随着经济社会的不断发展，城市污水处理用泵的需求量每年均在增加，污水轴流泵作为污水处理用泵的一种类型也具有较大的需求量，目前轴流泵中绝大多数的叶轮设计都是以清水介质为前提的，这样的设计会使泵在实际工作中，叶轮部件磨损严重，叶轮上容易缠绕异物并引起流道堵塞等问题。因此为了适应实际输送污水介质的要求，现有的轴流泵叶轮需要进行重新设计和修改。　　本文是在国家科技支撑计划项目“高效环保用泵关键技术研究及工程应用（项目编号2011BAF14B01）”等的资助下完成的。本文采用南水北调工程中编号为TJ04-ZL-02轴流泵叶片的同比例缩放模型为原型叶片，研究分析了叶片后掠和后掠角度对叶轮内固液两相流的影响，应用PIV试验技术对叶轮内流场进行了试验研究，并且使用高速摄影技术对棉线在叶轮内的运动情况进行了研究，验证了后掠叶轮具有良好的防缠绕性能，主要的研究成果和结论如下:　　(1)在只改变叶片进口边后掠角度而其他因素都不改变的条件下，本文设计了后掠式叶轮结构，并使用CFX有限元分析软件分别对原型叶片和后掠角度为40°、65°、90°后掠叶片的轴流泵流道进行了全流场固液两相流数值模拟。数值模拟结果表明:叶片后掠角度越大，叶片压力面上固相体积分数越小;叶片后掠角度越大并且叶轮流场内固相的径向流动越明显，固相颗粒就越难撞击到叶片压力面上，反之固相颗粒则越易撞击到叶片吸力面上;颗粒直径越大，后掠叶片压力面上固相体积分数越大，而叶片吸力面进口边靠近轮毂处的固相体积分数增加;颗粒初始体积分数越大，后掠叶片压力面上固相体积分数减少，叶片吸力面上固相体积分数增加。叶片后掠可大幅降低叶片压力面的磨损，提高了轴流式叶轮在污水介质中的使用寿命和运行可靠性。但同时可以发现，随着叶片后掠角度的增加，泵的扬程和效率都随之降低。　　(2)在相同工况点的条件下，设计了40°和60°后掠叶轮，这两个叶轮的扬程曲线和效率曲线基本相同，效率较高，其设计工况点的效率能够达到79％左右，但是因为其扬程出现驼峰区域，所以导致后掠叶轮的高效区范围并不大。60°后掠叶片上的固相体积分数要小于40°后掠叶片上的固相体积分数，但是并不是十分明显，同时都优于原型叶片。随着颗粒直径的增加，60°后掠叶片上的固相体积分数随之增加，并且叶片压力面上固相的径向流动趋势越明显而轴向流动趋势越不明显，径向流动越明显则叶片压力面上固相体积分数应该随之减少，而轴向流动趋势越不明显则叶片压力面上固相体积分数应该随之增多，所以在颗粒直径增加的情况下，颗粒的轴向流动趋势是后掠叶片压力面上固相体积分数的主要因素。叶片吸力面上，在靠进口边轮毂附近区域，颗粒的轴向运动和径向运动都很显著，所以此处的固相体积分数也较大。随着颗粒浓度的增加，60°后掠叶片上的固相体积分数随之增加，叶片压力面上固相的径向流动越不明显，而固相的轴向流动越明显，轴向流动明显会使得叶片压力面上固相的体积分数减少，所以后掠叶片上固相体积分数增加的幅度明显小于颗粒浓度增加的幅度，颗粒浓度越大，颗粒浓度对后掠叶片压力面上固相体积分数的影响越小。　　(3)通过PIV测试手段，分别分析了在0.8Qopt，1.0Qopt，1.2Qopt三个工况下，40°和60°后掠叶轮在一个流道周期的12个拍摄端面上的速度场。在0.8Qopt的小工况下，后掠叶片作用后的流体具有明显的径向流动趋势，流量越小径向流动趋势越明显，并且在相同工况点下，随着后掠角度的增加，径向流动趋势越明显。后掠叶片叶轮内的流体在叶片进口边区域和转轮室内壁面容易出现低速区域，并且流量越小低速区域越大，在靠近轮缘附近，叶片进口边附近压力面上流体会向吸力面流动，流量越小该现象越明显。40°后掠角叶轮和60°后掠角叶轮内流体流动的现象较为相似，叶轮内低速区域的位置和流体从叶片压力面向吸力面运动的现象也都基本相同。在小流量工况下，进口边靠近轮缘区域的液体会发生回流现象从叶片压力面向吸力面运动，这是因为叶片后掠，致使流体在进入后掠叶片时，会有一定的径向速度，而在小流量工况下，转轮室内壁面附近流体的轴向速度较小，出现低速区域，而径向流动明显，所以流体在轴截面上的轴面速度与轴向夹角大于叶片进口边的轴面投影图和轴向的夹角时，流体就会从叶片压力面向吸力面流动，随着流量的增大，叶轮内流体的轴向速度也会增加且径向流动趋势减小，所以该现象得到减弱直至消失。　　(4)通过高速摄影的手段研究了单个棉线在60°后掠叶轮内的流动情况。对于单个棉线，后掠叶轮内棉线不同的位置和叶片进口边接触会有不一样的流动情况，当棉线的前端受到叶片进口边的作用时，随着叶轮的旋转棉线的后端部分会继续向前运动，而棉线前端则没有变化，这使得棉线悬挂在进口边上，叶轮继续旋转，棉线后端部分继续向前运动并最终带动棉线前端脱离叶片进口边，最后以螺旋状的运动形式远离叶轮。当棉线的后端受到叶片进口边的作用时，棉线容易悬挂在进口边上，并且随着叶轮的旋转棉线会沿着进口边向轮缘处移动，并最终脱离进口边。叶轮转速越快，悬挂在叶轮进口边上的棉线沿着进口边向轮缘处移动的速度会更快。为了使缠绕试验更加符合轴流泵内的运行情况，将叶轮套上套筒并将大量棉线加入容器中，经过多次试验可以发现，当容器内棉线浓度较低时，棉线能很好的通过叶轮，并且叶片进口边上没有缠绕。而当棉线浓度很大时，并且存在团簇装的棉线时，因为叶轮轮缘和套筒间的间隙只有0.5mm，所以团簇状的棉线会堆积在靠近轮缘处的叶片进口边上，并且进口边上的棉线会越来越多，影响叶轮的运行。