作为一种通用机械,离心泵在国民经济和生产中扮演着重要角色,对离心泵的安全性和可靠性的要求也越来越高。空化是影响离心泵性能与运行稳定性的重要因素。空化初期,离心泵性能下降;空化发展,泵体运行中出现振动噪声,影响操作运行安全;空化严重,导致性能陡降。空化判定研究成为避免离心泵出现空化的重要手段。由于高比转速离心泵流道和叶片结构特性,相比于常规比转速速离心泵,空化初生时的性能变化更加迟缓,空化判定更为困难。如果采用传统的扬程判定空化方法,其滞后性难以避免。因此需要提出一种及时、有效的空化判定方法,预防流体机械空化发生,保证运行状态稳定。本文以高比转速离心泵为研究对象,结合试验和数值模拟研究方法,研究高比转速离心泵不同空化阶段内流场特性和压力脉动等变化规律,分析空化初生判定方法的准确性。主要研究内容以及获得的主要结论如下:1.基于标准K-ε湍流模型及Kunz空化模型,分析离心泵不同空化阶段的内流场,分析随空化发展,不同监测点时频域变化规律,以及泵体振动等现象,对比分析不同湍流和空化模型对数值计算结果的影响。研究结果表明CFD数值模拟能准确预测离心泵性能,从未空化到空化出现的发展过程中,离心泵叶轮和出口处的涡核明显增多;低压区不断从叶轮进口向出口沿着径向扩散;离心泵各压力脉动监测点幅值也发生明显降低,并且隔舌处脉动幅值最大。2.搭建高速摄影试验台,采用高速摄影拍摄方法进行空化初生判定。研究表明,当空化数降到0.478时,可以观察到叶轮流道中出现了少量空泡亮点,将此点定义为高速摄影空化初生点。此时临界空化数为0.478,大于传统能量法定义的临界空化数0.425,说明当离心泵内开始出现空化时,离心泵外特性曲线并没有受到空化影响。利用高速摄影拍摄进行空化初生的判定早于传统方法的判定。3.在空化性能试验、高速摄影试验的同时,同步采集出口压力脉动。通过对脉动信号傅里叶变换分析发现,汽蚀信号主要集中在0~1000Hz区间,空化发生时的脉动幅值相比于未空化会有明显降低,高频成分也随之增多。对比额定工况下五种判定方法,临界空化数大小依次为小波能量法(σ=0.486)、脉动法空化初生点(σ=0.483)、高速摄影法(σ=0.478)、数值模拟(σ=0.425)、传统判定方法(σ=0.423)。4.对比傅里叶变换和小波变换的特点,对不同空化阶段脉动数据从阈值选择、信号重构、去噪等方面进行小波分析。对数据进行六层小波分解,将频域划分到不同频域段内,并求解每层的特征能量值,发现随着空化的出现,不同频率段的幅值及对应的能量特征值都会有明显变化,其中Ea6、Ed5和Ed6特征能量值升高,额定工况下分别上升38.7%、14.2%和58.1%,其他流量工况规律相似。所以根据小波分析的能量变化幅值来判定空化初生具有可行性。5.以高速摄影空化初生判定结果为基准,对文中采用的传统试验方法、高速摄影方法、脉动试验方法、数值模拟以及小波分析等五种不同初生判定方法精度进行了对比,发现不同方法对应的相对误差值和空化数都不同。数值模拟方法和传统方法两者误差相近,是五种判定方法中误差较大的,其余三种方法相对误差都在5%以内。同时结合五种方法的初生空化数对比,确定小波分析为空化信号数据的分析处理方法。以空化压力脉动数据为基础的小波分析可以为高比转速离心泵空化诊断做出提前预判。