为大力发展风电、光伏、海洋能等可再生能源，并保证高比例可再生能源发电格局下电力系统的安全可靠性、环境友好性、适用经济性和可持续发展能力，进而实现我国能源结构转型，以及2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”的战略目标，必须持续发展具备快速与大容量调节能力的水电与抽水蓄能。由于流体机械兼具电力生产与能源使用的双重作用，亟需研究适应未来能源系统特征的先进流体机械技术。

流体机械包括水轮机、泵、液力变矩器、风力机、低压风机等，是维持人类发展的必要装备^[1]。流体机械技术源远流长，尤其是进入21世纪后发展迅速。在我国，水轮机作为能量转换设备每年生产的绿色洁净水电超过全社会电力总量的16%^[2]，2020年底水电装机总量已达370.2 GW^[3]，水电在国家能源供给中的占比将越来越大；而泵与风机作为量大面广的通用设备，每年消耗约三成全社会电力总量，还需通过技术创新来实现节能降耗。因此，先进、高效的流体机械技术对我国“双碳”目标具有重要的支撑作用。

流体机械种类繁多，且应用极其广泛，在实际工程中存在设备效率低、运行不稳定、与系统不匹配等问题。近年来，随着电网中风电、光伏等新能源发电量急剧增加，作为电网调节器的水轮机与抽水蓄能机组需要频繁进行工况转换，尤其在偏工况下易出现不稳定现象，导致机组与厂房异常振动，威胁电站安全生产。同时由于我国水资源分布非常不均衡，长距离大流量调水工程和大型城市短时间高强度排水都需要研发效率高、运行稳定性好的大型水泵。这些都是流体机械研究必须面临的严峻挑战。此外，流体机械技术在国民经济关键行业还有许多应用，如航天涡轮泵与航空柱塞泵^[4]、作为高速舰船动力的喷水推进泵^[5]、超大容量数据存储设备或质子交换膜燃料电池堆的液体冷却泵^[6]、临床医疗中使用的人工心脏^[7]等。因此，在今后社会发展中，先进流体机械技术将发挥越来越重要的作用。

本文针对我国社会与经济领域的重大需求，依据能源与动力工程学科的技术发展趋势，梳理了流体机械及工程相关的主要研究方向，为未来流体机械关键技术研发提供参考。

1 生态友好的高效安全水力发电技术 1.1 巨型水轮机高性能流动设计

我国水轮机技术起步较晚，但最近20多年来通过引进与吸收国外技术，以及自主创新而发展迅速，不仅水电装机总量与年发电量跃居世界首位，而且在超大容量、超大尺寸水轮机机组研制方面屡创世界第一，如2020年4月投产的大藤峡水利枢纽工程首台200 MW轴流转桨式水轮机、2021年6月投产运行的白鹤滩水电站1 000 MW混流式水轮机分别为世界现有最大单机容量的轴流式与混流式水轮机，标志着中国水轮机技术步入国际领先行列^[8]。

目前我国水电资源开发率接近40%，未来水电建设将面临开发难度大、制约因素多、经济性劣化、电站与电力系统须高度协调等难题。这就对未来水轮机技术提出了更苛刻的要求：为提高水电站建设和运行的经济性，水轮机和水泵水轮机朝着巨型化方向发展，如单机容量500 MW以上的高水头混流式水轮机、500~700 MW超高水头冲击式水轮机等；为满足电网调节能力，水轮机设计须保证在超宽工况或全工况下的稳定性；为提升运行效率与可靠性，须使水轮机在设计工况与超宽工况下运行时均达到效率保证值，且空化与泥沙磨损得到精细、有效控制。

针对上述挑战，主要需开展两方面工作：

1) 应用基础研究。发展良好普适性的多相流模拟模型，解决水轮机内部空化流动与含沙水流动分析能力不足的问题^[9]，并为工程中泥沙磨损防治提供技术依据；发展适应大Reynolds数范围的动态湍流模型^[10-12]，改善巨型水轮机(含间隙)全流道流动计算的精度；开发大规模并行计算方法，提升巨型水轮机(流-固-电-磁-热)多物理场耦合分析的效率；基于开源软件积极研发具有自主知识产权的流动分析软件，防范因国际环境变化带来的潜在技术风险等。上述研究可为巨型水轮机技术及大型抽水蓄能技术的工程研发奠定基础。

2) 工程技术研发。亟需开发能快速响应多目标设计需求的水轮机设计工具软件，大幅提高工程设计的效率；研究水轮机模型试验与真机现场测试的高可靠性检验技术，以及模型与真机流动参数高精度换算方法，为实现水轮机安全稳定调节与运行提供科学依据；构建宽工况稳定运行的水轮机模型与模型库，提升巨型水轮机流动设计水平；研发超高水头混流式水轮机与多喷嘴冲击式水轮机的优秀水力模型，为我国水能资源高效利用及水电项目建设提供有力支撑。

