轴流泵具有结构简单、流量大、效率高等优点,在防洪排涝、大规模调水等方面发挥了重要作用。由于叶轮轮缘与转轮室之间存在叶顶间隙,轴流泵在运行过程中常常伴随叶顶泄漏涡（Tip Leakage Vortex,TLV）结构,且易诱导TLV空化等复杂流动结构,导致叶轮做功能力降低,情况严重时还会产生水力激振和空化噪音,严重影响机组的运行稳定性。弯掠叶片具有抗空化和减振降噪的特点,因此,针对轴流泵叶片前缘形状开展研究,改善轴流泵空化性能,是十分重要的研究手段。本文以比转速为700的轴流泵水力模型作为原型叶轮,采用圆周前掠和后掠的方法对原型叶轮进行重新设计,分别得到20°和40°前掠角度和后掠角度的叶轮。基于数值模拟和可视化试验研究了轴流泵叶顶区空化流场特性及瞬态特性,讨论了轴流泵叶片前掠和后掠对叶顶区空化流场及空化性能的影响,为叶片前掠式轴流泵和叶片后掠式轴流泵设计及空化特性研究提供参考。主要研究内容和成果如下:（1）以原型叶轮的轴流泵模型作为研究对象,采用数值模拟方法分析了外特性、空化特性及叶顶空化流动瞬态过程,并与试验结果进行了对比。结果表明,数值模拟所得的外特性曲线和空化特性曲线与试验结果的误差小于5%,数值模拟和可视化试验捕捉到的叶顶空化流动瞬态过程吻合较好,验证了本文数值模拟的准确性。（2）基于数值模拟结果分析了轴流泵叶顶区空化流场特性及压力脉动特性。结果表明,叶顶区空化由角涡空化和TLV空化向三角形空化云结构发展,随着空化程度加剧,叶顶低压区、流场低速区和高湍动能区增大,TLV涡心漩涡强度和涡量先增大后减小。在空化初生阶段,压力脉动主频幅值从叶轮进口至出口逐渐减小,在空化充分发展阶段,由于空化结构对流场产生干扰,导致叶轮中部压力脉动主频幅值大于叶轮进口和出口位置。在整个空化发展过程中,叶顶处压力脉动主频幅值最高,并沿轮毂方向逐渐减小。（3）通过分析前掠20°和前掠40°叶轮的宏观能量特性、压力分布、空泡体积分数、叶顶区空化流场,并与原型叶轮进行了对比。结果表明,泵装置临界空化数随叶片前掠角度的增加而减小。叶片前掠减小了吸力面低压区范围和叶顶区空泡体积分数,且叶片前掠角度越大,对叶顶区空化初生抑制效果越明显。叶片前掠还减小了叶顶区流场低速区和高湍动能区,抑制了空化结构尾部的空泡脱流现象。通过对比分析前掠叶轮和原型叶轮的叶顶空化涡动力学特性和压力脉动特性,发现前掠20°叶轮的叶顶泄漏量较原型叶轮下降56.2%,前掠40°叶轮的叶顶泄漏量较原型叶轮下降56.7%。前掠叶轮TLV涡心漩涡强度低于原型叶轮,随着空化程度加剧,前掠20°叶轮TLV涡心漩涡强度先变大后减小,而前掠40°叶轮TLV涡心漩涡强度仅在严重空化工况略有减小。前掠叶轮TLV涡心高涡量区与转轮室壁面高涡量区卷吸在一起,在严重空化工况涡量均减小,且前掠叶轮叶顶区高涡量区明显小于原型叶轮。叶顶区由于泄漏流导致的轴向速度负值区域随叶片前掠角度的增大而减小。在空化初生阶段,叶片前掠减小叶轮进口压力脉动主频幅值。在空化充分发展阶段,叶片前掠减小叶顶区压力脉动主频幅值,从而降低了叶顶空化对流场的干扰。（4）系统分析了后掠20°和后掠40°叶轮的叶顶区空化流场及空化性能。结果表明,后掠叶轮临界空化数低于原型叶轮,且相同角度的后掠叶轮临界空化数高于前掠叶轮,表明相同角度的后掠叶轮抗空化性能低于前掠叶轮。叶片后掠不仅减小了吸力面空化面积和空泡体积分数、抑制叶顶区三角形空化云向叶轮出口发展,且减小了叶顶区压力面与吸力面压差,从而减小叶顶泄漏量。相同角度后掠叶轮的叶顶泄漏量高于前掠叶轮,表明后掠叶轮对叶顶泄漏量的抑制效果不如前掠叶轮。分析后掠叶轮的叶顶空化涡动力学特性及压力脉动特性,发现TLV涡心涡量和漩涡强度随叶片后掠角度的增大而减小,TLV尺度则随叶片后掠角度的增大而增大,导致后掠叶轮叶顶区负轴向速度区域大于原型叶轮。随着空化程度加剧,后掠叶轮TLV涡心漩涡强度和涡量均先变大后减小,叶顶区高涡量区和高漩涡强度区更加集中。叶片后掠减小了叶轮进口和叶顶区压力脉动主频幅值,降低了空化对叶轮进口和叶顶区流场的干扰。