水力機械流激振蕩及振動分析技術(精)（簡體書）

本書圍繞水力機械流激振蕩和振動問題，主要系統介紹水力機械及水力系統中的水動力學理論及計算方法及應用技術，對水輪機、泵及管路系統內典型不穩定流動現象以及水力系統中其他與空化及漩渦流動有關的不穩定流動的特點、產生原因和解決方案進行了詳細的分析及介紹，同時還介紹了流固耦合及結構動力學響應分析方法及技術，特別介紹了空化對結構動力學特性的影響，後本書還對水力機械不穩定流動及振動測量技術及數據分析技術進行了介紹。本書課作為研究生教材，也可作為相關技術人員的參考書。

周凌九，女， 1969年3月生， 1986～1993就讀於華中科技大學，後由中國農業大學和西班牙加泰羅尼亞理工大學聯合培養，2000年獲博士學位。現任中國農業大學教授、博士生導師。長期主講《流體機械原理》《計算流體力學》等課程。主要研究領域為水力機械流動不穩定性及空化流計算及分析。主持國家自然基金項目3項，參加國家科技支撐計劃2項。發表科研論文50余篇,SCI收錄20篇。

既有系統的理論體系，也有大量的實例分析，將以全新的視角為您認識、研究和解決水力機械流激振動問題提供全面而便捷的參考

水力機械振動問題嚴重影響機組的運行安全性，用戶和生產廠家對振動問題越來越重視，水力機械及系統內的非定常流動是引起水力機械振動的主要原因之一。各種非定常流動可能發生在恒定運行工況，即轉速、流量、揚程(水頭)等工作參數基本不變的工況，也可能發生在瞬變運行工況，如開停機、工況轉換等過程中。
對水力機械而言，恒定工況下非定常流動主要來源於兩類原因，一類是由於動靜葉柵干涉導致的非定常效應，與轉輪的旋轉和葉片的周期性運動有關； 另一類是由於流動失穩所導致的非定常效應，可分為水力系統失穩和局部流動失穩，其中水力系統失穩的影響是全局的，比如泵的喘振和空化喘振等會導致泵及管路系統壓力與流量振蕩等； 而局部流動失穩，如轉輪內的葉道渦、水輪機尾水管渦帶、卡門渦以及泵的旋轉失速等，大多與漩渦的演變過程等有關； 有時，局部流動失穩與管路系統的水力響應共同作用也會導致系統的振蕩或機組振動。
大量的試驗研究和理論分析表明，一些非定常流動具有特定的頻率和振蕩模態。為了對流激振動問題有更全面的了解，需要對流體機械及其系統的各種非定常流特性及其激振模態有深入的分析。對局部非定常流動的分析可以將單個或幾個有影響的元件作為物件進行分析； 對全局的非定常流動分析還必須考慮管路系統的特性。從分析手段來說，全局非定常流動分析採用一維方法往往更加簡便，可以採用比較成熟的小擾動穩定性分析理論，通過頻域分析獲得系統穩定性判據及激振模態，也為工程實際問題提供了很多有效的指導； 對局部非定常流動的分析，雖然三維流動失穩機理的理論分析還不太完善，但隨著計算流體力學的發展，三維非定常湍流流場分析技術已經越來越成熟，可以通過時域數值求解獲得眾多典型非定常流動的特徵。由於一維流動分析不能考慮水力部件的流動細節，而全局的全三維分析計算規模巨大有時難以實現，一種新的趨勢是將經典一維分析方法與三維湍流流動計算相結合，以揭示複雜工況下的流體機械內部非定常流動以及系統的響應，為解決機組及系統的振動問題提供依據。
空化的發生會使水力機械的流動穩定性變得更加複雜，一方面在流體機械內的空化本身往往和非定常湍流漩渦密切相關； 另一方面，由於液體中出現一定體積的氣相成分，會改變水力系統中的波速、流動阻尼等，導致系統的固有頻率發生變化，甚至影響系統的穩定性，因此，無論是對瞬變工況還是恒定運行工況，當空化發生時，必須要考慮系統穩定性條件及頻率特徵可能發生的改變。
另外，當激勵力頻率及模態與機械部件固有頻率和模態接近時可能引起共振，因此研究機械系統的動力特性（固有頻率及模態）非常重要。由於水力機械的過流部件通常為充滿液體的密閉流道，流道內的液體會引起附加質量、附加阻尼和附加剛度等效應，從而改變機械系統的固有頻率及激振的響應特性，此外，流道的尺寸、固體邊界的剛性、流動速度和葉輪的轉速等都會影響這些附加效應的大小。當有空化發生時，流道部件周圍的流體變為非均質流體，使得附加質量、附加阻尼和附加剛度發生更加複雜的變化，結構部件的固有頻率乃至模態都會發生變化，從而改變結構的響應（振動頻率及幅值）。