1.2 水轮机尾水管涡带与低频压力脉动的抑制

混流式水轮机运行在偏负荷工况时，尾水管中常发生螺旋形涡带，以及由涡带诱导的低频压力脉动。实践表明，涡带是水轮机主要的不稳定源之一，不仅关系到运行稳定性，而且直接影响机组的水力性能^[13]。尤其当水轮机出现空化时，涡带尺度增大，压力脉动更强烈，由此危害水轮机及水电站的安全性^[14]。因而，研究有效抑制水轮机尾水管涡带与压力脉动的设计与控制方法具有重要意义。

目前针对尾水管涡带主要有3类抑制方法：

1) 转轮优化设计。由流场分析可知，形成涡带的旋涡运动类似于绕流体的脱体涡，是从转轮上冠附近进入到尾水管的^[15]。所以，通过优化转轮设计可以改变偏工况下转轮内的流动，从而改善进入尾水管流动的均匀性。

抑制涡带强度的工程措施包括采用长短叶片转轮或负倾角翼型转轮，优化转轮叶片出口处的环量分布，修改转轮上冠与泄水锥的几何形状^[16-18]，以及在泄水锥上布置抑涡槽^[19]等。

2) 尾水管抑涡设计。为了减弱螺旋形涡带的旋涡运动对压力脉动的影响，可在尾水管壁面增设多种形式的抑涡结构。图 1b所示为一种设置在尾水管直锥段上的凹槽结构(J-Groove)，与通常的光滑壁面相比可减小涡带尺寸并将空化涡带限制在转轮泄水锥下游，均衡尾水管横截面上的压力分布，进而抑制低频压力脉动^[20]。

实验与数值模拟均证实壁面加鳍可以有效改变尾水管中局部流场，并作用于螺旋形涡带的演化过程，影响涡带运动及压力脉动^[21]。图 2所示为一种棱形鳍，其最大宽度为0.096 D_r(D_r为转轮进口直径)、最大高度仅为0.048 D_r。该鳍可单只安装在距尾水管进口截面0.15 D_r的尾水管直锥段壁面^[22]。

图 3所示为混流式水轮机尾水管中涡带的瞬时状态。在鳍周围可见附鳍小涡带，它起到稳定压力场、降低直锥段压力脉动的作用；当流场中发生空化时，尾水管内压力脉动加剧。此时鳍可以显著降低涡带规模和空泡体积，明显削弱尾水管内的压力脉动^[23]。

3) 主动控制方法。采用凹槽壁面、在壁面加鳍等抑涡结构抑制螺旋形涡带的方法均属于被动控制方法，而针对涡带的主动控制方法主要是补气^[24]与补水^[25]，即向尾水管内补充具有一定压力的流体来抑制涡带运动的控制方法。因为偏工况下尾水管内流场特征在于泄水锥下方存在较大范围的逆流区，而螺旋形涡带总是环绕该逆流区运动^[26]，所以无论补气还是补水，其控制机理都是减小甚至消除尾水管中的逆流范围，改变流场中的压力分布进而抑制涡带诱发的压力脉动。

由于补水需要专门的装置，而补气则可以根据尾水管中负压状态自动通入自然空气，在工程上具备更好的可操作性^[27]，因此水轮机运行时绝大多数情况下实际使用补气来抑制涡带与压力脉动。研究结果表明，通入足量空气可基本消除涡带引起的低频压力脉动。图 4为不同补气量时尾水管涡带在一个转轮旋转周期T内的6个瞬时形状。当补气量为1%(与运行流量相比)时涡带仍为螺旋形，而当补气量达到4%时涡带被打碎，涡强度急剧降低、压力脉动被抑制。需要说明的是，无论补气还是补水，都可限制尾水管中的逆流，有利于提高机组效率。

此外，还可以结合主动与被动控制方法来抑制尾水管涡带。如经由鳍结构向尾水管补气，可以在一定程度上改善加鳍抑制压力脉动的效果^[28]。

1.3 生态友好水轮机的相关研究

生态文明社会无疑是我国社会主义建设方向，水电资源的开发利用应当与环境、生态协调，与社会发展同步^[29]。2015年拟建的“小南海电站”项目被叫停事件^[30]是水电建设史上的一个重要里程碑，标志着我国能源开发必须严格符合国家上层规划与自然资源保护的要求。所以，作为电站核心的水电机组具有生态友好特性就成为未来水电技术发展的必然要求。

目前国际上主要通过水电站的鱼类存活率作为评价水电项目生态友好性的重要指标，并以此为目标开展了一些工作，重点研究方向包括鱼类过机伤害的机理^[31-32]与评价模型^[33-34]、鱼类友好的水轮机设计^[35-36]等方面。而作为相对基础的研究，鱼在水轮机内的运动轨迹，以及鱼过机过程中的流场不仅关系到致鱼伤害的机理研究，而且可以为鱼类友好水轮机的设计与运行提供科学依据。美国太平洋西北国家实验室曾采取“传感器鱼”的方式通过模型实验模拟、测试鱼的过机运动轨迹与相应的压力和运动学参数(线速度、线加速度、旋转速度等)^[37]，实验结果表明鱼在通过水轮机流道时易与转轮、固定导叶和活动导叶碰撞，且最高效率工况时传感器鱼与转轮发生碰撞的概率约为最大与最小导叶开度时的一半^[38]。但传感器鱼为一个简化的刚性圆柱体，与真实鱼的流线型、具有一定柔性的鱼体非常不同，另一方面传感器鱼只能定性分析鱼类在通过水力机械流道时受到损伤的大致区域。因而，通过数值计算方法模拟鱼体过机行为就非常有助于分析鱼类在通过水力机械流道时受到伤害的机理，以及基于鱼体运动过程的水轮机流道设计优化等研究。

