前言
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。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。目前流固耦合在各个科学和工程领域中得到了广泛的应用。典型的流固耦合问题包括水轮发电机组和汽轮发电机组的叶片振动、核反应堆安全工程、飞机机翼和航空发动机叶片颤振问题、海洋波浪与钻井平台、输流管道以及海底电缆相互作用，生物力学中如血液流中的微型泵以及人工心脏等也属于流固耦合问题的研究领域。
能源的需求在不断增加，这使得最大限度地开发清洁可再生能源显得非常重要，其中水能是清洁可再生能源的重要组成部分，为此一批大型的水电站或已建成投入使用，或正在建设之中，或即将开工建设。这些水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生态文明建设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。剧烈振动不仅会导致机组结构破坏，降低使用寿命，而且大大降低机组运行效率和机组出力，同时还会引起水工建筑物的振动，由此可见水轮机稳定性的重要性。近年来，国内外一些大型机组频频出现强烈振动现象，以至于对机组的运行构成了一定的危害。尤其是中高比速混流式水轮机转轮的裂纹现象，在世界各地普遍存在。机组的振动与转轮叶片裂纹的出现严重影响了水电站的安全运行和经济效益，也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，牵涉多门学科，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，都存在着许多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。
本书共分7章。其中，第1章介绍了流固耦合力学的研究进展和试验研究现状。第2章总结了从连续介质层次出发的流体力学基本方程。第3章介绍了湍流的基本特征及其湍流模型，这些方程是计算流体动力学的基础。第4章从大涡模拟的基本理论出发，结合尺度相似模型和Smagorinsky及Vreman亚格子模型，以及动力模式版本，系统地阐述了大涡模拟数值计算方法，并结合水力机械领域内复杂的湍流流动等一些工程实例，进行数值模拟和分析。第5章系统地介绍了交错迭代强耦合方法，主要涉及基于ALE的计算流体动力学模块，计算结构动力学模块，耦合界面信息交换技术，交错迭代耦合算法等内容。第6章介绍了一种基于PPE的紧耦合算法，以及部分经典算例。第7章介绍了流固耦合试验的测试方法和测试实例。
本书适用于各大专院校和科研单位的研究生、技术人员和研究人员参考，也可作为数学、物理、力学、流体机械、能源和水利水电等大类专业的计算流体力学与流固耦合力学课程的教材或参考用书。对于那些对流固耦合方法感兴趣而又尚未进入该领域的人员，该书可作为很好的学习参考用书，读者通过本书的学习，能对流固耦合基础理论有一些基本的了解，能完成基本的数值模拟，从而为独立开展相应的研究工作打下较好的基础；对那些已经初步了解流固耦合理论又尚存疑惑的人员，本书可以起到答疑解惑的作用；对于已经掌握了流固耦合方法的研究人员，本书也是一本有用的工具书。
本书作者所在的团队进行的相关研究工作得到多个国家自然科学基金项目的持续资助（项目编号：90210005，50579025，50080083，11002063），在此表示感谢！
尽管作者在编写过程中倾尽全力，但是由于受学识所限，本书难免存在不足之处，恳请读者提出宝贵意见，以期共同进步！
作者
2014年7月
于昆明理工大学