轴流泵具有提水量大、适用扬程低和结构相对简单等优点,被广泛应用于广大平原和低洼地区跨流域调水、灌溉、排涝和市政工程的低扬程泵站中。在进行轴流泵设计时,通常假定叶轮进口水流无旋,但由于受到现场安装和运行条件的限制,大部分泵站的轴流泵进口都存在进水漩涡。由于进水漩涡在进入叶轮前就已经产生,不仅会引起叶轮进口流态紊乱,使泵装置效率下降、噪声增加,严重时还可能吸入气体,甚至造成机组不能运行。因此,消除或减轻进水漩涡对轴流泵的危害,有利于实现泵机组安全、稳定和高效运行的设计目标,而继续研究进水漩涡与轴流泵之间的相互作用关系是消除进水漩涡所带来危害的必要前提。为了研究进水漩涡在轴流泵内部的传播和演化过程,揭示进水漩涡与高速旋转叶轮内流场之间的干涉规律,建立起进水流态与轴流泵装置性能之间的联系,本论文采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合研究方法,对轴流泵及泵装置在有、无进水漩涡条件下的流动现象及水力特性进行研究。通过能量试验得到进水漩涡对轴流泵及泵装置外特性的定量影响,采用高速摄像机追踪记录了进水漩涡在叶轮进口的行进和演变过程,借助非接触式的LDV流场测试技术对比分析了进水漩涡对流场的扰动情况;最后通过数值模拟研究了进水漩涡条件下的轴流泵及泵装置内部三维非定常流动特性,对比分析了不同涡识别准则在旋转叶轮内的适用性。获得的主要成果如下:1.阐明了轴流泵叶轮进口流态均匀的重要性,检验并修正了进水流态评价标准。以带有肘形进水流道的立式泵装置和带有竖井进水流道的卧式泵装置为研究对象,分别将相同尺寸的进水流道剖分成三种不同尺度的网格,并检验叶轮进口的轴向流速分布均匀度、速度加权平均角和进水流道水力损失等常用评价指标对网格尺度的依赖性。结果表明,当前常用的轴向流速分布均匀度公式对网格依赖性强,修正后的公式极大地降低了对网格尺度的依赖;进水流道网格尺度会影响叶轮叶片头部的压力分布;在工程应用中的进水流道也应该剖分足够细密的网格以更准确的反映细部流动。2.提出在叶轮进口安装漩涡发生器来产生可以相对稳定进入叶轮的进水漩涡,并进行了有、无进水漩涡条件下的轴流泵能量特性试验和叶轮进口及叶轮内的流速场测试试验,通过高速摄像机记录了不同工况和不同时刻进水漩涡在叶轮进口的形态及演变过程。轴流泵模型试验结果表明,安装漩涡发生器后的外特性曲线相对于安装前均整体向下偏移,相同尺寸的漩涡发生器会使较高转速时轴流泵的能量性能下降更严重。漩涡发生器可以在叶轮进口诱导产生扰乱流场的进水漩涡,进水漩涡可以较稳定地进入叶轮。漩涡发生器对流场的扰动能力与流量工况密切相关,流量越小,对流场的扰动越弱;但小流量的进口回流与漩涡发生器的扰动会相互作用,在不同的位置,诱导漩涡既有可能抑制回流,也有可能促进回流。不同转速时,进水漩涡附近的水流不符合相似律。3.开展了有、无进水漩涡条件下轴流泵内部三维流动定常和非定常的数值模拟,补充了模型试验研究进水漩涡在叶轮内演变的不足。数值模拟结果表明,由漩涡发生器产生的进水漩涡与进水池中附底涡在形态和压力梯度分布特点上均具有较好的相似性,通过在叶轮进口安装漩涡发生器来研究进水漩涡与轴流泵叶轮的相互作用关系是可行的。Q准则和Liutex准则在叶轮内的涡识别结果十分接近,由Q准则得到的涡形态更光滑、平顺,但对阈值的变化不敏感,而Liutex准则可以减少叶片表面处的剪切污染,还可以同时识别到强涡和弱涡。进水漩涡进入叶轮后迅速被旋转的叶片切断,且切断后的漩涡强度逐渐减弱;进水漩涡与叶轮相互干涉,当监测点处的进水漩涡速度方向与主流运动方向一致时,对该点处的水流有促进作用,当监测点处的诱导进水漩涡速度方向与主流运动方向相反时,对该点处的水流有抑制作用。数值模拟结果的准确性得到了模型试验外特性和内流场的双重验证。4.分析了进水漩涡对轴流泵装置整体性能及各过流部件水力性能的影响,建立了进水流态与泵装置整体性能之间的联系。通过轴流泵装置模型试验外特性结果和压力脉动试验结果分别验证了数值模拟定常计算和非常计算结果的可靠性。通过改变漩涡发生器径向尺寸,诱导产生不同强度的进水漩涡,从而改变叶轮进口流场的紊乱程度。泵装置外特性受进水流态的影响明显,进水流态越差,相应的泵装置性能下降越严重,并且流量越大,进水流态对泵装置性能的影响越显著;进水漩涡诱导的压力脉动主要为低频,且存在与叶轮频率相同的脉动成分,表明进水漩涡与叶轮旋转作用相互干扰。