离心式上充泵是核电站一回路中化学和容积控制系统的重要组成部分，安全级别为核Ⅱ级。它负责给反应堆冷却剂系统供给上充水流，保持稳压器的正常液位，为核主泵的密封提供必需的冷却水。上充泵技术规范中对空化性能有明确要求，空化性能直接影响到核电站的安全运行。因此，对上充泵空化性能进行优化设计和内部流场分析具有重要的意义。　　本文以专门研发的离心式上充泵首级样机为研究对象，基于多工况水力设计方法以及低比转速离心泵设计理论，初步设计了上充泵首级叶轮水力模型，并设计了吸水室和蜗壳。通过对吸水室结构、首级叶轮叶片数、包角和冲角等的优化，提高了泵的空化性能和水力性能。对上充泵空化状态进行了细分，并对不同的空化状态进行了非定常数值模拟，得到速度波动、压力脉动时域图和频域图的规律。对上充泵首级样机进行了试制和试验，验证了数值计算结果。主要内容如下:　　1.查阅大量资料，在应用传统离心泵叶轮水力设计方法的基础上，结合离心泵多工况水力设计方法和低比转速离心泵设计方法，初步进行了离心式上充泵首级叶轮的水力设计，并设计了吸水室和蜗壳。　　2.使用Pro/E软件完成上充泵首级样机水力部件的三维建模，并用ICEMCFD软件进行了非结构网格划分。　　3.以商业软件ANSYS-CFX和Origin为主要分析和后处理工具，基于SSTk-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型，对吸水室结构、叶轮叶片数、包角和冲角等进行优化。主要结论:上充泵是低比转速泵，但是为了同时提高效率和空化性能，叶轮采用扭曲叶片设计方法进行设计;在环形吸水室中加隔板，把水流分成均匀对称的两股，既可以减小进口预旋，又可以降低流动分离，达到同时提高泵效率和空化性能的目的;叶片数经过优化计算选择4片，既能保证空化性能，又有效提高了扬程和效率;包角和冲角对扬程和汽蚀性能都有一定的影响，经过计算选择了最合适的包角和冲角。　　4.将上充泵中的空化细分成5个阶段，分别是初生空化、发展空化、临界空化、严重空化和断裂空化，并对不同空化状态下的上充泵内部流场进行了定常和非定常数值模拟，得出以下结论:从初生空化到断裂空化，叶轮内汽泡数量迅速增加，同时沿径向不断向叶轮出口处延伸，堵塞流道，最终使扬程明显下降;初生空化时的叶轮和蜗壳内速度波动和压力脉动与正常情况相似，主要由叶轮和蜗壳动静干涉引起;断裂空化状态下，空化成为控制叶轮和蜗壳内速度波动和压力脉动的主要原因;叶轮和蜗壳内速度波动和压力脉动最为紊乱的阶段既不是初生空化阶段，也不是断裂空化阶段，而是发展空化到严重空化之间的状态;这段空化状态内由于空化和叶轮蜗壳动静干涉的共同干扰，叶轮和蜗壳内的速度波动和压力脉动呈现明显的不规律性。　　5.在开式试验台上做了上充泵首级样机的水力性能试验和空化试验。上充工况扬程的模拟值和试验值绝对误差为5.1％，最大流量工况绝对误差为2.9％。首级叶轮满足多工况运行需求，并具有无过载特性。最大流量工况空化余量的模拟值和试验值绝对误差为3.6％，达到了上充泵首级叶轮空化性能技术规范的要求。对其它四个工况点也做了空化试验，表明上充泵首级叶轮在全工况内都满足稳定运行要求。