自“十二五”以来,深海天然气田开发受到国家重视,天然气在世界能源消耗中的占比逐渐上升,成为三大化石燃料之一。液化天然气是世界公认的清洁能源,具有节能、环保、可靠和经济效益高等优点。LNG潜液泵是海洋工程装备中最核心的动力装备,决定了液化天然气的稳定生产与安全运行。上世纪60年代,潜液泵技术开始运用于液化天然气领域,与电机外置式的泵相比,潜液泵的设计更加安全。此外,由于全部组件都是浸没在液体中的,能够达到很好的隔音效果,潜液泵的工作噪声非常小。由于上述诸多结构优点,潜液泵已被应用于几乎所有的LNG接收终端。液化天然气的输送流程中,LNG潜液泵输送的液态天然气温度通常在-163~-120℃。由于泵机组长期在深冷工况运行,潜液泵内极易出现汽蚀现象,这对潜液泵的空化性能提出了较高的要求。为了提高潜液泵抗汽蚀性能,在潜液泵首级叶轮前添加诱导轮是主要方法之一。本文以三维翼型和LNG低温潜液泵诱导轮模型为研究对象,通过理论分析、数值模拟、外特性实验和高速摄影实验对空化流动机理进行了较为系统的研究,本文主要研究内容如下:(1)针对三种常用湍流模型(k-ε、RNG k-ε以及SST k-ω),基于滤波器模型与密度修正方法对三种湍流模型进行修正。采用修正前后的湍流模型对不同水温度下绕NACA0015翼型进行单相与气液两相数值计算,并与实验结果进行对比分析。模拟结果表明,空化状况下,修正的k-ε模型消除了湍流尺度的影响,三种温度下,修正的RNG k-ε均方根误差与最大偏差较小,低压区范围、空穴尾部闭合区域逆压梯度、空泡发展规律与实验结果较为一致。同时,修正的RNG k-ε揭示了空化随温度变化规律:随温度升高,蒸汽体积分数下降,空化强度减弱,空穴面积减小,空穴尾部闭合区域逆压梯度变小,汽液界面变得模糊,体现出较好的修正效果。(2)针对三种不同蒸发、凝结系数的空化模型(Schnerr-Sauer、Merkle以及Kubota)对不同温度液氮绕Hord翼型进行空化数值计算,并与实验结果进行对比。通过对比分析均方根误差、最大偏差以及翼型上表面压力系数分布,Merkle模型计算结果与实验结果较为一致,误差相对较小,在低温环境下适应性较强。为减小计算误差,以Merkle模型模拟得到的翼型上表面压力与实验值之间的均方根误差、翼型上表面温度与实验值之间的均方根误差为目标函数,以蒸发、凝结系数为设计变量,采用最优拉丁超立方进行取样,结合径向基神经网络模型与多岛遗传算法对蒸发、凝结系数进行系统优化。同时,低温环境下考虑热力学效应影响,对优化的Merkle模型饱和蒸汽压力项进行修正。相比原Merkle模型,修正的Merkle模型模拟结果表明空化核心区域压力下降,空穴长度缩短,空化核心区域蒸汽体积分数下降,且液氮温度越高,空化核心区域压力下降程度越大,空穴长度缩短程度越大,空化核心区域蒸汽体积分数下降程度越大,热力学效应影响程度越明显。(3)以常温水和温度为-163℃的液化天然气为介质对诱导轮进行了空化流数值计算。模拟结果表明,在不同介质下,诱导轮空化发展规律一致:空泡首先出现在诱导轮吸力面进口外缘处,形成回流涡空化,并在管壁处破裂;随着空化数的降低,空泡进一步发展,在主流作用下向诱导轮内部扩散,形成片状空化,并在诱导轮内部破裂;空化数低于临界空化数,空泡充满整个流场,呈不对称分布,并引起振动、噪声,严重影响诱导轮运行,叶片无法做功。由于诱导轮低压区位于吸力面进口外缘处,高压区位于压力面进口外缘处,压差造成的泄漏流与主流作用形成回流,回流在低压区空化形成泄漏涡空化。以液化天然气为介质时,在相同空化数下,相比原Merkle模型,修正的Merkle模型模拟空化核心区域空泡体积分数减小,空化面积减小,空化强度减弱,且随着空化数的降低,空化强度减弱程度越大,热力学效应影响越明显。为提高诱导轮抗汽蚀性能,基于Isight多目标优化平台,以诱导轮临界空化数为目标函数、扬程系数为约束条件,结合径向基神经网络模型与多岛遗传算法对诱导轮叶片进口角、叶片出口角进行系统优化。(4)通过以水为介质的外特性实验,验证了数值计算的可靠性以及对比分析了潜液泵在无诱导轮、带原诱导轮、带优化的诱导轮情况下对潜液泵空化性能影响。通过高速摄影实验,揭示了潜液泵诱导轮汽蚀发展规律、不同时刻下诱导轮空泡脱落过程以及不同工况下诱导轮汽蚀程度。准确预测了潜液泵在以液化天然气为介质时,热力学效应对其空化性能的影响程度。相关研究成果为LNG低温潜液泵的设计优化提供了理论支撑。