本书围绕水力机械流激振荡和振动问题，主要系统介绍水力机械及水力系统中的水动力学理论及计算方法及应用技术，对水轮机、泵及管路系统内典型不稳定流动现象以及水力系统中其他与空化及漩涡流动有关的不稳定流动的特点、产生原因和解决方案进行了详细的分析及介绍，同时还介绍了流固耦合及结构动力学响应分析方法及技术，特别介绍了空化对结构动力学特性的影响，最后本书还对水力机械不稳定流动及振动测量技术及数据分析技术进行了介绍。本书课作为研究生教材，也可作为相关技术人员的参考书。

水力机械振动问题严重影响机组的运行安全性，用户和生产厂家对振动问题越来越重视，水力机械及系统内的非定常流动是引起水力机械振动的主要原因之一。各种非定常流动可能发生在恒定运行工况，即转速、流量、扬程(水头)等工作参数基本不变的工况，也可能发生在瞬变运行工况，如开停机、工况转换等过程中。

对水力机械而言，恒定工况下非定常流动主要来源于两类原因，一类是由于动静叶栅干涉导致的非定常效应，与转轮的旋转和叶片的周期性运动有关； 另一类是由于流动失稳所导致的非定常效应，可分为水力系统失稳和局部流动失稳，其中水力系统失稳的影响是全局的，比如泵的喘振和空化喘振等会导致泵及管路系统压力与流量振荡等； 而局部流动失稳，如转轮内的叶道涡、水轮机尾水管涡带、卡门涡以及泵的旋转失速等，大多与漩涡的演变过程等有关； 有时，局部流动失稳与管路系统的水力响应共同作用也会导致系统的振荡或机组振动。

大量的试验研究和理论分析表明，一些非定常流动具有特定的频率和振荡模态。为了对流激振动问题有更全面的了解，需要对流体机械及其系统的各种非定常流特性及其激振模态有深入的分析。对局部非定常流动的分析可以将单个或几个有影响的元件作为对象进行分析； 对全局的非定常流动分析还必须考虑管路系统的特性。从分析手段来说，全局非定常流动分析采用一维方法往往更加简便，可以采用比较成熟的小扰动稳定性分析理论，通过频域分析获得系统稳定性判据及激振模态，也为工程实际问题提供了很多有效的指导； 对局部非定常流动的分析，虽然三维流动失稳机理的理论分析还不太完善，但随着计算流体力学的发展，三维非定常湍流流场分析技术已经越来越成熟，可以通过时域数值求解获得众多典型非定常流动的特征。由于一维流动分析不能考虑水力部件的流动细节，而全局的全三维分析计算规模巨大有时难以实现，一种新的趋势是将经典一维分析方法与三维湍流流动计算相结合，以揭示复杂工况下的流体机械内部非定常流动以及系统的响应，为解决机组及系统的振动问题提供依据。

空化的发生会使水力机械的流动稳定性变得更加复杂，一方面在流体机械内的空化本身往往和非定常湍流漩涡密切相关； 另一方面，由于液体中出现一定体积的气相成分，会改变水力系统中的波速、流动阻尼等，导致系统的固有频率发生变化，甚至影响系统的稳定性，因此，无论是对瞬变工况还是恒定运行工况，当空化发生时，必须要考虑系统稳定性条件及频率特征可能发生的改变。

另外，当激励力频率及模态与机械部件固有频率和模态接近时可能引起共振，因此研究机械系统的动力特性（固有频率及模态）非常重要。由于水力机械的过流部件通常为充满液体的密闭流道，流道内的液体会引起附加质量、附加阻尼和附加刚度等效应，从而改变机械系统的固有频率及激振的响应特性，此外，流道的尺寸、固体边界的刚性、流动速度和叶轮的转速等都会影响这些附加效应的大小。当有空化发生时，流道部件周围的流体变为非均质流体，使得附加质量、附加阻尼和附加刚度发生更加复杂的变化，结构部件的固有频率乃至模态都会发生变化，从而改变结构的响应（振动频率及幅值）。

