本文在国家杰出青年基金(50825902)和江苏省自然科学基金创新学者攀登项目(BK2009006)的资助下开展工作。随着科学技术的发展,泵的应用领域正在迅速扩大,并发挥着举足轻重的作用。然而,空化这一世纪难题,一直制约着水泵行业的发展,不仅限制了泵的高效运行范围和小型化的实现,还影响了泵的运行稳定性和可靠性。为了获得离心泵内部空化特性及其诱导振动噪声的机理和传播规律,并为低振动低噪声离心泵水力设计方法的建立提供基础,本文采用理论分析、数值计算和实验测量相结合的方法对离心泵内部的空化特性以及空化诱导振动噪声进行了研究。本文的主要工作和创造性成果有：1.对离心泵内部流动分别进行了单相定常计算、空化定常计算和空化非定常计算。首先对单相定常计算时的收敛精度、边界条件和湍流模型等因素进行了比较,计算结果表明：(1)收敛精度10-4即可以满足要求且计算时间比收敛精度10-5缩短近一倍：(2)全压进口、质量流量出口与流速进口、压力出口两种常用边界条件的计算结果相近；(3)对于低比转数离心泵SST湍流模型的计算精度较高,对于中高比转数离心泵标准k-ε湍流模型的计算结果较好。然后以单相定常计算结果为初始值进行空化数值模拟,计算了离心泵的必需空化余量,分析了泵内空泡分布、叶片载荷分布和蜗壳内压力脉动等空化特性,并对泵出口压力脉动特性的计算结果进行了实验验证,研究结果表明：(1)数值计算结果的精度较高,必需空化余量的最大绝对偏差为0.36m；(2)空泡首先在叶片背面进口边附近产生,并沿叶片背面向工作面和出口方向扩展,随着无量纲距离S的增加,空泡的体积分数减少；(3)空化对叶片载荷的影响较大,但随着离心泵比转数的增加影响逐渐减小。(4)随着空化程度的加剧,轴频峰值变化明显,呈显著增加趋势,各监测点的平均压力先保持不变然后显著下降,同时压力脉动加剧,且隔舌附近的脉动幅值最大。2.搭建了离心泵空化诱导振动噪声实验测试系统,实现了泵性能参数和空化诱导振动以及噪声信号的同步采集。对一台离心泵5个工况的空化性能及振动噪声特性进行测量,实验结果表明：不同流量下,随NPSHa的下降,各测点振动强度和声压级先保持不变然后明显升高,升高点可作为初生空化余量的判据；蜗壳第八断面测点的振动强度高于其它测点,并随着流量的增加振动强度增大。空化噪声信号主要集中在0～1000Hz以内,随着空化程度的加剧,500Hz～1000Hz频段内的能量峰值明显增加。3.首次基于改进算法的BP网络和RBF网络在MATLAB7.0平台上建立了离心泵空化性能预测模型,初步建立了叶轮重要几何参数与必需空化余量的关系；并用6组非样本数据对模型进行了验证,结果表明BP模型和RBF模型的平均相对偏差分别为5.69%和3.47%,预测效果均较好。4.首次基于CFD的方法研究了叶片数、叶片进口冲角和叶片包角对不同比转数离心泵必需空化余量的影响,并通过实验进行了验证。研究结果表明CFD方法具有一定的预测精度,能较准确得到各几何参数变化对离心泵设计流量下空化性能影响的复杂变化规律,每个参数都具有一个最优值使泵的空化性能最佳,叶片进口冲角和叶片包角对模型泵空化性能的影响小于叶片数的影响。5.通过实验的方法首次研究了叶片数、叶片进口冲角和叶片包角对离心泵设计流量下空化诱导振动和噪声特性的影响。研究结果表明：(1)随着NPSHa的下降,三种参数方案加速度传感器测得的振动强度均呈先基本保持不变再逐步上升的规律,且蜗壳第八断面测点上的振动强度最大；(2)叶片数、叶片进口冲角和叶片包角的变化对各测点的振动信号有明显影响,但变化规律较为复杂；(3)无空化发生时,三种参数的变化对噪声信号的轴频和叶频影响较大,且三种参数的变化规律不同,叶片包角的影响最为复杂。随着空化程度的加剧,三种参数变化使噪声信号在500Hz～1000Hz以及1750Hz～2250Hz频段内的能量峰值明显增加。6.应用高速摄影图像采集系统,以一台带固定导叶的离心泵为研究对象,基于CFD与实验测量相结合的方法,首次获得了离心泵叶轮进口空泡分布与空化诱导振动噪声特性的关系。研究结果表明：(1)非定常数值计算得到的叶轮进口部分的空泡分布与高速摄影拍摄结果比较接近,基本可以反映出空泡的分布位置以及空泡随叶轮转动的产生与溃灭规律；(2)在小于设计流量运行时,离心泵4个加速度传感器和水听器测得的振动强度和声压级变化不大,呈缓慢降低的趋势,在大流量工况运行时,振动能量和声压级明显上升,通过高速相机的拍摄证明是由泵内发生空化引起；(3)离心泵4个加速度传感器及水听器测得的不同空化余量时的振动和噪声信号的频谱相差不大,当NPSHa较大泵内无空化产生时,频谱主要集中在1000Hz以内,且以离散频率为主要频率,随着空化余量的下降,振动信号和噪声信号宽频段内的能量峰值增加,空化对大流量工况的振动噪声特性影响较大。