抽水蓄能电站由上水库、下水库、输水系统和厂房等组成，兼有水电站和抽水泵站的功能，可根据电力系统负荷灵活运行，通过水道系统将水抽送至上水库或泄放至下水库，实现电网电能和水体势能之间的能量转换，在我国当前能源转型进程中发挥着重要作用。作为抽水蓄能电站水道系统的重要组成部分，进/出水口是建于上、下水库内用于控制水流的工程设施，不同工况运行时水流呈现进流和出流的双向流动特点，其体型设计的好坏直接关系到抽水蓄能电站运行安全和经济效益。
　　竖井式进/出水口是进/出水口的一种重要型式，其结构紧凑，开挖工程量小，布置相对灵活，在国内外工程中应用逐渐增多。竖井式进/出水口的引水隧洞与库区垂直连接，出流时来自直管段较高流速的水流在短距离内经过扩散和90°流向转折，流态变化剧烈，水力条件较难控制。针对竖井式进/出水口双向水力特性的研究存在以下问题：(1)模型试验研究多以有限的具体工程为主，缺乏对主要问题的一般性总结；(2)计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics， CFD)已是竖井式进/出水口体型优化领域主要采用的一种研究方法，但是较少涉及CFD计算精度的系统讨论；(3)体型优化研究多是采用单因素比较法，且缺乏体型参数影响的精细研究，既无法提供合理的体型参数选取范围，也未能分析不同体型参数对水力特性的敏感性和交互影响；(4)广泛应用在体型仿真优化领域的代理模型方法，在竖井式进/出水口的相关讨论尚不多见，如何构造、选取合理的代理模型，形成快速、可靠的优化流程，还需深入探讨。
　　基于以上问题，本文对竖井式进/出水口双向水力特性及体型优化进行研究，包括以下几方面：
　　1．以沂蒙抽水蓄能电站上水库竖井式进/出水口为研究对象，通过模型试验对死水位抽水工况和发电工况下的进/出水口水头损失、流速分布、流量分配和漩涡等水力特性进行研究。对比总结国内已有工程的模型试验成果，抽水工况(出流)存在反向流速是亟需解决的体型设计难点。因此，如何消除出流反向流速，同时兼顾双向水力特性，这是当前体型优化研究的主要问题。为此本文引入优化算法和代理模型，聚焦出流反向流速消除，兼顾双向水力特性优化。
　　2．针对CFD计算精度问题，围绕竖井式进/出水口建立三维CFD计算模型，同时考虑计算效率和计算精度，引入网格收敛指数，提出了网格尺度的确定方法及湍流模型的选用方法，并推荐了适用于后续体型参数影响分析及体型优化研究的网格尺度和湍流模型：当孔口网格尺度为0.03D(D为引水隧洞直径)、湍流模型选取Realizablek-ε时，计算效率和计算精度可得到较好平衡。
　　3．利用单因素比较法研究了孔口高度、盖板半径、扩散段短半轴和扩散段长半轴等体型参数对竖井式进/出水口双向水力特性的影响规律。利用响应面法完善了单因素比较法的不足，基于样本数据构建响应面模型，并对其统计显著性和预测准确性进行检验，进而研究不同体型参数对竖井式进/出水口双向水力特性的敏感性和交互影响。
　　4．针对竖井式进/出水口水力特性的双向特点，确定了合理的体型参数及优化目标，结合优化算法和代理模型技术，探讨了快速、可靠的体型优化流程：针对几何建模、网格划分和CFD数值计算等环节，采用了集成方法以提高样本数据计算效率，在此基础上将代理模型技术与启发式优化算法相结合，使原本极为耗时的优化过程效率提升；探讨了多个代理模型的预测误差，并在优化流程中采取了优化代理模型形式、构建多代理模型集合和对比多种优化目标组合等方式，确保了优化结果的可靠性。
　　5．对比分析多种优化目标组合的优化结果，得到了能够消除反向流速同时兼顾双向水力特性的最优体型，并进行了详细的水力特性分析。分析结果表明，最优体型的水力特性获得了明显改善，进流流速最大值系数降低幅度达14.71%，出流流速不均匀系数降低幅度达36.01%，总水头损失系数降低幅度达7.47%，其中出流流速不均匀系数降低幅度尤为明显。进一步研究发现，最优体型下不仅拦污栅断面处的反向流速彻底消除，进/出水口内部的流动分离发展程度也大大减弱，内部流态同样得到了良好调整。