因此，本書圍繞流激振動問題，主要介紹局部和全局的非定常流動及穩定性分析技術以及流固耦合分析技術。本書各章節安排如下： 
第1章簡單介紹工程中引起機組振動的水力機械內部非定常流動現象，通過對已有文獻中試驗及計算結果的總結，介紹各種非定常現象引發的壓力脈動特徵。
第2章主要介紹三維湍流分析技術，包括NS方程的離散方法、主要湍流模型、空化模型、主要應用軟件以及如何利用商用軟件進行簡單的模型改進等。
第3章主要介紹一維水力系統計算和分析方法，包括瞬變過程計算、系統穩定性分析以及水力系統模態分析等方法的介紹。
第4章主要介紹動靜干涉理論及分析方法，以及與之相關的相振理論及分析方法。
第5章主要介紹水力穩定性分析方法的應用。利用第3章的頻域法分析典型的一維水力系統不穩定現象，包括調壓井穩定性和水泵水輪機S區穩定性和水輪機尾水管渦帶對系統穩定性的影響； 對泵的喘振和空化喘振等水力系統不穩定現象的產生原因及影響因素進行詳細分析； 同時介紹了基於小擾動假設的頻域法在二維流動穩定性分析方面的應用，對旋轉失速和旋轉空化等流動不穩定現象的頻域特性進行分析，對抑制或減輕其不利影響的方法進行簡單介紹。
第6章主要介紹三維流動數值計算方法在水力機械內部非定常流動方面的應用，內容包括尾水管渦帶、葉道渦、水泵水輪機S區漩渦流動、軸流式水輪機無葉區漩渦流動、軸流式機組間隙流動、泵進口回流及回流空化、泵的旋轉失速和旋轉空化等。
第7章主要介紹水力系統一維流動與機組內部三維流動的聯合計算，包括基於三維流動計算結果的一維水動力學計算、一維水力學計算和三維CFD計算的耦合技術等。
第8章主要介紹流固耦合分析技術及其進展，旨在分析與流致振動有關結構動力學特性，包括壁面條件、流速及空化等因素對結構動力學特徵的影響以及動應力分析技術。
第9章主要介紹流體機械振動測量及分析技術，包括傳感器的選擇、安裝、測點布置及數據采集技術以及相關的信號分析技術。
後，為了使讀者對本學科的基礎理論有系統性的了解，在附錄中主要介紹流動分析的基本方程之間的聯繫，從三維黏性流體的連續性方程和動量方程出發，通過不同的簡化及推導，可以獲得用於一維瞬變流計算的控制方程、一維水力系統穩定性分析的振蕩方程，以及流固耦合計算用的聲壓方程等，這些方程是本書的理論基礎。
本書大部分內容由周凌九執筆，第1章由王正偉編寫，黃先北博士參與了第2章的編寫，第9章的內容來自西班牙加泰羅尼亞理工大學A.Presas博士應邀在清華大學給研究生講授的“真機試驗與數據分析”的講稿並獲得Presas博士的許可編入本書，博士生夏銘和康文喆參與了翻譯工作。全書由周凌九統稿，王正偉審稿。除所參考的部分國內外算例外，書中的大部分算例來自課題組的相關科研課題成果，在此對所有對本書有貢獻的研究生們表示衷心的感謝。同時感謝東方電氣集團東方電機有限責任公司提供了大量試驗圖片。在編寫本書的過程中，得到了中國農業大學研究生院、水利與土木工程學院的經費資助及各級領導的大力支持，此外，張占奎老師為此書的出版做了大量細致繁瑣的編輯工作，在此表示衷心感謝！
筆者還要感謝國家自然科學基金委員會的支持，正是通過完成相關的基金項目（51479200,52079141），筆者對本學科的知識體系和國內外動態有了更系統的了解，才萌生了完成此書的想法，希望本書對本行業的年輕學生和科研人員有所幫助。
限於作者水平，不足之處懇請讀者批評指正。

