离心泵在低于设计流量下运行时,由于叶片前缘的压力差,在叶轮的进口处会产生回流,并伴随着流量以及压力波动,严重时会诱发振动与噪声。旋转的回流会和主流剪切形成回流漩涡,漩涡附近的压力一般较低,容易发生漩涡空化。本文首先采用三种不同的软件模拟低比转速离心泵的性能曲线,并与试验对比,然后选取预测性能结果最精确的数值模拟软件研究无空化工况下叶轮进口处的回流特性,以及空化工况下进口回流诱导的空化特性,从而分析出低比转速离心泵叶轮进口处的回流流动规律、回流漩涡引起的空化问题及其对空化性能的影响等。本文的主要工作和成果如下:1.阐述了回流漩涡空化的研究背景和发生机理。简要介绍了进口回流、回流漩涡空化、空化数值模拟的国内外研究现状。2.总结了CFX软件、Fluent软件、Pump Linx软件所采用的空化模型,然后对低比转速离心泵进行开式空化性能试验,发现在整个流量范围内,Pump Linx软件对第Ⅰ临界空化系数sⅠ的模拟较为准确,Fluent软件对第Ⅱ临界空化系数sⅡ的模拟较为准确;在小流量范围内,CFX软件对sⅠ和sⅡ的模拟均较为准确。由于本文研究的工况集中在小流量范围,最终确定使用CFX软件进行后续的空化数值模拟。3.采用CFX软件详细分析无空化工况下回流的产生对叶轮进口流场的影响,并且在此基础上加载空化模型,着重分析叶轮内的空泡体积分布对泵扬程下降的影响,并探讨进口回流区域的定常空化特性。主要结论有:(1)回流改变了进口流场特性和空化特性:可能会加速主流区域发生空化;进水管各截面最高总压出现的位置呈现逆时针分布;在叶片前缘附近,r/R1=0.5上流体的静压最低;叶片上空化出现的位置发生变化。(2)在设计工况点1.0Qd,叶轮内的空泡分布均匀。在小流量工况点0.4Qd,整个叶轮内的空泡呈现了明显的不对称性分布。当空化系数σ=0.249,叶片前缘附近会发生明显的回流漩涡空化。而当空化系数σ=0.049,叶片1、叶片6之间的回流漩涡空化消失。(3)回流漩涡空化的初生是非附着状态,随着空化系数的降低,回流漩涡空化逐渐附着到叶片上。回流漩涡空化的发展和溃灭使得泵的空化特性曲线在急剧下降前出现了一段缓慢上升的趋势。4.在定常空化模拟结果的基础上进行非定常空化数值计算,分别从扬程和空泡体积的波动、回流的轴向速度波动、压力脉动三个方面阐述,探讨回流漩涡空化产生的影响,同时研究叶片前缘附近的回流漩涡空化随时间的发展过程。主要结论有:(1)在0.4Qd、σ=0.056工况下,回流漩涡空化的发展会随着叶片的旋转而发生变化。在叶片前缘面,存在3个旋转的回流漩涡空化分量。同时扬程波动、空泡体积波动以及叶轮进口回流的轴向速度波动发生变化。(2)随着空化系数的降低,进水管中心线处的主频逐渐向低频区偏移,幅值逐渐增加。在0.4Qd、σ=1.923工况和σ=0.764工况,未出现回流漩涡空化,进水管中心线处的主频是轴频fb,而在σ=0.056工况,主频偏移到0.2倍的叶频fn。(3)对叶轮进口面和叶片前缘处的压力脉动监测点进行相位交叉分析。在0.4Qd、σ=0.056工况下,叶轮进口面并未出现旋转分量,在叶片前缘附近,出现3个旋转分量,其传播频率比分别是0.35、0.66、1.95。