水轮机中鱼体的运动是典型的流固耦合求解问题，所以鱼体的运动模拟主要应考虑鱼体与流场之间的强耦合关系。已有研究均基于一定假设开展鱼体运动求解，如忽略鱼体质量和体积对流场的影响，认为流线即为鱼体运动轨迹的流体示踪粒子法^[39-40]，忽略鱼体体积对流场的影响，假设颗粒的迹线即为鱼体运动轨迹的Lagrange颗粒法^[41]，考虑鱼体质量和体积的影响，用系列离散元复合颗粒描述鱼体的离散元复合颗粒法^[42]等。这些常规方法中，离散元复合颗粒法可较好地反映鱼体在流场中的运动，但忽略了鱼体与流场之间的真实耦合效应，存在明显的技术缺陷。最近出现了将沉浸边界法与流固耦合技术相结合开展鱼体过机运动行为模拟的尝试，不仅考虑了鱼体积与质量的影响，而且真实反映了鱼体与流场之间的相互作用，可以更好地体现鱼体在流体机械内的复杂运动，捕捉鱼体与叶片发生碰撞时的运动突变，以及鱼体周围流场参数变化。图 5表示3个瞬时鱼在轴流式叶轮叶片进口附近的运动。图中，主流方向自左向右。由图可见在t=0.148 T时刻鱼体尾部与叶片进口相撞，而受到撞击后(如t=0.181 T时刻)鱼的运动方向急剧改变。图 6中，以Q准则值1 500 s^-2的等值面表示叶片附近涡的形态，而涡表面的颜色表示无量纲涡量。计算结果表明，鱼与叶片相撞时鱼体运动突变引起显著的涡运动。研究结果还揭示了当鱼体与转轮(或叶轮)叶片、导叶碰撞时，易引起撞击、压力与剪切3种损伤的联合作用，强化鱼过机时所受的伤害，从而导致鱼类存活率下降。

根据鱼体在流体机械流道中的真实运动轨迹，不仅可以准确评估鱼的过机存活率，而且可提出针对性很强的水力设计优化措施。此外，由于流体机械运行工况影响鱼在流道中的运动，进而影响鱼过机的损伤程度^[45]，因此通过数值计算精细模拟鱼体运动，可以提出更加合理的水轮机运行措施，进一步提升水轮机的鱼类友好性。

2 安全稳定的抽水蓄能技术

为了满足未来电力系统的迫切需求、进一步增强我国电网的柔性，新一代抽水蓄能技术将主要针对能源系统大范围负荷波动带来的挑战，研究抽水蓄能机组在频繁转换运行工况以及不同工作模式下的精准适应能力。

2.1 抽水蓄能机组泵工况不稳定流动机理研究

现代抽水蓄能技术可以在发电与抽水双工况下均达到90%以上的能量转换效率，具备良好的经济性指标。然而随着抽水蓄能技术朝着大容量、超高水头方向发展，流动不稳定性造成的机组安全问题成为阻碍国际上抽水蓄能技术发展的巨大障碍。抽水蓄能机组的“S”特性、泵工况偏低负荷运行时的驼峰特性都属于不稳定现象，可造成高幅值的水压脉动与强烈的结构振动，严重危害抽水蓄能机组与电站的运行安全。因此，发展新一代抽水蓄能技术的关键就在于突破现有抽水蓄能技术的局限性，揭示抽水蓄能机组泵工况下的不稳定流动机理，并提出相应的控制策略。

抽水蓄能机组泵工况下流动不稳定性与流动部件的动静干涉现象紧密相关，无论是发生在导叶中旋转失速单元的传播频率，还是在无叶区(转轮与导叶之间的无叶片区域)、导叶中监测的压力脉动频率均与转轮的转动频率有关。由于泵工况下机组内部流动大多受到逆压梯度影响，一般在转轮出口处存在非均匀发展的流动。图 7表示比转速23.5 min^-1·m³s^-1·m的抽水蓄能机组转轮出口处，在叶片之间发生的旋涡。图 7a中，旋涡尺度较大且位于流道中间，极大阻塞了叶片间流动。该不均匀流动经无叶区自由发展后，在导叶中进一步形成“堵塞-射流”的不稳定结构；而图 7b中，通过设计较大倾斜角度的叶片可使得旋涡尺度减小，且集中分布在转轮下环附近，极大缓解了转轮出口处的流动非均匀性，从而有效抑制机组中的不稳定流动及其诱导的压力脉动。

