桂中华 夏 翔 王 薇 周凌九 刘殿海 王正伟

(1.国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院， 北京 100761; 2.中国农业大学水利与土木工程学院， 北京 100083;3.清华大学能源与动力工程系， 北京 100084)

0 引言

在运行过程(特别是过渡过程)中，水轮机转轮承受剧烈的水压力脉动，可能产生严重振动和高水平动应力，甚至可能产生共振和疲劳[1-3]。与常规水轮机组相比，水泵水轮机长期处于启动、停机和负荷变化等过渡过程中，面临的稳定性问题更加突出。准确预测水泵水轮机转轮在过渡过程(如启动过程)中的动应力水平具有重要意义。

试验测量是一种有效分析转轮动应力的手段[3-4]。但是，试验方法的成本和难度很高，并且无法应用在设计阶段。随着计算机技术的进步，数值模拟为转轮动应力的研究提供了便利。水轮机转轮在水压力作用下产生动力响应是典型的流固耦合(Fluid-structure interaction, FSI)问题。而流固耦合问题的求解方法可分为强耦合法和弱耦合法。其中弱耦合(即分离式求解)方法的实施相对容易，因此得到了广泛的应用。一些学者采用分离式求解的双向流固耦合方法对水轮机和水泵的内部流动及结构响应进行了研究[5-9]。上述工作都对研究对象作了一定简化，因为对于复杂结构而言，双向耦合方法需要消耗大量的计算资源，在实际工程中并不适用。事实上，在水力机械正常运行时，转轮的弹性变形量远小于流体流动的特征长度，忽略结构振动对流体流动的影响可满足精度要求。……