《Energy》：Unveiling the Transient Energy Flowpath in the Turbine Mode of Pump Shutdown: From Inertial Buffering to Irreversible Dissipation
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低头管道泵系统正常停机过程中通过高保真 overset 网格模拟与实验验证，揭示了非线性瞬态演化规律，提出跨尺度分析方法阐明能量转换机制，发现水力-惯性耦合缓冲效应及频谱分叉现象，并溯源至熵产分析，为优化控制策略和结构疲劳防治提供理论支撑。
杨佳明|张晓文|卢佳|冯俊楠|徐峥|唐芳萍
中国扬州大学水利科学与工程学院，扬州 225009
摘要
低扬程管式泵系统（LH-TPS）的正常停机过程会经历一个关键的涡轮机状态，其特征是能量回收潜力与结构风险之间的复杂冲突。本研究采用高保真的重叠网格模拟方法，并通过原型机现场测量和缩比模型实验进行验证，以解析这种非线性瞬态演变过程。提出了一种跨尺度分析方法来阐明能量转换机制。首先，通过对归一化能量输出系数（EOC）的多变量回归分析，发现了一个明显的转变：初始加速阶段主要受瞬态水力冲击的影响，而随后的减速阶段则由储存的旋转动能释放所主导，形成了一个水力-惯性耦合缓冲区。其次，时频诊断揭示了频谱分叉现象。在矢量抵消效应的作用下，基本叶片通过频率从总扭矩中分离出来，而轴向力则承受宽带随机冲击。最后，热力学熵产生诊断追踪了水力损失的来源。EOC峰值与全局流线对齐和涡流抑制同时发生。相反，在减速阶段，旋转驱动的湍流占主导地位，科里奥利力促进了相对涡流的拉伸，加速了能量向不可逆边界层剪切熵的转化。这项研究将宏观机械迟滞性与微观湍流拓扑结构联系起来，为优化瞬态控制策略和减轻结构疲劳提供了关键见解。
部分摘录
引言
在全球追求碳中和的背景下，能源行业的结构转型已成为国际社会面临的一项关键挑战。尽管风能和太阳能等间歇性可再生能源正在迅速发展，但它们的固有波动性对电网稳定性构成了重大风险。因此，具有高能量密度的水力发电成为了一种重要的替代方案。
计算模型
数值模拟域的构建旨在精确捕捉原型LH-TPS的全尺寸水力通道。如图2.1所示，计算域包括整个流体系统，涵盖上游水库、进水渠道、叶轮区域、导叶区域、球形支撑结构、出水渠道、闸门以及下游水库。
原型泵机组在正常工作模式下以169转/分钟的额定转速运行。
结果与讨论
LH-TPS的正常停机过程是一个复杂的瞬态事件，涉及流动状态和机械响应的显著变化。图3.1(a)展示了整个停机过程中关键无量纲参数（流量Q*、转速n*、水头H*和扭矩M*）的时间演变过程，而图3.1(b)将这一轨迹映射到四象限能量转换拓扑图中。所有参数均以其相应的初始瞬态值进行了归一化。
结论
基于高保真的重叠网格数值模拟，并结合原型机现场测量和缩比模型实验的结果，本研究全面分析了LH-TPS在正常停机过程中涡轮机状态下的瞬态特性。通过建立“宏观能量演化-微观时频载荷-微观流动拓扑”的跨尺度分析框架，本文系统地阐明了能量转换机制。
数据获取
支持本研究结果的数据可向相应作者提出合理请求后获得。CRediT作者贡献声明
唐芳萍：监督、资金获取、概念构思。徐峥：研究、数据整理。冯俊楠：可视化、研究。卢佳：可视化、监督。张晓文：监督、方法论、数据整理、概念构思。杨佳明：撰写初稿、可视化、验证、方法论、研究、数据整理、概念构思
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：51376155）、江苏省高等教育机构重点学术发展计划（项目编号：PAPD）、江苏省基础研究计划（项目编号：BK20250936）以及流体与动力机械重点实验室（西华大学，教育部资助，项目编号：LTDL-2025010）的支持。