从目前获得的认知看，在转轮中出现的不均匀流动都会在无叶区发展，进而在导叶作用下成为影响抽水蓄能机组运行安全性的不稳定流动。如图 8所示，转轮中轻微的分离流动经无叶区后在活动导叶进口形成周期性的冲角(图中AOA指冲角)变化。随着运行流量从该开度下最优效率点(图中“OP₃”)至偏负荷工况点(图中“OP₁”)逐渐减小，最大冲角从约6°增大到22°，使得导叶内流动分离严重，在导叶中沿周向(图中θ为表示周向位置的角度)形成3个明显的旋转失速单元，这种不稳定流动在机组内部演化而导致大变幅的压力脉动^[46]。

因此，控制转轮中的分离流动，使之在叶片出口保持较好的均匀性必定有利于抑制抽水蓄能机组中的不稳定流动。为了指导工程实践，有必要确定一个临界值来表征转轮内的流动状态。当实际流动的表征值超过临界值时，机组内部不稳定流动充分发展，造成影响安全运行的强烈压力脉动；而当实际流动的表征值低于临界值时，机组内部不稳定流动发展缓慢，对安全运行影响较小。然而，采取哪种物理量来表征转轮中的实际流动状态，临界值的取值等问题都有待进一步探究。

此外，基于缓解转轮与导叶之间动静干涉效应、打破由于动静干涉效应造成无叶区流动在时间和空间上的分布关系，已经提出了一系列工程措施，如倾斜转轮叶片、采用非同步或异形导叶，以及加大导叶分布圆直径与转轮高压侧直径之比等。从实际效果分析，通过转轮设计优化来保证流动均匀性是控制抽水蓄能机组不稳定流动的最有效途径。

2.2 超高水头抽水蓄能机组流动设计研究

目前世界上在运的抽水蓄能电站水头最高记录是日本葛野川电站最高扬程782 m(2014年投运)，抽水蓄能机组最大单机容量则为日本神流川电站482 MW(2005年投运)^[47]。而我国的抽水蓄能电站发展迅速，最高扬程712 m、单机容量350 MW的敦化抽水蓄能电站于2021年6月开始投运，标志着我国抽水蓄能技术跨上新高度，今后不断朝着更高水头、更大容量、更高转速的方向发展。

与常规水头抽水蓄能相比，超高水头抽水蓄能电站的引水流道过长，机组的比转速偏小，水轮机流道相对狭窄，在部分负荷及过渡工况下运行时无叶区压力脉动成为影响抽水蓄能电站运行稳定性的重要原因^[48]。

借鉴长短叶片转轮在混流式水轮机设计中的实践经验，抽水蓄能机组采用长短叶片转轮可使部分负荷工况下转轮内部二次流得到有效抑制，可提高部分负荷工况下机组的效率，降低水压脉动。图 9所示为神流川抽水蓄能电站机组在水轮机额定水头工况运行时尾水管内测量的水压脉动(图中，ΔH指绝对压力脉动，ΔH/H指相对压力脉动)，结果表明机组由于采用长短叶片转轮(5个长叶片，5个短叶片)，在20%~60%负荷下压力脉动远低于采用7个长叶片叶轮的葛野川电站机组内的压力脉动。

长短叶片转轮同样有助于改善泵工况下抽水蓄能机组无叶区的压力脉动，而且从图 10所示的结果看，增大长短叶片转轮的叶片数(如长短叶片分别从5片增加至6片)还可进一步降低无叶区压力脉动^[48]。由理论分析可知，一方面在泵工况运行时采用长短叶片的转轮可减小叶片出口速度滑移，在保证一定扬程的前提下减小圆盘摩擦损失，从而弥补长短叶片转轮因叶片数过多引起的额外摩擦损失；另一方面，由于短叶片都位于转轮外缘，采用长短叶片可以减轻叶片进口对流动的堵塞，从而提升泵工况下机组的空化性能。实践证明，抽水蓄能机组采用长短叶片转轮可提高机组在部分负荷工况下的运行效率与稳定性。

我国在建或规划的抽水蓄能电站单级水头接近800 m，单机容量达到400 MW，机组转速达到600 r/min的高参数项目很多，不断刷新国内抽水蓄能的记录并逼近世界记录。为了更好地发挥抽水蓄能在实现中国能源战略转型中的巨大作用，必须结合流体机械的流动模拟、流场诊断、精准测试、智能优化等方面的先进技术，不断提升抽水蓄能机组流动设计中参数匹配的精度与效率，研究适合于高效率、高稳定性、高安全性超高水头抽水蓄能机组的流动设计方法。

2.3 水泵水轮机宽域高稳定性运行研究

流体机械中存在多种不稳定流动现象，以及流动诱发的结构振动现象，这些现象均对机组安全稳定运行构成一定威胁。下面以图 11为例，说明泵工况下在不同运行流量时出现的不稳定流动。

