1.1 研究背景及意义为应对全球气候变化，缓解全球变暖，我国主动承担起促进节能减排、推动可持 续发展的艰巨责任，提出了两步走实现“双碳”目标的宏伟计划。
能源转型是实现“双 碳”目标的重中之重，燃烧化石燃料造成的空气污染和温室效应极大的破坏了地球的生态环境，开发可再生能源成为了当务之急。
新兴的风电、光伏发电等在发电过程中 容易产生电压闪变、能量不连续和谐波污染等危害，对电网的安全运行产生冲击。
在这种形势下，水电依然在我国能源结构占据了重要的地位，具有清洁无污染、可再生、稳定电网运行、改善生态环境和抵御自然灾害等优点。
抽水蓄能电站是目前最成熟、规模最大的储能电源和调节电源，能够灵活地开停机，跟踪并适应剧烈的负荷变化，并且通过调制调频保持电压稳定性，具有良好的峰 值负荷削减的功能，能够有效缓解新型能源对电网安全的潜在危害。
世界上许多国 家和地区均在电网中配置一定比例的抽水蓄能电站以保持电网稳定性。
中国经历了二十余年抽水蓄能电站的建设和运营，已经成为了世界上抽蓄电站总装机容量最大 的国家，同时加快抽水蓄能电站的开发建设也是今后中国电力发展的重点方向之一 。
与常规电站相比，抽蓄电站在电厂设计、建造、运营和经济评估中具有诸多不同， 在实际运行中抽水蓄能的电站运行工况复杂多样。
当运行偏离最优工况并发生大波 动过渡过程时，机组的运行参数变化剧烈，容易激发水泵水轮机内部流场的快速瞬 变，破坏稳定运行，甚至造成机组与人员的伤害。
模拟抽蓄电站过渡过程运行性能的方法有以下两种：一是通过运行设备的动力 学方程建立一维数值模型，该方法模拟过渡过程中相关参数的变化规律，计算时间短，但可靠性较低。
无法全面地反映整个设备的空间参数变化。
另一种方法利用离散 化方法将现实中的物理模型转化为有限单元的数值模型，通过将无限的单元划分为 有限的网格来表征整体的物理量分布情况。
这种方法计算得到的结果十分接近于真 实的物理模型，但建模过程复杂，而且模型求解时间往往长达数月。
为了突破高维离 散模型的求解效率，可采用基于降阶模型提取的快速计算的方法。
快速计算指以物理域的控制模型或数值结果为基础，将大系统数值模型的运算复杂度（如状态空间阶数）降低，从而降低计算量，实现数值模型运算效率提高的方法。
将快速计算技术应用于抽水蓄能机组的离散化模型中，具有以下优势：可以通过 建立高保真模型反映水电站的三维特征和运行状态；获得扩展参数范围，弥补现实中 难以或者无法检测到的空间数据；通过将三维多物理场模型转换为降阶模型 （Reduced Order Model, ROM），减少物理场运算速度；及时调整生产方式，改善生产环境，增加水电站运行安全性与生产效益。
构建多物理场耦合的抽蓄电站，将快速计算模型应用于电站现场生产中，为解决大型复杂工程的运行控制问题提供借鉴。
通过快速计算技术进行耦合系统搭建，结合了以上一维与三维数值模拟方法的优势，同 时将全阶模型的自由度缩减为低维数值模型的水平，降低计算的复杂度，却不失去全 阶模型的计算精度。
基于多物理场耦合的快速计算遵循现实机组多物理场实时监测数据与动力学方 程，提取足以反映瞬态物理场演进路程的快照，根据不同物理场数据特点。
采用多种模型降阶方法提取ROM并用到仿真计算中。
目前对物理域的ROM提取多是针对单个模型的单一物理变量，并且动态ROM提取方法尚不成熟。
对于多物理场耦合的系统化ROM研究领域仍处于开发初级阶段。
我国正处于抽水蓄能电站的高速建设发展期，对电站运行性能预测精度与效率的要求日益提高。
因此融合多种物理域的实时模 拟电站的发展前景十分广阔，亟需深入开展对抽水蓄能电站即时系统仿真开发的研究，对提高抽水蓄能电站的稳定运行与控制优化具有重要而深远的意义。
1.2 国内外研究现状1.2.1 抽蓄电站机组多物理场振动响应抽水蓄能电站的运行方式较常规电站更为复杂多样，且具有工况切换频繁、转子 双向运转、设备结构复杂等特点。
在对过流设备、进口阀门、水泵水轮机和发电电动 机的控制下，机组设备因多种物理因素造成不同形式的振动与损伤。
设备机组轴系连 接多个部件单元，轴向跨度较大，同时受到多种物理场的干涉，且整体运转速度快、 机械刚度低，十分容易在极端工况下产生振动与变形。
甚至出现断裂损伤的现象。
如 果按照现场试验的方式测试轴系强度势必对机组产生不可逆的损伤。
因此通过振动机理分析、数值模拟、信号提取等方式对轴系的强度、刚度和疲劳损伤进行分析。
目 前已有许多对轴系各物理场影响的研究，依据涉及的物理场范畴，主要聚焦以下研究：轴系转子动力学分析抽水蓄能机组轴系结构属于大型转子-支撑系统，通过转子动力学求解其振动、 平衡和稳定性等问题。
