离心泵在现代社会中扮演着极其重要的角色,无论是人民日常生活和工农业生产还是关乎祖国安全的尖端技术领域,甚至是促进人体血液循环的人工心脏泵,都有广泛的应用。但是随着工业的进步,人们对离心泵的水力性能提出了更加严格的要求,离心泵的非稳定工况运行的水力性能引起了人们的广泛关注,因此本文针将对离心泵的启动过程以及小流量工况下的空化非定常流动机理展开研究。在本研究中,首先对不同启动时间下离心泵的启动过程进行非定常数值计算,获得了不同启动时间下离心泵的外特性和内流场的分布规律。其次,对小流量工况下离心泵空化的非定常流动特性展开数值模拟研究,获得了空化非定常演化特性以及空化-涡-压力脉动之间的相互干涉关系。论文的主要内容和研究结果如下:1.离心泵启动过程瞬态特性研究。为揭示离心泵启动过程中启动时间对启动过程瞬态特性的影响规律,本文利用ANSYS CFX中的CEL语言分别对启动时间为1s、0.5s和0.1s的启动过程进行数值计算。在离心泵启动过程的研究中发现,由于流体的惯性作用使得流量和扬程的上升滞后于转速的增长,并且随着启动时间的减少滞后现象愈加明显。由于在启动初始阶段,叶片瞬间启动给予静止流体施加较大的压力冲击,并且此时体积流量较小,使得无量纲扬程出现极大值。在内流场方面,随着启动时间减小,叶轮流道内旋涡面积迅速增大,并且存留时间加长。而当加速时间减小至0.1s时,蜗壳流域内也出现了大面积的旋涡结构,直至叶轮转速达到额定值时叶轮流道内仍有大面积旋涡结构。旋涡结构的产生和消失消耗了大量的能量,因此造成扬程和流量滞后于转速达到额定值。2.基于气泡旋转修正的Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型有效性和准确性验证。考虑到离心泵叶轮旋转过程中叶片剪切力作用以及湍流流动对空化泡尺寸的影响,对原始的ZGB空化模型中空化泡半径进行了修正,空化泡半径由原来的经验常数修正为随叶轮转速和几何特性而变化的函数。为验证基于气泡旋转修正的ZGB空化模型(BRZGB)对于求解离心泵空化流动的有效性和准确性,分别利用ZGB和BRZGB空化模型对离心泵的空化性能曲线进行计算。对比结果表明,利用BRZGB空化模型计算得到的离心泵空化性能曲线相较于原始空化模型与试验测量结果吻合程度更高。3.离心泵小流量工况下空化的时空演化特性研究。为了揭示小流量工况下离心泵叶轮流道内空化流场的非定常演化特性,本文利用BRZGB空化模型对严重空化工况下(NPSHA=1.01m)离心泵内空化流场进行三维非定常计算。研究发现,叶轮流道内的空腔形态呈周期性演化,演化过程主要分为发展、脱落和溃灭三个阶段,且演化频率为4fi(fi为叶轮旋转频率)。周期性演化过程主要发生在空腔尾部,并揭示了空腔尾部脱落的主要是由于该区域的对旋涡造成的。4.离心泵叶轮流道内空化-涡-压力脉动相互干涉研究。利用BRZGB空化模型分别对无空化(NPSHA=5.65m)、初生空化(NPSHA=1.59m)、临界空化(NPSHA=1.19m)和严重空化(NPSHA=1.01m)四个工况下的流场进行非定常数值计算,并对空化、涡以及压力脉动之间的相互干涉机理进行研究。研究发现,各个空化工况下涡量高值区主要分布于空腔头部位置汽液交界面处,并且随着空化发展而逐渐扩张,而当空化发展至严重空化工况时空腔脱落位置处出现涡量高值区。进而引入涡量输运方程对空化与涡之间的干涉机理进行深入分析,研究表明涡拉伸项和膨胀项在空化与涡之间的相互干涉中起主导作用。利用均方根的方法定义压力波动强度系数对空化引起的压力波动进行分析,研究表明在无空化和初生空化工况下叶轮流道内的压力波动强度分布基本相同,且每个流道内的压力波动强度均呈现均匀分布状态。随着空化进一步恶化,由于空化尾部的周期性演化使得在叶轮流道内靠近叶片吸力面侧出现大小不一致的压力波动强度高值区。该现象将导致叶片径向力分布不均匀,进而引起泵的运行不稳定性。