1) 在较小运行流量工况时(图中C点)，导叶中出现失速现象；当运行工况的流量进一步下降时(图中D点)，转轮内出现失速。这些失速包括运动区域相对稳定的同步失速，以及在导叶或转轮流道中以一定速度沿周向传播的旋转失速。失速伴随的分离流动堵塞流道，导致不稳定流动，并引起流动损失。当运行流量远小于设计流量时(图中E点)，易发生空化湍振，引起流体机械系统失稳。

2) 在大流量工况时(图中A点)，流体机械内发生空化，空泡往往堵塞流道导致流动损失剧增，引起扬程陡降(图中特性曲线的虚线)。当运行工况进一步朝大流量侧移动时(如图中B点)，空化易导致自激振荡现象，引起流体机械系统的不稳定。

3) 当电站尾水位下降时，空化将提前发生，则大流量侧的不稳定工况点从A点移至A′点；小流量侧的失速工况从C点移至空化失速状态的C′点，而偏小流量下出现空化湍振的工况则从E点移至E′点，这样使得泵工况下的稳定运行区间被进一步压缩。空化、空化湍振与空化失速均属于不稳定流动，不仅导致流动损失，而且都引发一定频率的振动与噪声，加剧流体机械的不稳定现象^[49]。

图 11表明流体机械内诸多不稳定流动现象严重限制流体机械的安全运行区域，只有在设计流量附近才属于相对稳定的工况。因此，为了提升流体机械的安全稳定运行范围，在机组流动设计中需尽可能拓宽C′点至A′点之间的运行范围。而模型试验、数值模拟与流场诊断的技术发展，将为流体机械宽域设计及高稳定运行研究提供科学指导。

2.4 变速抽水蓄能技术研究

由于额定转速下流体机械稳定运行区域有限，为了使抽水蓄能电站的响应更快，运行更灵活，调节范围更宽，机组从单一额定转速运行向无级变速运行势在必行。与常规的定速抽水蓄能机组相比，变速抽水蓄能发电系统可在更大的出力范围内按水轮机模式发电运行，也能在一定程度上调节泵模式运行时的轴功率。此外，当电力系统发生较大波动时，变速抽水蓄能发电系统可通过即刻改变转速，释放或吸收转子的旋转能量而有效调节电网的有功功率，克服了定速抽水蓄能机组只能增减无功来抑制电压变动的缺陷。图 12所示为变速抽水蓄能机组运行流量与扬程的调节范围。在局部不稳定的驼峰限制线与系统不稳定的空化限制线之间，定速机组的稳定运行工况仅局限在沿额定转速n_d所对应曲线上流量自Q_d.min至Q_d.max、扬程自H_d.min至H_d.max的一段，功率调节范围很窄；而变速机组则可在最大转速n_max与最小转速n_min之间的宽广区域稳定运行，扬程可在H_min至H_max之间变化，流量变幅亦相应扩大，机组运行输入功率的范围大幅拓宽。因此，变速抽水蓄能技术在平抑电力系统不稳定性方面具有巨大的优越性^[50]。尤其在我国开展变速抽水蓄能关键技术研究意义重大。

2.5 抽水蓄能技术的创新应用研究

鉴于未来电网中大量间歇性电源输入带来的巨大影响，我国须大力发展安全、可靠的超大容量储能技术。与目前的机械储能(如飞轮、压缩空气)、电化学储能(如锂电池、液流电池)、电磁储能(如超级电容器、超导电感)、氢能储能等方式相比，抽水蓄能无论在容量还是安全性方面均具有不可比拟的巨大优势，也是世界上最成熟的储能技术。2021年9月国家能源局发布了“抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年)”，提出“因地制宜开展中小蓄能建设”和“探索推进水电梯级融合改造”，提倡依托常规水电站增建混合式抽水蓄能。这充分反映了我国能源领域的迫切需求，也为未来能源系统发展指明了方向。

基于常规水电站的抽水蓄能除了要求电力系统、流域梯级电站群具备快速、精准的联合调控能力之外，对水电机组本身也提出了新的要求。针对水电站蓄能要求，一般可采取两种方式进行改造：

1) 对于改造条件较好的常规水电站，可通过研制先进的抽水蓄能机组来替换原有的常规水轮机组。这种方式尤其适用于已运行较长时期的水电站，不仅可将电站原有的纯发电功能转变为抽水蓄能电站功能，而且还能提升发电效率。

2) 对于改造比较困难的常规水电站，可以在电站坝址附近建设新的蓄能泵站，来实现电站的抽水蓄能功能。这种方式相当于抽水蓄能中的两机式技术，只是电站增加了新的厂房。由于近期我国大型蓄能泵技术渐趋成熟，因此改造后电站的技术水平与运行经济性均应有所提升。

