第1章 绪论

流固耦合问题是目前多物理场、跨学科领域的研究热点之一。当弹性体在流场作用下产生变形或运动，而弹性体的变形或运动反过来又影响流场，从而引起流场的重新分布，这种流体与结构之间的相互作用问题称为流固耦合（fluid-structure interaction，FSI）。流固耦合问题有着广泛的工程背景，且随着计算方法、计算手段和日益迫切的工程需要而越发受到学术界和工程界的关注。能源的需求在不断增加，这使得最大限度地开发水能显得非常重要，为此一批大型的水电站或已建成投入使用。这些电站与其他大中型水电站共同组成我国的水力发电站群，在全国各大电网中担当重要的作用，对改善国家电力结构、保证整个电网安全、保证跨区送电系统的稳定性和安全性，满足我国国民经济发展对日益增长的电力需要和促进社会和谐发展具有十分重要的战略意义和现实意义。

从工程实践方面看，随着我国国民经济和现代化建设的快速发展，以及电网峰谷差的增长，电力系统对各类水电机组的性能、运行稳定性以及供电品质等提出更高的目标，即要求充分抑制水机电系统的振动现象，维持水电机组的稳定高效运行，以切实保证电力系统的安全。然而随着水轮机组朝着大尺寸、大容量的方向发展，其自身固有的物理力学特性也随之改变，水轮机在运行过程中，由于尾水管内低频涡带振动、叶后卡门涡列、周期性脱流以及蜗壳、导水叶和转轮水流不均等因素产生的周期性干扰激振力，使转轮及其叶片产生振动。机组的振动与转轮叶片裂纹的出现严重影响了电站的安全运行和经济效益，引起了人们的广泛关注。

机组振动和叶片裂纹问题已成为水电站急需解决的关键性技术难题，但水轮机水力振动的机理很复杂，难点多，涉及多门学科，如叶片后卡门涡列引起的水力扰动、汽蚀脱流引起的水弹性振动以及尾水管内的空腔涡带诱发的振动等，这些都是极为棘手的问题，也是引起水轮机振动的主要原因，多年来一直受到学术界和工程界的极大关注。然而，由于问题的复杂性，迄今为止都没有得到令人十分满意的解答。因此，对大型机组的振动与稳定性以及叶片裂纹问题的研究，无论是在理论分析、数值计算方面，还是在试验研究方面，都还存在一些急需解决的问题和内容。

水轮机导水机构翼型叶片、转轮叶片作为透平机械的核心部件，其水力振动也是典型的流固耦合振动。以往单一的流场计算或单一的结构计算对机组效率、空化预测或对结构设计虽起到了指导性作用，但对研究水力振动、叶片裂纹成因等现象无能为力，因此采用流固耦合计算的方法，来研究这一类复杂湍流与大型结构之间的耦合振动势在必行，也是极具挑战性的课题之一。