0 引言

    随着大型水电站的建设， 水轮机的稳定性成为水电站设计考虑的重要因素， 而其中的重点和难点问题就是解决水轮机水体和结构两种介质之间的非线性流固耦合问题。流固耦合的主要表现为： 流体的流动压力作用在结构表面， 构成结构的力边界，引起结构的变形振动； 同时结构变形改变流体的流动空间， 构成流体的运动边界， 导致流场变化。这两种介质的相互作用耦合在一起， 构成一个整体。

    在解决水轮机的流固耦合问题时， 由于水轮机转轮以一定的转速旋转， 蜗壳内部水流以一定的压力冲击转轮， 两种介质的相对运动位移很大， 相对运动速度也很大， 内部流场异常复杂， 是三维的非定常的层流湍流混合作用， 还可能是亚音速、音速和超音速的二次流相互作用。处理这种大位移曲面界面上的两种介质的相互作用， 是解决耦合动力学问题的关键。

    目前解决流固耦合问题主要运用强耦合和弱耦合两种方法， 强耦合主要采用不同参数作为桥梁，将流体控制方程和结构控制方程及耦合条件经过离散后组成统一的耦合系统方程同时求解， 对于耦合性较强的系统来说效果较好， 但是， 对于复杂的高度非线性的流固耦合问题， 流体流动的特点带来计算网格的大变形， 求解速度相对较慢， 对计算机性能的要求较高[1]。弱耦合是在每一时间步内分别依次对结构方程和流体方程求解， 通过中介交换固体域和流体域的计算结果数据， 从而实现耦合计算。

   目前研究和预测水轮机振动特性和磨损还缺少准确有效的手段和方法。文章针对上述问题，考虑现有条件， 采用迭代耦合方法解决具有变化界面的流体自由表面问题， 固体大变形流动问题，瞬态响应模拟流体和固体界面的过渡， 保证耦合面的相容性和协调性。

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