因此，本书围绕流激振动问题，主要介绍局部和全局的非定常流动及稳定性分析技术以及流固耦合分析技术。本书各章节安排如下： 

第1章简单介绍工程中引起机组振动的水力机械内部非定常流动现象，通过对已有文献中试验及计算结果的总结，介绍各种非定常现象引发的压力脉动特征。

第2章主要介绍三维湍流分析技术，包括NS方程的离散方法、主要湍流模型、空化模型、主要应用软件以及如何利用商用软件进行简单的模型改进等。

第3章主要介绍一维水力系统计算和分析方法，包括瞬变过程计算、系统稳定性分析以及水力系统模态分析等方法的介绍。

第4章主要介绍动静干涉理论及分析方法，以及与之相关的相振理论及分析方法。

第5章主要介绍水力稳定性分析方法的应用。利用第3章的频域法分析典型的一维水力系统不稳定现象，包括调压井稳定性和水泵水轮机S区稳定性和水轮机尾水管涡带对系统稳定性的影响； 对泵的喘振和空化喘振等水力系统不稳定现象的产生原因及影响因素进行详细分析； 同时介绍了基于小扰动假设的频域法在二维流动稳定性分析方面的应用，对旋转失速和旋转空化等流动不稳定现象的频域特性进行分析，对抑制或减轻其不利影响的方法进行简单介绍。

第6章主要介绍三维流动数值计算方法在水力机械内部非定常流动方面的应用，内容包括尾水管涡带、叶道涡、水泵水轮机S区漩涡流动、轴流式水轮机无叶区漩涡流动、轴流式机组间隙流动、泵进口回流及回流空化、泵的旋转失速和旋转空化等。

第7章主要介绍水力系统一维流动与机组内部三维流动的联合计算，包括基于三维流动计算结果的一维水动力学计算、一维水力学计算和三维CFD计算的耦合技术等。

第8章主要介绍流固耦合分析技术及其最新进展，旨在分析与流致振动有关结构动力学特性，包括壁面条件、流速及空化等因素对结构动力学特征的影响以及动应力分析技术。

第9章主要介绍流体机械振动测量及分析技术，包括传感器的选择、安装、测点布置及数据采集技术以及相关的信号分析技术。

最后，为了使读者对本学科的基础理论有系统性的了解，在附录中主要介绍流动分析的基本方程之间的联系，从三维黏性流体的连续性方程和动量方程出发，通过不同的简化及推导，可以获得用于一维瞬变流计算的控制方程、一维水力系统稳定性分析的振荡方程，以及流固耦合计算用的声压方程等，这些方程是本书的理论基础。

本书大部分内容由周凌九执笔，第1章由王正伟编写，黄先北博士参与了第2章的编写，第9章的内容来自西班牙加泰罗尼亚理工大学A.Presas博士应邀在清华大学给研究生讲授的“真机试验与数据分析”的讲稿并获得Presas博士的许可编入本书，博士生夏铭和康文喆参与了翻译工作。全书由周凌九统稿，王正伟审稿。除所参考的部分国内外算例外，书中的大部分算例来自课题组的相关科研课题成果，在此对所有对本书有贡献的研究生们表示衷心的感谢。同时感谢东方电气集团东方电机有限责任公司提供了大量试验图片。在编写本书的过程中，得到了中国农业大学研究生院、水利与土木工程学院的经费资助及各级领导的大力支持，此外，张占奎老师为此书的出版做了大量细致繁琐的编辑工作，在此表示衷心感谢！

笔者还要感谢国家自然科学基金委员会的支持，正是通过完成相关的基金项目（51479200,52079141），笔者对本学科的知识体系和国内外动态有了更系统的了解，才萌生了完成此书的想法，希望本书对本行业的年轻学生和科研人员有所帮助。

