空化现象自1893年首次被人们发现,一直是国内外学者关注的重点问题,空泡溃灭时产生的高强度微射流会严重损伤金属表面,对水力机械的强度和使用寿命都是很大的冲击。百年来人们经历了数次大型水利枢纽因空化而造成的损坏事故,损失难以计量,因此对于空化产生机理和改善方法的研究具有重要意义。轴流泵具有低扬程、大流量的特点,工作环境复杂,易发生空化,而针对轴流泵空化控制的研究较少。本文以轴流泵为研究对象,通过数值模拟方法分析其空化发生机理,探索空化控制方法,为工程应用提供参考。首先介绍了空化现象的发生、发展与分类,空化发生主要有两大理论,即饱和蒸气压假说和“空化核理论”,在分析过程中主要结合饱和蒸气压假说以对空化过程有一个直观的判断。简要概述了国内外学者对空化控制方法的研究与发展现状。对水力机械的空化参数进行说明,推导了卧式轴流泵空化余量的计算公式,在此基础上,选取不同空化阶段对模型进行分析。介绍了几种常用的湍流模型及空化模型的发展历程和各自的优势与缺陷,结合前人的对比研究,选用SST k-ω湍流模型和ZGB空化模型,并对湍流粘度进行了修正。仿生学结构先进、完善,为机械设计拓宽了思路,本文通过了解土壤生物非光滑表面的减阻作用,发现蚯蚓体表背孔结构通过喷射体腔液,形成润滑层,能够改善近壁面边界层结构,优化流场流动。基于蚯蚓背孔的生物学形态与特点,在轴流泵叶片表面布置仿生射流孔,探索其对轴流泵空化控制的效果。本文对轴流泵内空化流场特性进行分析,并对比了仿生结构位置参数和直径对空化过程的影响,主要包括以下研究内容:(1)以一台350ZQ-125-30型潜水轴流泵为模型,通过数值计算方法分析其空化特性。将模型泵外特性模拟结果与实验值进行比对,验证了数值计算的准确性。对不同空化余量下叶轮内流场特性进行分析,发现空化泡首先出现在叶片进口边靠近轮缘的低压位置,向出口边和轮毂方向同时扩展,随着空化程度加深,叶片的中后部受空化侵蚀较严重。在叶片表面,由于空泡发展的末端存在逆压梯度,因此出现了漩涡结构,并伴有小范围的回射流,说明叶片边缘流态不稳,回射流冲击叶片表面流体,导致空泡脱落,极大影响了叶轮做功能力。(2)结合原模型空化发生位置,在叶片轮缘侧布置孔径为6mm的射流孔,分别取弦向位置为0.2L、0.35L和0.5L三种方案。布置射流孔后由于叶片两表面压差的存在,工作面高压流体通过射流孔流向低压侧,能够补偿背面的低压流,有效控制了空泡的发展;在射流孔来流侧出现横向射流和小范围回流,对流场产生扰动;距离叶片进口边较近位置布置射流孔对空化初生控制效果较好,射流孔位于叶片中部的方案在空化剧烈阶段空泡体积分数最小,流场分布更为均匀,压力波动小。(3)根据对位置系数的分析,对射流孔孔径进行研究,分析了孔径为4mm、6mm、8mm、10mm四种方案下改型叶轮的空化特性,与原模型进行比对。在空化发展的各个阶段,四种方案空泡体积相比原模型均有所减小;在射流孔内部出现旋涡,随着孔径增大旋涡强度加深;对比四种方案,其中孔径为6mm时,空泡体积分数减小最多,对空化控制效果最为明显。