我国大型水电站通常都有库容很大的水库，电站调节能力很强。对于这类大型电站进行改造，可以迅速扩充我国抽水蓄能能力，对实现国家“双碳”目标具有重大意义。

3 绿色环保的泵、风机与风力机技术

随着计算机技术与通信技术的不断进步，流体机械技术将迎来快速发展，使得流体机械在设计、制造及应用各个层面发生巨大变化。

3.1 特殊泵关键技术研究

泵在社会发展中发挥着极其重要的作用，其中超大型泵及微小型泵是未来技术发展的主要方向。

超大型泵是我国大型调水工程中的关键设备，这些泵的单机功率通常超过1 MW，如南水北调东线一期工程淮阴三站贯流泵设计流量达33.33 m³/s、扬程4.28 m、电机功率2.2 MW，中线一期工程惠南庄泵站离心泵设计流量10 m³/s、扬程58.2 m、电机功率7.3 MW。牛栏江-滇池补水工程离心泵设计流量7.67 m³/s、最大扬程达233.3 m、电机功率22.5 MW，被称为“亚洲第一泵”。此外，核电站海水循环泵、大型灌溉与城市排涝泵、天然气净化系统用大流量高扬程泵等均属于超大型泵，是社会生产与人民生活中不可或缺的重要装备。近年来，为保障大型城市群的生活用水、应对极端天气的洪水排涝，超大型泵的需求量稳健增长。为了保证超大型泵运行的安全性与稳定性，亟需研发宽工况高效水力设计、轴向力自动平衡与匹配、基于转子动力学的轴承设计^[51]等方面先进技术。

另一方面，输入功率100 W及以下的微小型泵在临床医疗^[52]、制药与精细化工、数据存储系统热管理等工程场合具有重要应用，尤其在航天领域中承担着推进剂精确输送、空间站热控制等作用。这些特殊应用不仅要求微小型泵应质量轻、体积小、结构紧凑，而且具有高效、无泄漏、低噪声、高稳定性等特点。

3.2 高端风机关键技术研究

风机不仅广泛应用在工农业生产，人们日常生活中频繁接触的吸尘器、抽油烟机、风扇与空调等家用电器中风机也是必不可少的。随着现代社会生活水平不断提高，要求风机产品不断朝高效率、低噪声、微振动等高端化方向发展。

现代计算技术促进了流体机械技术快速发展，基于CFD的内部流动模拟与流场诊断分析为风机高效气动设计提供了极其重要的参考依据，一方面使风机产品气动性能优化有据可循，另一方面使得针对应用场景的风机个性化设计成为可能。基于常规风机设计，改变叶片子午面型线、采用变厚度翼型叶片、调整叶片基叠规律等都可以达到更好气动性能；基于内部流动特性，控制风机流场中的分离流动与大尺度旋涡不仅可使风机性能达到最佳状态，同时使得振动、噪声等运行特性得以大幅改善。目前控制风机叶道内三维分离流动的方法包括长短叶片、弯扭掠叶片、端弯叶片、缝隙叶片、旋涡发生器等被动控制方法，以及前缘分离控制、附面层抽吸、缝隙射流、零质量射流等主动控制方法。实践证明，根据风机流动特征采取合理的流动控制可明显改善风机效率。此外，蜗壳与叶轮的匹配设计、集流器形状优化等均有益于进一步提升风机的气动性能。

低噪声是现代风机的必要特性。除了内部流场诊断分析，气动声学设计是风机噪声控制的重要技术途径。通过非定常流动模拟与计算气动噪声分析有机结合，可以较准确预测风机运行噪声，为降噪设计指明改进方向。常用的降噪措施如仿生叶片^[53]、仿生锯齿尾缘、叶片非均匀调制^[54]、弧形蜗舌结构^[55]等都可能在一定程度上降低风机噪声。在船舶等特殊应用环境下，采用磁悬浮轴承或空气动压轴承可有效降低风机噪声与振动。

3.3 10 MW级风力机关键技术研究

截止2020年，世界风电装机已达743 GW。全世界在2020年新增风电装机容量93 GW，其中陆上风电86.9 GW，海上风电6.1 GW，而且海上风电的年投资首次超过了海洋油气开发的投资^[56]，这标志着风电将迎来高速发展期。我国要实现电力系统中风电容量的快速增长，风电机组大型化是必由之路。目前已投产的大型风力机包括金风科技的8 MW风力机、西门子的8 MW海上风力机、维斯塔斯的9.5 MW海上风力机等。丹麦技术大学已研发10 MW风电样机，欧盟Upwind项目对20 MW风力机进行了可行性分析^[57]，因而10 MW级风电机组投入商业运行指日可待。由于陆上风电资源所限，未来风电建设的主战场将逐步转移至海上，具有更好商业价值的10 MW级大型风力发电技术必定成为主流发展方向。

10 MW级大型风力机叶片直径大、柔性也大，额定风速运行时叶尖速度高，在高强度的气动载荷、离心载荷和重力载荷作用下产生较大的变形与扭转，叶片的模态与振型也会发生变化。研究表明，5 MW风力机叶片最大变形量约1 m，且3个叶片的最大变形相差约0.15 m^[58]。叶片的变形和扭转降低了风力机的输出功率，且显著影响叶片的振动与载荷分布^[59]。因此，10 MW级大型风电技术的第一道难关在于如何克服叶片大变形对风力机气动设计带来的影响。此外，为了提高风力机的运行可靠性、延长叶片的使用寿命，可以根据叶片所受的载荷设计自适应叶片^[57]，通过弯扭耦合效应自动调整叶片形态，控制大型风力机叶片气动载荷及摆振幅值。所以充分考虑大变形效应，是实现大型风力机叶片精细化设计优化、进而研发我国10 MW级大型风电设备的前提。对海上风电而言，还必须研究适应海上恶劣运行环境的新技术以应对飓风、巨浪等因素施加于风力机的强冲击作用。这些新技术包括运行稳定的高效发电机、机械传动与变速装置，以及鲁棒性良好的控制系统等。