限于作者水平，不足之处恳请读者批评指正。

内容架构简介

为了便于阅读，将全书的内容及各章间的关系表示在下面几个图中。全书包含4大部分的内容，见图1。

图1全书架构

其中流动计算方法的内容及组织见图2。

图2本书涉及的主要流动计算方法

典型非定常流动现象相关内容简介见图3。

流固耦合方面的内容见图4。

振动测量及分析方面的内容见图5。

图3本书涉及的水力机械内部主要不稳定流动现象

图4本书涉及的流固耦合的内容及组织

图5本书涉及的振动测量及分析技术的内容及组织

第1章水力机械及系统内典型非定常流动

1.1混流式水轮机典型不稳定流动现象

1.1.1部分负荷时尾水管内的漩涡流动及压力脉动特征

1.1.2尾水管螺旋形涡带的早期模型及试验

1.1.3尾水管螺旋形涡带压力脉动的同步分量和旋转分量

1.1.4极低负荷下尾水管内的漩涡流动

1.1.5高部分负荷下尾水管内的特殊压力脉动

1.1.6高部分负荷转捩工况下尾水管内的压力脉动

1.1.7高负荷柱状涡带及压力脉动

1.1.8低部分负荷转捩工况下尾水管内的双涡带结构及压力脉动

1.1.9叶片翼形表面空化

1.1.10低水头下叶片进口边正面脱流及空化

1.1.11高水头下叶片进口边背面脱流及空化

1.1.12低负荷下转轮内的叶道涡

1.2轴流式水轮机在偏工况下的典型流动

1.2.1小流量下的漩涡流动

1.2.2轴流式水轮机转轮内的空化流动

1.3泵的典型流动不稳定现象

1.3.1喘振

1.3.2失速

1.3.3空化喘振

1.3.4旋转空化

1.3.5高阶旋转空化和高阶空化喘振

1.3.6旋转阻塞

1.3.7阻塞喘振

1.3.8泵内各种典型不稳定流动特征比较

1.4动静干涉

1.5相振

1.6卡门涡引起的压力脉动

1.7叉管内漩涡引起的压力脉动

1.8水力机械过渡过程中的非定常流动

参考文献

第2章水力机械内部三维流动分析方法

2.1单相流动计算基础

2.1.1流动控制方程

2.1.2雷诺平均方法

2.1.3雷诺应力输运方程及湍动能输运方程

2.1.4典型的双方程湍流模型

2.1.5涡黏RANS模型的缺陷与旋转修正

2.1.6雷诺应力模型

2.1.7大涡模拟方法

2.1.8典型混合模型

2.2水力机械空化流动计算模型

2.2.1基于状态方程的空化模型

2.2.2基于质量输运方程的空化模型

2.2.3基于界面动力学的SenocakShyy的模型

2.2.4考虑热效应影响的空化模型

2.3控制方程离散过程简介

2.4常用计算软件及自定义函数（程序）简介

2.4.1常用计算软件及开源软件介绍

2.4.2商用软件中自定义函数及程序的应用

2.5水力机械三维CFD分析中的一般性问题

参考文献

第3章管路系统一维水动力学方法

3.1一维水动力学基本方程及其解特征

3.2一维瞬变流动特征线法——时域分析

3.2.1特征线法基本思路

3.2.2基本边界条件

3.2.3调压井或调压塔

3.2.4空气阀

3.2.5水轮机与泵边界

3.2.6管路上的空化和气液两相流边界条件的处理

3.2.7发生空化的泵或水轮机等元件

3.3水力系统振荡特性及稳定性分析方法——频域解析

3.3.1一维管流水力振荡方程

3.3.2一维振荡方程解特征及一些基本概念

3.3.3振荡方程在频域上的解析解与系统复频特性

3.3.4水力系统复频特性及稳定性

3.3.5阻抗法

3.3.6矩阵法

3.4基于等效电路的水力系统计算和分析方法

3.4.1基于离散振荡方程的等效电路法

3.4.2典型水力元件的等效电路

3.4.3基于等效电路法的瞬变过程分析

