当离心泵进口回流现象发生时,不仅会导致进入叶轮的流量发生周期性脉动,还会导致叶轮进口轴线附近的压力降低,诱导回流漩涡空化的产生,进一步恶化叶轮进口的流动。为研究进口回流和回流漩涡空化现象,本文采用数值模拟和试验研究相结合的方法针对不同叶轮方案的模型泵的水力特性、空化特性及非定常特性进行了研究。本文的主要研究内容和成果如下:1.总结了进口回流、回流漩涡空化、空化数值模拟的国内外研究现状。阐述了进口回流和回流漩涡空化的目前研究中存在的问题。2.首先针对模型泵的内部流动进行了定常数值模拟研究。探讨了回流发生与流量的关系,回流发生时叶轮进口的流动状态,进口管内的速度、压力分布,得到以下研究结论:(1)进口回流影响范围随着流量的降低而扩大;三种方案中,C叶轮回流现象非常明显,A叶轮较弱;回流使叶轮进口出现明显的周向速度和反向轴向速度,以及边缘高、中心低的压力分布。(2)回流产生的原因可以归纳:当流量降低时,部分流体质点在离心力的作用下撞向固体壁面,造成该区域的速度和压力变化,形成回流。3.其次针对模型泵的内部空化流动进行了定常数值模拟研究。研究了不同空化系数下的叶轮内的空泡分布,探讨了回流漩涡空化的发展过程,以及空化发生后回流区域内的速度和压力分布的变化,得到的主要结论有:(1)回流影响空泡分布:在最优效率点流量下,叶片背面进口边靠近前盖板区域首先出现空泡。而在受到回流的影响时,叶片背面进口边中部和根部首先出现空泡;回流还会诱导叶轮进口附近产生回流漩涡空化现象,如流量为0.46QBEPC,空化系数σ为0.22~0.06时,回流漩涡空化云存在产生、增大、减小及消失的过程。(2)空化影响回流发展:回流影响范围随着空化逐渐发展而减小,并且叶轮进口附近的周向速度和反向轴向速度也随之减弱,压力分布也趋于均匀。4.针对采用方案C叶轮的模型泵的内部流动非定常特性进行了数值模拟研究。研究了进口管内回流涡和回流漩涡空化随时间的变化过程,只发生回流时和发生回流漩涡空化时的压力脉动特性,并进行了频率分析,同时对监测点的压力脉动信号进行了相位相关性分析,得到以下主要结论:(1)回流涡不断地在叶轮内产生,向上游发展,并最终与主流交汇消失。在工况为0.36QBEPC,σ=0.82,即只发生回流时,进口管内的压力脉动主频在低频段0~fn范围内,具有明显的低频特征,并且越靠近管壁,其幅值越高。叶轮进口面上的主频为4fn,次主频为低于轴频的低频频率。进行相位相关性分析后发现,在叶轮进口面处存在旋转不稳定流动;在工况为0.46QBEPC,σ=0.81,即只发生回流时,叶轮进口面上的压力脉动主频为4fn,次主频为低于轴频的低频频率。进行相位相关性分析后发现,在叶轮进口面处同时存在轴向和旋转不稳定流动。(3)回流漩涡空化在叶轮进口轴线附近产生,并随着叶轮一起旋转。部分空泡不断向上游延伸,然后消失。工况为0.46QBEPC,σ=0.13,即发生回流漩涡空化时,叶轮进口截面1上的压力脉动主频均为4fn,次主频均为低于轴频的低频频率。进行相位相关性分析后发现,在叶轮进口面处同时存在轴向和旋转不稳定流动。在0.36QBEPC,σ=0.12工况下,即发生回流漩涡空化时,叶轮进口截面1上的压力脉动主频均为低于轴频的低频频率,次主频均为4fn。进行相位相关性分析后发现,在叶轮进口面处存在轴向不稳定流动。5.搭建了闭式试验台,对模型泵进行了外特性、空化性能试验,并采集了压力脉动信号。并且对比了不同方案的扬程系数Ψ及空化系数σ3%,发现方案A叶轮水力性能较好而空化性能较差,方案C叶轮水力性能较差而空化性能较好。在未发生空化的1.0QBEPA工况下,监测点压力脉动主频为叶频fb,且低频频率较少。在未发生空化的0.6QBEPA工况下,监测点压力脉动主频仍为叶频fn,且低频频率增加。对0.32fn、0.40fn、0.72fn和0.87fn进行相位相关性分析后,发现均出现了对应的轴向不稳定流动现象。在0.6QBEPA,扬程下降1%工况下,压力脉动主频为叶频fn及2fn,此外出现了低频高幅的宽频带。并且对0.48fn和0.64fn进行相位相关性分析后,发现均出现了对应的轴向不稳定流动现象。