泵作为一种重要的能量转换设备及流体输送装置,在众多国民经济领域具有十分广泛的应用,其中大流量泵由于功率消耗大,叶轮流道宽,叶轮内部三维流动特征明显,更容易引起水泵机组复杂的激振,因此,需要在提高其效率的同时对其水力激振进行改善。本文通过定常和非定常计算流体动力学方法对大流量泵的内部流动进行数值模拟,提出了总体欧拉扬程分布,S1流面欧拉扬程分布以及展向欧拉扬程分布来评估大流量泵叶轮内流体的能量增长方式,引入单位体积熵生成率对泵内流动损失进行定位和测量,采用上述手段研究了不同几何参数对大流量泵水力性能及非定常径向力的影响。在对内部流动能量分布规律分析的基础上对大流量泵进行改进设计以提高其效率,降低其非定常径向力。最后试验验证了改进设计模型在提高效率和降低振动水平方面的有效性,并研究了不同运行条件下大流量泵的振动特性。本文的主要内容包括以下几个方面:1、提出了利用总体欧拉扬程分布来表示大流量泵叶轮的能量增长方式,并将其应用于大流量混流泵叶片尾缘修型影响的研究中。结果表明:总体欧拉扬程分布曲线中增长率较低的部分通常说明对应位置存在不理想的流动状况,需要对该位置的几何结构进行修改以提高叶轮的工作性能;最佳的正则化总体欧拉扬程分布方式为接近恒定增长的上凸曲线;叶片尾缘修型可以减弱叶轮出口的射流-尾迹结构,增加流动均匀性,从而提高大流量泵在大流量区域的性能。2、提出了利用S1流面欧拉扬程分布来表示真实粘性流动中各个S1流面上的能量增长方式,引入单位体积熵生成率对泵内的流动损失进行测量和定位,将上述分析方法应用于大流量离心泵的高效低水力激振设计中。结果表明:叶片压力面靠近后盖板侧的流动分离所对应的高熵增区域是该泵效率较低,振动过大的主要原因;采用“二级阶梯形式”的S1流面欧拉扬程分布有助于抑制离心叶轮中叶片压力面靠近后盖板侧的流动分离和二次流,从而提高泵效率,降低径向激振力。3、提出了利用展向欧拉扬程分布来表示叶轮各个展向位置流体对于总功的贡献,并将其应用于不同叶片积叠方式影响的研究中。结果表明:零积叠模型驼峰的产生对应着展向欧拉扬程分布的突变;正积叠模型叶轮流道靠近前盖板侧的脱流导致了效率的降低和非定常径向力的增大;负积叠方式(即在叶轮旋转方向上叶片前盖板截面领先于后盖板截面的积叠方式)不仅可以有效提高离心泵的流动稳定性,消除扬程曲线中的驼峰,而且能够在保持效率基本不变的前提下降低泵内流体压力脉动以及叶轮所受的非定常径向力。4、对改进设计模型进行了实验研究,验证了其在提高水力性能和降低振动水平方面的效果。通过试验分析了在不同入口压力,不同流量,不同汽蚀条件下水泵机组不同位置的振动特性。结果表明:在小流量区间,水泵入口压力主要影响10-l000Hz低频段的振动特性,在大流量区间,水泵入口压力增加可以抑制1000-10000Hz高频段的振动;在强烈汽蚀下,水泵机组的振动出现显著的时频特性。时频特性出现后,随着有效汽蚀余量的降低,水泵机组各个位置的振动呈现先降低后增加的趋势,在部分工况下,汽蚀发生时水泵机组的振动水平甚至要远远小于非汽蚀工况。本文提出了利用总体欧拉扬程分布,S1流面欧拉扬程分布以及展向欧拉扬程分布来评估大流量泵叶轮内流体的能量增长方式,引入单位体积熵生成率对泵内流动损失进行测量和定位。研究了不同几何参数对大流量泵水力性能和径向激振力的影响,并通过试验验证了改进设计的有效性,最后对不同条件下水泵机组的振动特性进行了研究。研究表明:叶片尾缘修型、“二级阶梯形式”的S1流面欧拉扬程分布,叶片负积叠方式能够在提高大流量泵水力性能的同时减小流体激振;不同的运行条件对水泵机组的振动特性有很大的影响。本文的研究内容和结论对于大流量泵高效减振设计具有指导意义。