3.4.4基于集总参数等效电路法的水力稳定性分析

3.4.5基于离散等效电路法的系统固有频率和模态分析

3.4.6基于等效电路的响应计算

3.4.7水力计算模块库的建立及仿真平台搭建

参考文献

第4章旋转机械动静干涉及相振分析

4.1动静干涉

4.1.1动静干涉的概念

4.1.2动静干涉激励型

4.1.3转轮的典型振型

4.1.4叶片数组合对叶片根部动应力水平的影响

4.1.5动静干涉引起的共振分析实例

4.2相振

4.2.1相振问题的离散模型

4.2.2相振的连续解析模型

4.2.3相振的三维流动分析实例

参考文献

第5章水力机械及系统的水力稳定性分析

5.1含调压井的水力系统的一维稳定性分析

5.2抽水蓄能机组S区的一维稳定性分析

5.3球阀泄漏引起的水力振荡

5.4尾水管空化稳定性一维模型

5.4.1简单模型

5.4.2考虑扩散及出口环量影响的模型

5.4.3扩散度的影响

5.4.4出口环量的影响

5.4.5进口管长对含空化尾水管的系统频率及模态的影响

5.4.6平均流量对含空化尾水管的系统频率及模态的影响

5.5泵喘振的一维模型

5.6泵空化喘振的一维模型

5.6.1空化喘振的简单模型

5.6.2考虑空化系数及冲角影响的空化喘振模型

5.7进口回流对泵空化喘振的影响

5.8泵的旋转失速及旋转空化一维模型

5.8.1模型建立

5.8.2旋转失速

5.8.3旋转空化

5.9基于奇点分布法的二维叶栅空化流动稳定性分析

5.9.1分析模型的建立

5.9.2稳定解讨论

5.9.3叶栅内几类空化不稳定流动模态

5.9.4旋转阻塞稳定性分析

参考文献

第6章水力机械典型非定常流动的三维CFD分析

6.1网格密度、湍流模型、空化模型对数值计算结果的影响

6.1.1不同湍流模型对泵内失速涡预测效果的比较

6.1.2网格密度及湍流模型对尾水管螺旋形涡带计算结果的影响

6.1.3空化参数对尾水管空化涡带计算结果的影响

6.2混流式水轮机尾水管螺旋形涡带特征分析

6.2.1尾水管螺旋形涡带形态的描述方法

6.2.2尾水管螺旋形涡带形态与流量及转轮出口速度分布的关系

6.2.3典型螺旋形涡带工况下的尾水管内部流动特征

6.2.4同步分量的来源

6.3混流式水轮机尾水管的柱状涡带的数值模拟

6.4混流式水轮机转轮内叶道涡

6.4.1小流量工况区混流式水轮机内典型涡结构

6.4.2空化叶道涡成因及影响叶道涡的主要因素

6.4.3第一类叶道涡与转轮几何参数的关系

6.4.4叶道涡工况下的流场非定常特性及压力脉动特征

6.5水泵水轮机S区流动特性分析 

6.6水泵水轮机小开度时无叶区中低频压力脉动分析

6.7轴流式水轮机无叶区漩涡流动

6.8导叶出口卡门涡及其抑制

6.8.1不同工况下导叶的卡门涡特性

6.8.2不同尾部修型的效果

6.8.3不同工况下尾部修型效果

6.9泵的进口回流及回流空化

6.9.1进口回流与流量的静态关系

6.9.2空化对进口回流的静态影响

6.9.3回流空化引起的离心泵非定常特性

6.9.4空化条件下回流空化对进口压力波动的动态响应

6.9.5发生回流空化时轴面速度对流量动态响应的相位延迟

6.9.6减小进口回流及抑制回流空化喘振措施

6.10泵内旋转失速的三维CFD分析

6.10.1旋转失速引起的压力脉动

6.10.2蜗壳对失速的影响

6.10.3沟槽进口段对离心泵失速流场控制

6.11泵内旋转空化的三维CFD分析

6.11.1诱导轮内的交替空化

6.11.2诱导轮内的旋转空化

6.11.3周向沟槽对诱导轮旋转空化的抑制

