本文的研究是在国家重点研发计划“高效高可靠性大流量抢险排水技术与装备”(编号:2017YFC0804107)的资助下进行的。矿用抢险泵是一种大流量、高扬程及大功率的多级潜水电泵,是矿山水灾事故抢险救灾的唯一可选装备。矿井突水的水量大、来势猛,常要求抢险泵在大流量工况下持续运行,对泵的可靠性要求极高。另一方面,“节能减排”是时代永恒不变的主题,因此一台优秀的矿用抢险泵应具备高效及全扬程无过载性能,并且满足大流量、高扬程及较低功率的特性。目前高性能矿用抢险泵的设计经验比较匮乏,本文以自主设计的矿用抢险模型泵为研究对象进行了数值模拟、试验测试以及性能优化,以期丰富高性能矿用抢险泵的设计理论。主要工作如下:1.概述了大功率矿用潜水泵的发展史,介绍了高性能矿用抢险泵的水力设计进展,总结了离心泵压力脉动、径向力及轴向力的研究现状。2.基于相似换算法对实型泵设计参数进行了换算,结合速度系数法与无过载理论设计了一台模型泵,并对模型泵进行了性能测试。结果表明:模型泵的扬程为21.5m,效率为80.9%,轴功率具有全扬程无过载性能,功率备用系数K<1.1;扬程比设计目标低3.66m。3.基于CFD对模型泵进行了全流场数值计算,对其外特性、内流特性、径向力、轴向力以及压力脉动等进行了深入分析。结果表明:(1)叶轮出口处液流相对速度产生滑移,由叶片背面流向叶片工作面,严重影响扬程;叶轮叶片工作面中段出现明显的流动分离,流量较小时出现漩涡,叶片展开面高度不同,涡量规模不同,随着流量增加该处液流逐渐变得平滑;在0.9倍叶片展开面高度,叶轮进口液流出现偏离,造成冲击损失。(2)叶轮流道中间位置的出口处至导叶扩散段的压力脉动的主峰数为4,叶轮内其余监测点压力脉动的主峰数为7;导叶过渡段至出口段的压力脉动主峰数为28。叶轮与导叶的压力脉动主频分别为7APF与4APF。(3)叶轮内流道的压力脉动强度由叶轮进口至出口逐渐增强,导叶内部流道则是由进口至过渡段逐渐减弱。在叶轮叶片工作面出口处压力脉动强度较高,并向叶轮相应流道的叶片背面以及导叶进口(螺旋线部分)辐射。4.对模型泵进行了优化,设计了五叶片、四长四短与五长五短叶片叶轮的三种优化方案,并对最优方案进行了试验验证。结果表明:(1)五叶片和四长四短叶片方案下叶轮内的水力损失相当,较初始方案增加了14.0%;五长五短叶片方案下叶轮内的水力损失较大,较初始方案增加了32.6%。五叶片方案叶轮水力损失波动幅值较初始方案上升了2.3%;四长四短与五长五短叶片方案叶轮水力损失波动幅值分别降低了21.6%和36.4%。(2)四长四短叶片叶轮内的水力损失较初始方案增加了0.27m,小于短叶片造成的沿程摩擦损失0.34m,合理的短叶片型式对液流的“整流”作用带来的收益可以高于沿程摩擦带来的损失。(3)五叶片叶轮平均径向力较初始方案减小了3.2N。短叶片的增加较大地增大了径向力,其中四长四短叶片叶轮径向力最大,为85.9N;相应地其波动幅值最低,较初始方案下降了14.6N。叶轮内长叶片和短叶片的添加几乎没有改变轴向力的大小和波动特性。(4)短叶片的添加增加了长叶片背面出口处压力脉动幅值,并明显降低了导叶进口区域的压力脉动幅值。五长五短叶片叶轮流道内存在因脉动频率相同而产生的脉动干涉,其叶轮流道靠近出口处脉动强度较大,并且高强度范围较广。(5)四长四短叶片方案性能最优,完全满足设计要求。