內容架構簡介
為了便於閱讀，將全書的內容及各章間的關係表示在下面幾個圖中。全書包含4大部分的內容，見圖1。

圖1全書架構

其中流動計算方法的內容及組織見圖2。

圖2本書涉及的主要流動計算方法

典型非定常流動現象相關內容簡介見圖3。
流固耦合方面的內容見圖4。
振動測量及分析方面的內容見圖5。

圖3本書涉及的水力機械內部主要不穩定流動現象

圖4本書涉及的流固耦合的內容及組織

圖5本書涉及的振動測量及分析技術的內容及組織

第1章水力機械及系統內典型非定常流動

1.1混流式水輪機典型不穩定流動現象

1.1.1部分負荷時尾水管內的漩渦流動及壓力脈動特徵

1.1.2尾水管螺旋形渦帶的早期模型及試驗

1.1.3尾水管螺旋形渦帶壓力脈動的同步分量和旋轉分量

1.1.4極低負荷下尾水管內的漩渦流動

1.1.5高部分負荷下尾水管內的特殊壓力脈動

1.1.6高部分負荷轉捩工況下尾水管內的壓力脈動

1.1.7高負荷柱狀渦帶及壓力脈動

1.1.8低部分負荷轉捩工況下尾水管內的雙渦帶結構及壓力脈動

1.1.9葉片翼形表面空化

1.1.10低水頭下葉片進口邊正面脫流及空化

1.1.11高水頭下葉片進口邊背面脫流及空化

1.1.12低負荷下轉輪內的葉道渦

1.2軸流式水輪機在偏工況下的典型流動

1.2.1小流量下的漩渦流動

1.2.2軸流式水輪機轉輪內的空化流動

1.3泵的典型流動不穩定現象

1.3.1喘振

1.3.2失速

1.3.3空化喘振

1.3.4旋轉空化

1.3.5高階旋轉空化和高階空化喘振

1.3.6旋轉阻塞

1.3.7阻塞喘振

1.3.8泵內各種典型不穩定流動特徵比較

1.4動靜干涉

1.5相振

1.6卡門渦引起的壓力脈動

1.7叉管內漩渦引起的壓力脈動

1.8水力機械過渡過程中的非定常流動

參考文獻

第2章水力機械內部三維流動分析方法

2.1單相流動計算基礎

2.1.1流動控制方程

2.1.2雷諾平均方法

2.1.3雷諾應力輸運方程及湍動能輸運方程

2.1.4典型的雙方程湍流模型

2.1.5渦黏RANS模型的缺陷與旋轉修正

2.1.6雷諾應力模型

2.1.7大渦模擬方法

2.1.8典型混合模型

2.2水力機械空化流動計算模型

2.2.1基於狀態方程的空化模型

2.2.2基於質量輸運方程的空化模型

2.2.3基於界面動力學的SenocakShyy的模型

2.2.4考慮熱效應影響的空化模型

2.3控制方程離散過程簡介

2.4常用計算軟件及自定義函數（程序）簡介

2.4.1常用計算軟件及開源軟件介紹

2.4.2商用軟件中自定義函數及程序的應用

2.5水力機械三維CFD分析中的一般性問題

參考文獻

第3章管路系統一維水動力學方法

3.1一維水動力學基本方程及其解特徵

3.2一維瞬變流動特徵線法——時域分析

3.2.1特徵線法基本思路

3.2.2基本邊界條件

3.2.3調壓井或調壓塔

3.2.4空氣閥

3.2.5水輪機與泵邊界

3.2.6管路上的空化和氣液兩相流邊界條件的處理

3.2.7發生空化的泵或水輪機等元件

3.3水力系統振蕩特性及穩定性分析方法——頻域解析

3.3.1一維管流水力振蕩方程

3.3.2一維振蕩方程解特徵及一些基本概念

3.3.3振蕩方程在頻域上的解析解與系統復頻特性

3.3.4水力系統復頻特性及穩定性

3.3.5阻抗法

3.3.6矩陣法

