水泵水轮机作为抽水蓄能电站功能转换的核心,复杂多变的运行条件使得机组的水力特性和结构强度面临极大的考验。其中,转轮、轴系和上机架等关键部件在非稳定水力激励力作用下的振动和噪音问题尤为突出。本文采用数值模拟技术,开展了暂态过程水泵水轮机流固耦合动力特性研究。首先,提出了基于声固耦合的空化状态下对结构响应及模态分析识别的方法,与实验结果及传统的模态分析法进行对比,验证该方法在空化状态下结构模态计算的适用性和准确性。基于该方法,讨论了空泡空隙率对固有频率、振型及响应的影响,阐述了模态分离的机理,即当空泡的组成成分由纯水或纯气体向水汽混合物转变时,原来的基模态分离为基模态和复合模态,随着空隙率的变化,基模态和复合模态的特性呈现“此消彼长”的相互关系。其次,以水泵水轮机原型机组为研究对象,模拟抽水工况开机及发电工况开机过程的流场特性,考虑千米级管路和毫米级转轮间隙流的非定常流动,通过与实测结果对比,验证计算方法的可靠性,提出水泵水轮机暂态过程多尺度全流域转轮轴向水推力的计算方法。发现泵开机和水轮机开机过程中转轮叶片间各内流道和上冠腔、下环腔轴向水力激励力周向不均匀分布,轴向水推力受机组流量和转速的双重影响。最后,基于流场特性,对暂态过程转轮周向不对称水力激励影响下水泵水轮机的上机架、轴系及转轮结构特性进行计算。发现周向不对称水推力会导致转轮本身的位移周向不对称分布,对于通过轴系在上机架的作用主要体现为轴向水推力合力,而不受水推力分布的影响,符合圣维南原理。水泵和水轮机工况开机过程中,上机架在支撑筋板与推力轴承座连接处发生应力集中。泵工况开机过程初期,转轮的应力集中位于上冠与叶片进口连接处,后期则位于上冠与叶片出口连接处;水轮机工况开机过程中,活动导叶开启至空载开度前,转轮的应力集中位于下环与转轮进口连接处,到升负荷阶段时,位于上冠与转轮进口连接处,并最终移动到下环与转轮出口连接处。本文研究揭示了水泵水轮机暂态过程中复杂的流固耦合动力特性及影响机理,为机组的优化设计及安全稳定运行提供了科学指导依据。