为了改善10 MW级风电机组的运行可靠性，并减轻风电对电网的冲击，储能型风电机组成为一种新的技术方案，具体储能方式包括电池、液压、热储能，以及风光水联合储能等。液压型风力发电机组就是采用液压装置联接风力机与同步发电机，一方面系统中省去了变速箱、逆变器等机构，也通过液压储能解决了风电机组传动系频率与转矩振荡等问题^[60]。图 13表示一种储能型海上风电机组的工作原理，风轮直接驱动液压泵，高压海水先输送至储能容器，最终经冲击式水轮机将能量传递至发电机。在该技术方案中，将常规风电机组的发电机与变速箱等部件转移至海上平台，减轻了风力机塔架上结构的质量与体积，提高了机组的可靠性。但采用海水工质与紧凑布置也带来了设备腐蚀、高效冷却^[61]等问题。未来尚需进一步研发经济性优良、技术成熟度高的储能型10 MW级大型风电机组。

4 流体机械设计优化与智慧化运行技术 4.1 流体机械设计优化研究

尽管流体机械设计是个有较长历史的话题，但进入21世纪后研究加速，取得了系列重要成就。在流动设计方面，突破了传统方法的局限性，反问题设计成为主流技术^[62]，使流体机械设计的质量与效率得到快速提高，促进了流体机械在现代社会不同行业和领域中的广泛应用。

流体机械优化也取得了显著进展。一方面，精细化流动模拟与流场诊断技术为流体机械设计优化提供了科学依据，从而提高了改型优化的准确性。另一方面，优化方法本身得到极大发展，常用方法包括遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、模拟退火算法、神经网络算法和专家系统算法，而各种算法也有不同的改进形式，对设计问题的适应性与优化效果均有所改善。基于一定的优化算法，可有针对性地创建自动高效、适用性强的多目标优化设计系统，为流体机械产品设计优化提供定制化工具。图 14列举了一种通用的流体机械多目标优化流程，集成了实验设计(design of experiment, DOE)、三维反问题设计、数值计算、近似模型、改进的二代遗传算法(NSGA-II)等，并通过多属性目标决策方法(TOPSIS)来确定最终的优化方案^[63]。

近年来智能优化方法已逐渐应用于流体机械设计优化。图 15所示为基于机器学习的优化问题求解基本框架，与其他随机搜索类优化算法相比，基于机器学习的优化算法最大的特点是采用确定性规则来指导搜索方向。即在每一步的迭代计算中，算法能够在更有可能存在最优值的区间内选取密集采样点(即图中“strong learner”)进行计算，而对于一些不值得关注的区域进行稀疏采样(即图中“weak learner”)，通过动态地选取采样点进行计算，从而减少计算量，加速收敛。

基于上述机器学习优化框架，以不降低升力系数为前提、最大化升阻比为优化目标针对轴流式叶片NACA0012翼型进行优化。与多岛遗传算法的优化结果比较，机器学习优化后翼型升力系数增大13%、阻力系数降低约8%、升阻比增大25.5%^[64]。因此，智能优化方法不仅可以大幅度加快优化效率，而且能够有效提升优化质量，在流体机械设计优化中将发挥越来越重要的作用。

4.2 流体机械系统调节与控制

目前，我国工业界中还普遍存在流体机械与管路系统匹配设计方法粗放、失稳先兆辨识困难、预警机制缺失、调控手段与精度不足等问题。而在流体机械设备选型时大多选取偏高的安全系数，从而导致系统运行能效低下、运行范围偏窄，而且也无法从根本上避免系统失稳现象。

为了进一步说明流体机械与管理系统匹配的必要性，图 16a和16b分别表示流体机械与管路系统不匹配、加大安全系数设计流体机械引起的不匹配导致的危害性。图 16a中，由于系统的实际阻力曲线计算不准确，即使在系统设计时将工作流量确定在Q_d(对应最高效率η_max)，但流体机械的实际运行点为系统实际阻力曲线与设备性能曲线的交点Q_o(对应效率η_o)，导致流体机械在偏大流量工况运行，不仅运行效率低，而且可能由于发生空化而引起系统的不稳定甚至断流、共振等严重事故。

图 16b中，如果按照系统需要的扬程设计的泵，其应工作在Q_d，此时流体机械运行在最高效率η_max，设备的运行状态良好，系统最节能。而采用加大扬程ΔH设计泵时，使得泵的比转速下降、最高效率有所降低；而采用加大扬程泵时实际运行点向大流量侧偏移，泵性能曲线与系统阻力曲线的交点所对应的流量为Q_o(对应效率η_o)，实际扬程为H_o。由于Q_o>Q_d，H_o>H_d，η_o < η_max，实际耗能P_o(=ρgQ_oH_o/η_o)将远大于理论能耗P_d(=ρgQ_dH_d/η_max)，而且由于泵运行在大流量工况，泵内可能发生空化，进而导致泵及系统的不稳定。