3.4基於等效電路的水力系統計算和分析方法

3.4.1基於離散振蕩方程的等效電路法

3.4.2典型水力元件的等效電路

3.4.3基於等效電路法的瞬變過程分析

3.4.4基於集總參數等效電路法的水力穩定性分析

3.4.5基於離散等效電路法的系統固有頻率和模態分析

3.4.6基於等效電路的響應計算

3.4.7水力計算模塊庫的建立及仿真平臺搭建

參考文獻

第4章旋轉機械動靜干涉及相振分析

4.1動靜干涉

4.1.1動靜干涉的概念

4.1.2動靜干涉激勵型

4.1.3轉輪的典型振型

4.1.4葉片數組合對葉片根部動應力水平的影響

4.1.5動靜干涉引起的共振分析實例

4.2相振

4.2.1相振問題的離散模型

4.2.2相振的連續解析模型

4.2.3相振的三維流動分析實例

參考文獻

第5章水力機械及系統的水力穩定性分析

5.1含調壓井的水力系統的一維穩定性分析

5.2抽水蓄能機組S區的一維穩定性分析

5.3球閥泄漏引起的水力振蕩

5.4尾水管空化穩定性一維模型

5.4.1簡單模型

5.4.2考慮擴散及出口環量影響的模型

5.4.3擴散度的影響

5.4.4出口環量的影響

5.4.5進口管長對含空化尾水管的系統頻率及模態的影響

5.4.6平均流量對含空化尾水管的系統頻率及模態的影響

5.5泵喘振的一維模型

5.6泵空化喘振的一維模型

5.6.1空化喘振的簡單模型

5.6.2考慮空化系數及衝角影響的空化喘振模型

5.7進口回流對泵空化喘振的影響

5.8泵的旋轉失速及旋轉空化一維模型

5.8.1模型建立

5.8.2旋轉失速

5.8.3旋轉空化

5.9基於奇點分布法的二維葉柵空化流動穩定性分析

5.9.1分析模型的建立

5.9.2穩定解討論

5.9.3葉柵內幾類空化不穩定流動模態

5.9.4旋轉阻塞穩定性分析

參考文獻

第6章水力機械典型非定常流動的三維CFD分析

6.1網格密度、湍流模型、空化模型對數值計算結果的影響

6.1.1不同湍流模型對泵內失速渦預測效果的比較

6.1.2網格密度及湍流模型對尾水管螺旋形渦帶計算結果的影響

6.1.3空化參數對尾水管空化渦帶計算結果的影響

6.2混流式水輪機尾水管螺旋形渦帶特徵分析

6.2.1尾水管螺旋形渦帶形態的描述方法

6.2.2尾水管螺旋形渦帶形態與流量及轉輪出口速度分布的關係

6.2.3典型螺旋形渦帶工況下的尾水管內部流動特徵

6.2.4同步分量的來源

6.3混流式水輪機尾水管的柱狀渦帶的數值模擬

6.4混流式水輪機轉輪內葉道渦

6.4.1小流量工況區混流式水輪機內典型渦結構

6.4.2空化葉道渦成因及影響葉道渦的主要因素

6.4.3類葉道渦與轉輪幾何參數的關係

6.4.4葉道渦工況下的流場非定常特性及壓力脈動特徵

6.5水泵水輪機S區流動特性分析 

6.6水泵水輪機小開度時無葉區中低頻壓力脈動分析

6.7軸流式水輪機無葉區漩渦流動

6.8導葉出口卡門渦及其抑制

6.8.1不同工況下導葉的卡門渦特性

6.8.2不同尾部修型的效果

6.8.3不同工況下尾部修型效果

6.9泵的進口回流及回流空化

6.9.1進口回流與流量的靜態關係

6.9.2空化對進口回流的靜態影響

6.9.3回流空化引起的離心泵非定常特性

6.9.4空化條件下回流空化對進口壓力波動的動態響應

6.9.5發生回流空化時軸面速度對流量動態響應的相位延遲

