轴流泵作为旋转机械的一种,具有大流量、低扬程的特点,被广泛应用于农田灌溉、市政给排水、大型调水工程、船舶推进器、船坞升降水等方面,在国民经济各部门中占有重要地位。据不完全统计,水泵耗电量约占全国总发电量的20%以上,其中轴流泵占有相当大的比例。因此,在国家自然科学基金“轴流泵转轮和导叶非定常相干机理及其诱导压力脉动的研究(51079063)”的资助下,对轴流泵内部流场进行研究,可深入揭示其内部流动规律和瞬态物理结构场的演化机理,从而指导设计以提高轴流泵效率,对节能减排有着重要的意义。本文的主要工作和取得的成果如下:　　 1.通过查阅相关文献以及对国内外研究现状的调研,改进了传统轴流泵的轴承布置方式,设计了叶轮与导叶间的轴向距离控制装置,采用了有机玻璃透明外筒来代替所研究区域管道等,并最终按照相关标准搭建了满足轴流泵外特性测试及内部流场PIV测试的试验台。　　 2.采用数值计算方法,通过研究不同叶顶间隙大小对轴流泵性能及内流场的影响,发现随着叶顶间隙的增加,轴流泵性能的下降与间隙的增加程度并不成线性关系,当叶顶间隙大小与叶轮直径比值超过1.67‰时,泵性能下降幅度开始增大;并捕捉到了不同叶顶间隙下泄漏流及泄漏涡的形态;为了保证PIV实验用轴流泵的运行安全性,以及最大程度地保留高效轴流泵的内流特征,最终选择叶顶间隙大小S/D=2.5‰。　　 3.采用新设计的标定方式,取得了良好的PIV实验结果,该结果表明:靠近叶片进口边外缘处,在小流量下由于叶顶泄漏形成一个低速区域;在叶轮与导叶之间间隙处,靠近外缘部分也存在一低速区域,并随着流量的增加该低速区域向导叶方向移动,同时,小流量下其内部流场向外缘方向偏转;在叶轮轮毂与导叶轮毂之间存在一个不规则旋涡区域,在小流量下该旋涡范围超出了轮毂半径,并影响主流;在导叶出口以后的小流量下,流场向轮毂侧偏转,而大流量下则基本与轴向平行。　　 4.采用高密度结构化网格,以RNGκ-ε为湍流模型对PIV实验用轴流泵进行数值计算,结果与外特性及PIV实验结果一致;对叶轮内部不同轴向高度处的轴面速度沿半径方向分布规律进行研究,结果表明:叶轮进口处的轴向速度分布较为平缓;从轴向高度35%处至叶轮出口,叶顶间隙对流场的影响范围逐渐减小;在小流量下,叶轮出口轮毂处存在回流,在35%轴向高度处,叶顶间隙内的轴向速度与主流方向相反,并呈现抛物线形式分布。　　 5.对叶轮内部不同轴向高度及导叶进口前垂直截面上的流动规律进行研究,结果发现0.8Qopt、1.0Qopt和1.2Qopt三个工况下均不同程度的在叶轮吸力面与轮毂交接处附近出现旋涡,随着轴向高度的增加,旋涡逐渐耗散,并在导叶进口前消失;小流量下,从叶轮进口至导叶进口垂直截面上,外缘的速度分布先从由外向内偏转,再变成由内向外偏转。　　 6.对叶顶间隙内流场进行分析发现:在小流量下叶片进口边头部处叶顶间隙内的流动方向与主流相反,而大流量下仍然与主流方向相同;当泄漏达到一定程度之后,在叶顶端面靠近压力面处出现一个低压旋涡区,泄漏液体在这里发生流动分离后出现再附着现象。随着流量的增加,泄漏涡的运动轨迹与叶片弦线的夹角变小,发生泄漏的起始位置向叶片中部移动,且泄漏涡的流速和强度减弱。