因此，准确计算流体机械性能与管路系统的阻力特性，实现流体机械与系统的良好匹配非常重要。而且当系统中有多台流体机械时，通过变频调节及系统优化使得每一台设备均运行在最优工况附近，不仅可以节约大量能源，而且可使流体机械设备及系统始终运行在良好状态，在保证高效生产的前提下延长设备寿命。在生产实践中，采用先进的流体测量仪器，以压力、流量、轴功率等参数为调节对象基于主动控制能实现流体机械失稳抑制，适应多工况、变工况、长周期运行条件下的复杂流体机械管路系统匹配优化与智能化调控，全面提升流体机械系统的运行水平。此外，采用工业互联网与大数据分析实施流体机械及其管路系统全生命周期管理和智能化调控已经实用化并正在逐步推广^[65]，也是未来流体机械技术的研究热点。

4.3 流体机械智慧化运行研究

按照“中国制造2025”强国战略，流体机械中的泵、风机、阀门等属于通用机械设备，流体机械技术智能化发展是不可逆转的趋势。

图 17表示一种换热站智能化运行的技术流程。在该系统中，为了确定动力设备的循环泵的运行参数和控制阀的开度，必须准确掌握下述数据：1) 即时更新的气象资料及预测趋势；2) 用户侧的需求与即时状态，如室内温度；3) 一次管网热水流入换热站的进口温度，热水流出换热站时的温度与流量；4) 二次管网中液体返回换热站时的温度(由图中进口温度传感器测量)，经换热器加热后向用户侧输送的液体温度与流量(分别由图中出口温度、流量传感器测量)；5) 循环泵的运行转速与进出口压力，控制阀的开度等设备信息。所以，换热站中的设备运行是基于反映换热系统实际状态的大量数据，通过预设模型的计算和判断进行调整的，从而使设备状态、节能降耗能够达到最佳水平。此外，依据系统积累的大量数据，采用人工智能方法对换热站运行中的能耗指标、经济性指标、设备定损与维护等与各种参数之间的复杂关系进行动态学习，利用最新数据不断改进计算模型，并基于改进模型的预测确定换热站的最优控制方案。

水轮机状态监测及故障诊断技术已经在我国大中型水电站得到普遍应用，通过测试或在线监测机组性能、水压脉动与典型部位振动等状态数据，对水电机组可能发生或已发生的各类故障进行预测或判断，预防、避免重大设备事故^[66]。随着我国早期水电站的水轮机及其辅机逐渐老化，现有运行状态差别较大，也需要借助相关技术对水电机组关键部件及周边设施进行细致的状态监测，基于数据挖掘与检修期间必要的测试数据建立水电机组与辅助设备的寿命预测与延寿运行的智能化管理系统，为水电企业安全生产与节支增收提供技术保障。总之，状态监测及故障诊断技术在过去20年推广迅速，目前已经在化工行业的泵与风机系统、大型排灌泵站、长距离输水泵站等场合应用，并取得重大社会与经济效益。

基于状态监测及故障诊断技术，结合第五代通讯技术与物联网技术，开发适合于水电站与泵站安全、高效生产的智慧系统已经迫在眉睫。图 18所示为一种智慧化流域系统方案。在充分考虑防洪、气象、电力系统等约束条件的基础上，兼顾其他非约束性条件，通过状态监测体系即时获取流体机械设备、电力系统状态、上下游水文等参数，采用智能决策系统生成实时优化方案，经由自动控制系统实现流域电站群与机组的最优化运行。智慧化流域系统涵盖了空天地一体化监测的雨情水情信息、电站枢纽、水电机组等各类参数的海量数据，涉及电网、水利、气象等多部门，需要进行流域梯级电站群的联合调度以及电站多机组的调节与控制，通过智能模型进行优化来确定流域电站群的安全运行，为我国实现“双碳”目标贡献更多的清洁能源。

5 结论

1) 流体机械技术与社会发展紧密相关，大力发展宽域稳定的水电及抽水蓄能技术可有效平抑间歇性可再生能源大规模应用带来的电网波动，促进我国能源转型，而泵与风机的高效设计优化、流体机械系统精准调控技术可为全社会安全生产、节能减排提供保障。

2) 未来流体机械技术主要在生态友好的高效水力发电技术，安全与稳定的抽水蓄能技术，绿色环保的泵、风机与风力机技术和流体机械设计优化与智慧化运行技术等方面快速发展。智能方法、物联网技术以及新一代通讯技术将加速流体机械关键技术研发，提升流体机械在不同领域的应用水平。

3) 未来流体机械技术将加快促进洁净能源生产与高耗能流体机械及系统的节能减排，从而有效支撑我国顺利达成“双碳”目标。