6.11.4以控制旋转空化为目标的翼形设计

6.12与旋转空化相关的高频压力脉动

6.13轴流泵间隙泄漏涡及泄漏涡空化

6.13.1无空化时不同流量工况叶顶附近压力脉动特性

6.13.2空化系数对间隙流场的影响

6.13.3间隙空化对压力脉动特性的影响

6.13.4间隙空化对压力脉动特性的影响

参考文献

第7章一维和三维流动分析技术的联合应用

7.1基于三维CFD结果及一维水声模拟的联合分析

7.1.1螺旋形涡带共振工况的一维水声模拟

7.1.2高部分负荷尾水管共振工况的一维水声模拟

7.1.3柱状涡带自激振动的模拟

7.1.4空化对泵启动过程的影响

7.2一维和三维CFD的耦合计算及其应用

7.2.1耦合计算边界信息传递方法

7.2.2基于嵌套网格的动网格技术

7.2.3水泵水轮机开机过程计算结果

7.2.4水泵水轮机甩负荷过程计算结果

参考文献

第8章流致振动中的结构动力学分析

8.1流固耦合基本方程

8.1.1结构动力学基本方程

8.1.2采用动网格的流体控制方程

8.1.3声压方程及其有限元离散

8.1.4声固耦合方程

8.1.5附加质量和附加阻尼

8.2基于声固耦合的结构模态分析

8.2.1空腔间隙对转轮结构湿模态频率的影响

8.2.2流体声速对结构湿模态影响

8.2.3附着空化对翼形结构湿模态影响

8.2.4转轮内空化对转轮结构湿模态影响

8.3双向流固耦合和单向声固耦合方法的比较

8.3.1算例简介

8.3.2两种方法所得计算结果的比较

8.4流固耦合问题中的水力阻尼分析

8.4.1水力阻尼分析方法简介

8.4.2流速对水力阻尼的影响

8.4.3壁面距离对水力阻尼的影响

8.4.4负水力阻尼现象及水力阻尼非线性特性

8.5水力机械动应力分析实例

8.5.1水泵水轮机动静干涉共振工况下转轮动应力预测

8.5.2瞬变过程中的结构响应

8.5.3轴流转桨机组活塞杆动应力分析

参考文献

第9章水力机械振动测量及分析技术

9.1数据采集系统

9.1.1数据采集系统概述

9.1.2基本采集参数

9.2传感器概述

9.2.1常见传感器输出信号的类型

9.2.2传感器主要参数及传感器选取基本原则

9.2.3电流输出传感器（4~20mA）的接法

9.3水力机械常用传感器的用途与安装

9.3.1应变片

9.3.2加速度传感器

9.3.3速度传感器

9.3.4位移传感器

9.3.5声发射传感器

9.3.6超声波换能器

9.3.7麦克风

9.3.8水听器

9.3.9压阻式压力传感器

9.3.10压电式压力传感器

9.3.11光学传感器

9.3.12冲击锤

9.3.13水力机械中的其他传感器应用

9.3.14光纤传感器

9.4信号分析技术

9.4.1时域分析

9.4.2频域分析——FFT分析

9.4.3时频分析

9.4.4模态分析

参考文献

附录A本书中各流动控制方程间的关系

A.1从NS方程到一维瞬变流方程

A.2从NS方程到声压方程

既有系统的理论体系，也有大量的实例分析，将以全新的视角为您认识、研究和解决水力机械流激振动问题提供全面而便捷的参考

周凌九，女， 1969年3月生， 1986～1993就读于华中科技大学，后由中国农业大学和西班牙加泰罗尼亚理工大学联合培养，2000年获博士学位。现任中国农业大学教授、博士生导师。长期主讲《流体机械原理》《计算流体力学》等课程。主要研究领域为水力机械流动不稳定性及空化流计算及分析。主持国家自然基金项目3项，参加国家科技支撑计划2项。发表科研论文50余篇,SCI收录20篇。