮机和低水头泵作透平的缩小模型来探索流动动力学。对于PAT的研究,本文主要研究非设计工况下特定比转速的泵作透平的流动不稳定性起始和发展机制,尤其着重于PAT部分载荷流动条件(0.67QBEP)。对于RPT的研究,本文主要研究在不同的设计参数下从涡轮飞逸到涡轮制动的流动特性,包括不同的转轮叶片后缘位置,导叶开度角和转轮叶片数等。本文主要采用实验和数值模拟的研究方法。基于在中国哈尔滨电机研究所(HILEM)的试验台,本文测量了静止和旋转条件下流量和压力,用于验证后期数值模拟的准确性。数值模拟完成了水泵水轮机模型的完整流道的非稳态不可压缩湍流的研究,其中PAT模型采用k-ε湍流模型进行计算,而RPT模型采用剪切应力传输(SST)模型进行计算。针对特定计算选择的特定湍流模型以提高计算能力和适应性。对于所有模拟案例,几何模型都是通过CAD软件,NXUnigraphics和CFTurbo构建的;而相关的计算网格是通过Ansys ICEM和Ansys Turbogrid创建的。为了快速求解收敛,首先进行稳态模拟,并将其结果作为瞬态流动模拟的初始条件。从可用的实验结果中选择质量流速(Q)和静压(P)分别作为相应的入口和出口边界条件,所以壁面均考虑壁面函数。然而,对于PAT情况,入口和出口边界条件的位置是相反的。基于所研究的模型由旋转部分和静止部分组成的事实,它们之间的连接采用不同的交界面连接。所谓的“阶段混合”和“冻结转子”类型分别用于流道入口和出口区域用于稳态模拟,而“瞬态转子-定子”类型用于瞬态模拟。另一方面,在固定组件之间采用通用网格接口(GGI)类型。对于所有被研究的工况,根据情况模拟7到11个转轮,其中每个时间步长在1°(RPT)和2°(PAT)转轮旋转之间变化,使得一个完整的转轮旋转值为360和180时间步骤。对于详细的压力脉动特性分析,许多压力监测点已经定位在所研究模型的整个流动通道内的关键位置。通过将机器外部性能特征的数值模拟值与实验结果进行比较,对各个模型中使用的数值方案进行了准确性验证;在全局范围内,两者之间存在显着的一致性。针对三种不同的叶片后缘位置——15mm,20mm和25mm进行PAT流量分析,结果表明PAT流动结构成为潜在的计算压力脉动的参数。类似的,通过对叶轮叶片设计修改导致不同的流动发展,这又导致不同的压力脉动特性。对于三个研究的Rh值(15mm,220mm和25mm),在整个PAT流场内的不同监测点处,发现压力脉动主频率通常是叶轮旋转频率及其倍数,然而还发现低频分量与局部流动不稳定性相关。因此,转子-定子的相互作用(RSI)成为影响PAT压力脉动特性的主要因素,其中叶片通过频率(BPF)是三个PAT组件(蜗壳,叶轮和出口管道)内的主要频率。在所研究的三个PAT模型中,叶片后缘轮毂距离为20mm(Rh20)的模型的压力脉动最高,而Rh:15mm的模型的压力脉动最低。因此,压力脉动随着叶片后缘位置的变化并无明显规律。对于另一侧的RPT流量分析结果表明,在不同的导叶开口(17mm,21mm和25mm)和不同的转轮叶片数量(8,9和10叶片)下进行各种非设计流量条件的测试结果发现,随着机器流动条件从涡轮机操作区逐渐变化,叶片吸附侧附着的涡流首先出现在转子叶片间通道内。随着流量的不断减少,后者首先减弱并转移到叶片压力侧,而回流则出现在流道入口区域的轮毂侧。在失速的附近区域和涡轮制动区域,叶片间通道涡流变得严重,以涡流连续存在的方式完全阻塞了一些流道,这表明存在旋转失速的现象,而流道入口处涡流将其位置从轮毂扩展到中跨区域。此外,发现RPT中的流动对导叶开度和转轮叶片数量变化都非常敏感。从结果中可以看出,随着导叶开口逐渐增加,转子叶片间通道流动涡流趋于减弱,而无叶片空间流动不稳定性相应恶化。进一步增加转轮叶片数量,也发现了相同的现象。同样的,随着流量的不断减少,RPT压力脉动幅值从涡轮机高流量条件向BEP减小,从它们增加到在失速区和操作点处达到峰值,最终减少到涡轮制动操作条件。在从螺旋壳进口到导流管出口的RPT全流道上,最高的压力脉动出现在流道和导叶之间的无叶空间。这些压力源来自于同一区域内的RSI和与工况有关的流动不稳定性。然而,除了与无叶片空间流动不稳定性相关的低频分量之外,RSI导致的压力脉动主导频率分量,即BPF及其谐波(2BPF和3BPF),在上游流动时直接衰减到非常低的振幅值。此外,流道上游区域中的低频压力脉动分量与尾水管流动不稳定密切相关,因为它们通常是尾水管压力脉动主导频率的倍数(0.19fn)。研究发现,RPT全流动区域内压力脉动幅度随着导叶开度而增加,而转轮叶片数量的增加与RPT压力脉动特性之间没有规律关系。