叶片泵由于受到运行条件的影响,常常会在非设计工况下运行。叶片泵在非设计工况下运行时,不仅泵效率会显著降低,而且还会出现运行稳定性问题,从而造成能源的巨大浪费和系统运行可靠性的降低。因此,提高叶片泵在非设计工况下的效率和运行稳定性是大量工程实践中提出的亟待解决的问题。叶片泵在非设计工况下的内部流动结构极其复杂,而研究叶片泵在非设计工况下的内部流动机理、探寻有效的流动预测和控制方法,是提高叶片泵非设计工况下效率和运行稳定性的必不可少的基础性工作。本文工作的主要目的是在对非设计工况下叶轮内部流动结构分析的基础上提出合理的流动预测方法。通过CFD计算的验证与确认以及各种湍流的非定常计算模型的比较,分析了非设计工况下叶轮内部流动预测失效的原因;以非惯性坐标系下湍流流动机理分析为基础,建立流动预测模型并加以验证;利用新的流动预测模型对非设计工况下叶轮内部流动控制问题进行了初步探索。全文主要工作如下:一、非设计工况下叶轮内部流动预测失效的原因分析鉴于以往的研究中发现对叶片泵非设计工况下内部流动利用RANS方法进行预测时,其结果往往失效,本文对其进行了CFD计算的验证与确认。发现造成流动预测失效的原因是模型误差。在此基础上又利用URANS、混合RANS/LES以及LES这三类湍流模拟的非定常方法进行了数值模拟分析,进一步明确了不恰当地使用湍流模型是构成模型误差的最主要的原因。此外LES方法计算结果还表明叶轮旋转对叶轮内部流动的影响不仅通过离心力及科氏力的形式直接作用于大尺度流动,还改变了各种尺度的湍流脉动。二、建立适合描述叶片泵非设计工况下叶轮内部复杂流动结构的模型通过理论分析发现在旋转坐标系下雷诺应力的表达式与惯性坐标系下不同,但湍动能方程是相同的,使用以湍动能k为主要模型参数的湍流模型对非设计工况下叶轮内部流动进行预测时会产生模型误差。本文在A.Hellsten的旋转修正方法的基础上,通过对旋转坐标系下雷诺应力输运机制的分析提出了一种基于扩展内禀平均旋转张量的理查德森数的旋转修正方法。三、采用CFD手段对所建立的模型进行数值实验验证在ANSYS CFX 11.0软件中通过CEL(CFX Expression Language)的方式对该软件进行了二次开发,添加了本文所提的旋转修正模型,并通过算例对其进行了验证。较之前人的研究,本文所提出的理查德森数在叶轮流道内部的分布与从流动稳定性理论的角度分析得出的结果一致;利用旋转修正的RANS以及混合RANS/LES模型,在无导叶情况下获取了非设计工况下叶轮内部“交替失速”现象,与前人PIV及LDV测量结果相符,并且所得到的失速现象具有低频特征,也与其他研究者在实验中所测量得到的结果定性一致;此外还发现湍流脉动的频谱在惯性子区呈k? 3谱型,而不是惯性系下的k? 5/3的Kolmogorov谱,这与本文中LES的结果一致,且与旋转系统中的湍流理论相符。计算结果从多方面验证了本文所提修正方法的正确性,反映了系统旋转对湍流结构的改变是影响叶轮内部流动的重要因素。四、非设计工况下叶轮内部流动预测方法的理论分析数值模拟结果表明,LES方法对旋转系统中湍流进行计算时,仅对耗散区的高波数湍流结构使用亚格子模式进行处理,故可以准确把握非设计工况下叶轮内部的流动结构。而URANS方法以及混合RANS/LES方法对湍流进行数值模拟时,采用了惯性系统中的湍流模型,但旋转系统中雷诺应力的输运机制与惯性系下并不相同,使得这些方法在旋转坐标系下失效。扩展内禀平均旋转张量是从雷诺平均方程导出的,它反映了动力学机制,因此利用其定义的理查德森数对湍流模型进行的旋转修正可以正确反映系统旋转对流动结构的影响。五、利用本文所建立的模型,采用数值模拟手段,对非设计工况下叶轮内部的流动控制进行了初步探索使用修正后的基于SST的SAS湍流模型,对一种添加扰动圆柱的被动控制方法进行了初步探索,结果表明该控制方法在参数适当时可以通过改变流动结构实现叶片泵叶轮在非设计工况运行时效率的提升。最后对全文内容进行了总结,并指出需要进一步研究的问题。