《Ocean Engineering》：Experimental investigation of hydrodynamic damping in a radial blade cascade
编辑推荐：
•采用受控激励和应变片测量方法对径向水翼叶栅进行了实验研究。•对节径0至4对应的模态响应进行了表征，研究覆盖的雷诺数最高达Re = 4.29 × 106。•复模态指示函数（CMIF）滤波方法使得在噪声较大的流场条件下能够可靠地识别主导模态。•有理多项式传递函数（RPTF）方法
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采用受控激励和应变片测量方法对径向水翼叶栅进行了实验研究。
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对节径0至4对应的模态响应进行了表征，研究覆盖的雷诺数最高达Re = 4.29 × 106。
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复模态指示函数（CMIF）滤波方法使得在噪声较大的流场条件下能够可靠地识别主导模态。
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有理多项式传递函数（RPTF）方法提供了更为稳健的阻尼估计，性能优于圆拟合法。
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水动力阻尼表现出对节径、振型以及流固耦合效应的依赖性。
引言
水轮机转轮在追求更高性能和运行灵活性的过程中，引入了与疲劳载荷相关的重大挑战，其主要原因是对转轮结构产生振动引起的应力。因此，近年来水翼系统的水动力阻尼特性表征变得越来越重要，因为流固耦合（FSI）持续影响着涡轮机械和海洋工程中的性能与可靠性。无论是以水轮机转轮、泵叶轮还是螺旋桨形式实施的水翼，都会受到不断变化的水动力载荷作用，从而激发结构振动。当这些振动与系统的固有频率重合时，便可能产生共振现象，从而导致严重的结构损伤、效率损失或过早失效。水动力阻尼在控制此类响应方面发挥着核心作用，它通过周围流体耗散振动能量，从而影响水翼系统及其运行策略的稳定性和可靠性（Hübner等，2021年；Monette等，2014年；Moraga等，2024年）。
然而，准确估计水动力阻尼仍然是一项具有挑战性的任务（Trivedi，2017年）。解析方法和数值模拟方法正日益精细化（Gauthier等，2017年），但其预测能力受到流固耦合固有复杂性的限制，特别是在湍流三维流动中，以及对雷诺数的依赖性、流动攻角变化、尾流波动和水翼动力学中的非定常载荷的影响方面（Kurt等，2025年；Zeng等，2021年）。最近在振动水翼的共振评估研究中强调了准确表征水动力阻尼随流速变化而演化的重要性（Zeng等，2025年），该研究表明阻尼比对向共振和同步状态的转变有强烈影响。最近，还提出了经验公式来预测在广泛运行条件下的水动力阻尼，突出了流速和振动特征对阻尼响应的强烈影响（Zeng等，2023年）。特定的几何效应如叶片数、径向排列、后缘设计和空化起始点会强烈影响阻尼行为，使得推广变得困难。因此，实验研究仍然不可或缺。受控试验台提供了一种系统性激励结构、记录其响应并提取具有足够分辨率的阻尼特性的手段，以支持模型验证和基础理解。
文献反映了水动力阻尼实验工作的逐步进展。早期研究集中于单个水翼，隔离了基本的流固相互作用并建立了基准测量（Bergan等，2018年）。随后，研究扩展到平面叶栅，多叶片集体的行为引入了新的模态模式和水动力耦合效应（Bergan等，2019年）。并行的研究探索了空化条件下的情况，证明了边界层和尾流中的气泡形成会因压力分布和流固相互作用机制的变化而显著改变阻尼特性（Gaschler等，2014年；Yang等，2023年）。此外，后缘修改被证明会影响尾流结构，进而影响阻尼水平（Yao等，2014年）。对振荡水翼的进一步研究表明，尾流发展对所施加的振动模式高度敏感，不同的振荡模式会产生定性不同的流动特征。这些观察结果支持了以下解读：水动力耗散不仅取决于模态阶数，还取决于振动模式与周围流场的相互作用（Platz等，2018年）。这些研究既强调了影响阻尼因素的多样性，也体现了实验验证的必要性。
