矿用潜水多级泵广泛用于矿山排水,抢险救灾,适用于小流量、高扬程的工作环境。其输送介质为含有泥沙、煤泥、煤矸石、煤渣、纤维物等不溶固相物的混合污水,因此,矿用潜水泵对无堵塞性要求较高。为确保轴功率曲线平稳,有效延长电泵使用寿命,其应具备无过载性。本文以一台BQS25-150/2-30/N型两级矿用潜水泵为研究对象,结合无过载排污泵设计理论进行水力设计,通过理论分析、数值计算和试验研究相结合的方式对叶轮叶片数和叶片出口安放角进行多方案优化设计,并分析了两级矿用潜水泵内部定常、非定常流动特性及固液两相流动特性。论文开展的主要工作包括:(1)通过初步水力设计获取过流部件关键几何参数,在保证其他参数不变的前提下,叶轮叶片数分别为双叶片、三叶片和四叶片,研究表明:三叶片叶轮在无过载性能及内部流动特性方面优于双叶片和四叶片。(2)选取三叶片方案展开研究,在保证其他几何参数不变条件下,对叶轮叶片出口安放角进行多方案优化设计,设计四组叶片出口安放角分别为12°、16°、20°、24°的叶轮。通过数值模拟得出:随着叶片出口角增大,扬程和轴功率均上升,效率也有一定程度的提高。由内流场分析可知,叶片出口角增大使叶轮进口低压区面积明显扩大,叶轮出口高压区面积减小,流道内漩涡增多。研究表明,β2=12°方案综合性能最优,并开展外特性试验验证。此外,以不同叶片出口角的数值计算结果为基础,对斯托道拉滑移公式进行修正。(3)对三叶片方案不同叶片出口安放角下两级矿用潜水泵的内部流场进行非定常模拟,分析叶轮出口、导叶进口、蜗壳进口各断面及隔舌附近的压力脉动及时频特性,并分析各出口安放角下首末级叶轮径向力特性。另外,对β2=12°方案进行各工况内流场非定常数值模拟,分析压力脉动特性及径向力特性。(4)针对泵内固液两相流动问题,以Z=3,β2=12°方案为例,应用DPM离散模型,分别模拟设计工况下泵内部固液两相流动,固相颗粒直径分别为0.5mm、0.8 mm、1.0 mm。分析了加入固相颗粒后泵外特性的变化规律、湍动能分布、首级叶轮前后盖板及导叶内部颗粒质量浓度分布规律和壁面剪切应力的分布规律。此外,分析了颗粒直径为1.0 mm时,不同工况下(0.5Q、1.0Q、1.5Q)首级叶轮前后盖板及导叶的内部颗粒质量浓度分布和壁面剪切应力的分布规律,为改善泵内部磨损性能提供一定理论基础。