空化是轴流泵中常发生的一种现象,空化具有较强的不稳定性,其发展、脱落常伴有较大的压力脉动,引发泵叶片载荷振荡,导致泵剧烈振动甚至影响系统安全;空泡的大规模脱落、破裂也可能导致泵叶片或壁面材料遭到破坏,严重影响设备运行安全性及使用寿命。在旋转叶轮空化自身具有强不稳定性的基础上,某些轴流式叶轮又在非均匀流场中运转,如弯管后部轴流泵、舵后螺旋桨与泵喷推进器等,其来流的不均匀性导致叶片载荷发生周期性振荡,进一步加剧了空化的动态性与不稳定性。因此,在极难避免空化发生的场合中,空化的稳定性控制,即空泡脱落规模、振荡尺度的控制,尤其对于来流条件复杂的泵及桨具有较大意义。受座头鲸鳍状肢前缘凸结的特殊构型及其对流动控制的功效所启发,面向在不均匀来流条件下运转的轴流式叶轮空化稳定性控制,本文将前缘凸结引入轴流泵叶片设计,重点研究前缘凸结对轴流泵叶片空化的控制机理,主要工作概述如下:（1）首先采用NACA0015水翼为模型,参考座头鲸鳍状肢结构设计了水翼前缘的仿生凸结;采用非定常空化数值模拟方法,研究了非均匀来流条件下前缘凸结对水翼空化稳定性的影响及控制机理。研究发现,非均匀来流中,原型水翼各剖面上的空泡长度与当地来流速度相对应,空泡在展向上呈现出明显的不均匀性;随压力下降、空化程度加深,非均匀来流导致的空泡展向不均匀度更强,升阻力脉动也更为剧烈。与原型水翼相比,仿生水翼的前缘凸结能够诱发一系列对漩涡,一方面可增大波峰处边界层能量从而抑制空化在展向上发展,另一方面导致波谷两侧存在较大的压力梯度,驱使波峰处高动量流体向波谷处输运,影响了空化在弦向上的生长。由于空化的生长发展在多个方向上均受到限制,空泡脱落的规模也得到控制,水翼升阻力脉动降低。（2）针对不均匀来流中运转的某轴流泵叶轮,参考仿生凸结对水翼空化稳定性的影响机制,将前缘凸结引入其叶片设计;通过数值模拟与水洞实验,研究了前缘凸结作用下轴流泵叶片空化的变化规律。研究发现,在原型轴流泵中前置导叶尾流激励使泵叶片空化呈现周期性振荡,并且叶片展向上的空化程度也有所不同。而在仿生轴流泵中,虽然流体受力状态、雷诺数与水翼中均具有较大差异,但叶片前缘凸结仍能够诱发涡结构,使仿生叶片表层流场适度湍流化,同样抑制了空化在展向上的发展并限制了空泡脱落的规模,使叶片在发生空化后重要做功部位未被空泡完全覆盖,因而泵扬程衰减也被推延。但同时,前缘凸结也会导致波谷处存在低压区,造成仿生泵空化初生被提前。（3）设计了多组不同构型的仿生叶片,采用数值模拟和水洞实验方法,研究了凸结覆盖范围（L）和波幅波长比（A/λ）这两个关键结构参数对空化控制效果的影响。结果表明,凸结覆盖范围要与原型叶片空化区域相匹配;适当增大波幅波长比能诱发更强的涡结构,可进一步增强叶片表面湍动能,从而进一步提升轴流泵空泡对来流不均匀性影响的抵抗能力。本文采用数值模拟与水洞实验,以NACA0015水翼与某前置导叶轴流泵为对象,揭示了前缘凸结在不均匀来流条件下对叶片空化稳定性的影响及控制机理,并明确了影响空化控制效果的关键凸结构型参数,为泵、推进器及其他水力机械的空化控制研究提供了一定的理论和数据支持。