6.9.6減小進口回流及抑制回流空化喘振措施

6.10泵內旋轉失速的三維CFD分析

6.10.1旋轉失速引起的壓力脈動

6.10.2蝸殼對失速的影響

6.10.3溝槽進口段對離心泵失速流場控制

6.11泵內旋轉空化的三維CFD分析

6.11.1誘導輪內的交替空化

6.11.2誘導輪內的旋轉空化

6.11.3周向溝槽對誘導輪旋轉空化的抑制

6.11.4以控制旋轉空化為目標的翼形設計

6.12與旋轉空化相關的高頻壓力脈動

6.13軸流泵間隙泄漏渦及泄漏渦空化

6.13.1無空化時不同流量工況葉頂附近壓力脈動特性

6.13.2空化系數對間隙流場的影響

6.13.3間隙空化對壓力脈動特性的影響

6.13.4間隙空化對壓力脈動特性的影響

參考文獻

第7章一維和三維流動分析技術的聯合應用

7.1基於三維CFD結果及一維水聲模擬的聯合分析

7.1.1螺旋形渦帶共振工況的一維水聲模擬

7.1.2高部分負荷尾水管共振工況的一維水聲模擬

7.1.3柱狀渦帶自激振動的模擬

7.1.4空化對泵啟動過程的影響

7.2一維和三維CFD的耦合計算及其應用

7.2.1耦合計算邊界信息傳遞方法

7.2.2基於嵌套網格的動網格技術

7.2.3水泵水輪機開機過程計算結果

7.2.4水泵水輪機甩負荷過程計算結果

參考文獻

第8章流致振動中的結構動力學分析

8.1流固耦合基本方程

8.1.1結構動力學基本方程

8.1.2採用動網格的流體控制方程

8.1.3聲壓方程及其有限元離散

8.1.4聲固耦合方程

8.1.5附加質量和附加阻尼

8.2基於聲固耦合的結構模態分析

8.2.1空腔間隙對轉輪結構濕模態頻率的影響

8.2.2流體聲速對結構濕模態影響

8.2.3附著空化對翼形結構濕模態影響

8.2.4轉輪內空化對轉輪結構濕模態影響

8.3雙向流固耦合和單向聲固耦合方法的比較

8.3.1算例簡介

8.3.2兩種方法所得計算結果的比較

8.4流固耦合問題中的水力阻尼分析

8.4.1水力阻尼分析方法簡介

8.4.2流速對水力阻尼的影響

8.4.3壁面距離對水力阻尼的影響

8.4.4負水力阻尼現象及水力阻尼非線性特性

8.5水力機械動應力分析實例

8.5.1水泵水輪機動靜干涉共振工況下轉輪動應力預測

8.5.2瞬變過程中的結構響應

8.5.3軸流轉槳機組活塞桿動應力分析

參考文獻

第9章水力機械振動測量及分析技術

9.1數據采集系統

9.1.1數據采集系統概述

9.1.2基本采集參數

9.2傳感器概述

9.2.1常見傳感器輸出信號的類型

9.2.2傳感器主要參數及傳感器選取基本原則

9.2.3電流輸出傳感器（4~20mA）的接法

9.3水力機械常用傳感器的用途與安裝

9.3.1應變片

9.3.2加速度傳感器

9.3.3速度傳感器

9.3.4位移傳感器

9.3.5聲發射傳感器

9.3.6超聲波換能器

9.3.7麥克風

9.3.8水聽器

9.3.9壓阻式壓力傳感器

9.3.10壓電式壓力傳感器

9.3.11光學傳感器

9.3.12衝擊錘

9.3.13水力機械中的其他傳感器應用

9.3.14光纖傳感器

9.4信號分析技術

9.4.1時域分析

9.4.2頻域分析——FFT分析

9.4.3時頻分析

9.4.4模態分析

參考文獻

附錄A本書中各流動控制方程間的關係

A.1從NS方程到一維瞬變流方程

A.2從NS方程到聲壓方程