最近，研究努力转向了径向叶片叶栅，这种结构更接近涡轮的径向对称性。在这类系统中，节径的激励——即由沿叶栅周边分布的波形数量所表征的环形振动模式（Ewins，2000年）——对于理解动态响应至关重要。节径、模态频率与阻尼之间的关系对预测涡轮和螺旋桨中的振动幅度和稳定性具有直接影响。数值研究首次提供了对此类构型水动力阻尼趋势的见解（Gaiti等，2024年），而相关的实验研究则提取了模态属性并与数值模拟进行了比较，以验证结构响应预测（Gaiti等，2025年）。这些贡献为理解圆形叶栅中几何、流动和振动模式的耦合影响奠定了初步基础，尽管它们尚未通过直接实验测量来解决水动力阻尼问题。在这些基础上，先前的研究推进了我们对水力机械中水动力阻尼的理解。然而，尽管从单个水翼到平面叶栅的转变提供了早期的洞察，但关于径向对称叶片叶栅的实验研究仍然局限于结构模态表征和数值预测。关于如何在此类特定径向周期装配中，水动力阻尼实际如何随不同节径和运行条件演化的直接实验测量尚未建立。此外，尽管流水试验固有的高噪声环境，不同阻尼识别技术在这些特定条件下的适用性和稳健性未得到充分关注。
鉴于上述原因，本工作旨在对径向对称水翼叶栅在广泛运行条件下的水动力阻尼进行首次系统性实验表征，数值模态分析仅作为辅助工具，用于提取固有频率并表征与每个节径激励相关的特定变形模式。在实验方面，通过压电致动器施加受控谐波激励，以复现八叶片叶栅的不同节径振动模式，同时利用应变片测量获取相应的频率响应函数。采用了两种模态识别技术——经典的圆拟合法和有理多项式传递函数（RPTF）方法——并在特定的流动诱生噪声增大条件下比较了它们在阻尼提取方面的稳健性。实验覆盖的雷诺数最高达4.29 × 106，使得能够系统性地研究流速和振型对水动力阻尼的影响。特别关注的是识别在强流固耦合发生前后阻尼趋势的演化。研究结果有助于加深对圆形叶片叶栅中模式依赖水动力阻尼的理解，并为未来水力涡轮机械的振动预测和共振评估提供指导。
章节摘要
实验装置
本实验研究旨在调查径向排列的叶片状结构（水翼）及其水动力特性的影响。试验台由八片以径向对称方式排列的水翼组成，能够在不同流速和激励条件下受控地研究模态行为。结构激励由安装在中间跨度的压电贴片提供，而应变测量在后缘处收集，确保直接获取
阻尼计算方法
阻尼测量在不同水动力条件下进行，范围从静水到最高15 m/s的流速（Re = 4.29 × 106）。采用了两种识别技术来提取阻尼值：圆拟合法（Kennedy–Pancu法）（Ewins，2000年；Craig和Kurdila，2006年；Kennedy等，1947年）以及由Richardson和Formenti制定的有理多项式传递函数（RPTF）算法（Richardson等，2022年；Formenti等，1982年）。为了描述
阻尼分析与讨论
本结果扩展了先前关于水动力阻尼的研究，如引言中所述，为在宽雷诺数范围内运行的径向对称叶片叶栅提供了实验证据。先前的研究主要集中在孤立水翼、线性叶栅或圆形构型的数值预测上，而本实验测量使得能够直接评估流速、节径和模态形状对……的
结论
本研究调查了八水翼圆形叶栅在宽流速范围内的水动力阻尼行为。为了表征这些运行条件下的阻尼响应，使用压电贴片施加受控激励以复现节径（ND）从0到4的振动模式。激励经过了系统验证，以确保在所有研究的节径范围内实现准确的模态激励。随后对系统的结构响应进行了测量
CRediT作者贡献声明
Gabriele Gaiti：写作—审稿与编辑，写作—初稿撰写，可视化，验证，指导，软件，项目管理，方法学，调查研究，形式化分析，数据整理，概念化。Dadi Ram Dahal：写作—审稿与编辑，调查研究，数据整理。Chirag Trivedi：写作—审稿与编辑，指导，资源，项目管理。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢Bj?rn Winther Solemslie在软件开发和编程方面的支持，以及为本工作所做的富有洞察力的讨论。作者还感谢Kristian F. Sagmo对实验装置设计和开发的协助与贡献。
Gabriele Gaiti|Dadi Ram Dahal|Chirag Trivedi
