前言
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NS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