水力发电机组的主要研究热点为对轴系的故障响应分析，不对 中故障是其中重要的形式。
不对中故障是广泛存在于联轴式旋转机械中的一种故障形式。
指有多根转子通过联轴器连接的系统，由于安装时的转子中心偏差或在转动时 转子支撑基座受热不均导致的转子中心线不共线导致的机械故障。
可以分为平行不 对中、交角不对中以及混合不对中三种形式。
针对水电站轴系运行不对中振动问题，安学利等建立了刚性连接的不对中转子动力系统。
结合实际工程中出现的质量偏心、联轴器平行不对中等故障工况，对转子 进行了故障诊断与轴心轨迹分析。
刘杨等对转子轴承系统的不对中-碰摩耦合故 障，采用非线性有限元，运用Hertz接触理论建立了转子动力学模型，分析了不同转 速下耦合故障的动力学特性。
李明等运用转子-轴承试验台进行了联轴器不对中故 障下的动力学试验，并对轴心轨迹与频域特性进行了分析。
李洪亮对旋转机械的 球轴承考虑了联轴器不对中等因素，建立了偏盘转子动力学模型采用谐波平衡法-时 频域转换技术获取动力学系统的周期解。
利用，利用 Floquet理论求得转子失稳的转 速周期，进一步研究周期运动的分岔机理与共振特性。
针对轴系在结构场产生的振动故障问题，已有诸多研究通过建立轴系数值模型 用来反映轴系运行的规律。
随着信息技术的高速发展，人们可以通过计算程序研究高 维度、多数据、复杂规律的轴系振动特性，最常用的方法有有限元法（Finite Element Method，FEM）。
FEM物理表达明确，方程简洁规范，同时具有能够模拟复杂结构 转子与多物理场耦合的特点。
Ruhl等利用FEM对水轮机转子离散为多段式空心轴模型和质量圆盘。
进而建立轴系动力学方程，分析了转子临界转速并绘制了Campbell 。
陆振勇针对航空发动机双转子系统建立了离散模型和可逆化结构降维模型，分析了轴承部位游隙和外部载荷对轴系非线性响应的影响。
费钟秀运用FEM和连续梁理论推导了复杂转子轴系动力学方程，并研究各类转子的临界转速特性和轴承刚度。
随着计算机仿真技术的发展，出现了诸多商业有限元分析软件，如ANSYS、 Patran/Nastran、Abaqus、Hypermesh等，对过去复杂的建模过程进行了流程式简化。
大大地缩短了研发周期。
徐超运用ANSYS对卧式水轮发电机组关键转子部件进行了 有限元分析。
刘烨采用有限线单元实现对机组轴系的模拟，揭示了水轮发电机组 轴系的模态特性，并分析了不平衡磁拉力对轴系振动特性的影响。
水泵水轮机流场分析水泵水轮机较一般水轮机将承担更为频繁的过渡过程，在机组经历瞬态过渡过程中，水泵水轮机将会在多种作用下产生机组振动与疲劳损伤，从而降低机组水力结构性能。
在非额定工况下，水泵水轮机更加容易产生水力激振，产生水力激振的有以下几种形式：水力不平衡及转子部件不平衡引起的激振。
上游转轮进口水锤压引起的激振、卡门涡列振动 、无叶区动静干涉（Rotor-stator interaction，RSI）引起的振动、转轮失速引起的叶片交变水力分量振动、尾水管中心涡带振动 。
近年来，基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）对水轮机 内流场分析的方法日益完善，该方法可以得到反映水力激振特性的重要信息。
CFD是 通过数值计算方法直接求解流场控制方程的有限体积法（Finite Volume Method，FVM） 学科。
王福军将CFD理论与方法应用于水力机械湍流分析，建立了通过湍流流场分 布预估水力机械能量特性和空化特性的数学模型。
通过基于 k-ε双方程湍流模型的轴流泵全流道三维定常湍流计算, 获得了与实际情况相符的流动细节。
CFD法求解水轮机非定常流的方法应用已较为广泛，但由于模型涉及节点较多，且需要多次调试，严重影响了试验的效率。
在水泵水轮机中，瞬变流场对转轮结构属于流固耦合的范畴，目前已有诸多文献 研究了水力发电设备内部的流场分析与流固耦合。
流固耦合力学的本质是研究液态 相与固态相载荷对另一相形变的相互作用，而水轮机内的各过流部件对机组设备的影响便是一个流固耦合问题。
李效革等建立水轮发电机组全流道水体与轴系装配系统，以CFD数值模拟结果为边界条件，进行了基于流固耦合的水轮发电机组轴系 转轮强度分析和模态分析；于辉等基于流固耦合理论，建立球阀系统离散角度有 限元仿真模型，以多角度结构分析近似模拟球阀在动水关闭过程中的结构瞬态过程， 反映球阀流道的分布特点及薄弱环节的数据特征。
