水力机械内局部压力过低产生的空化现象,会导致内部流动变得复杂、紊乱,降低水力效率的同时,还会影响水力机械的正常运行和使用寿命,因此如何避免或降低空化发生的可能性以及实现对空化的有效控制就显得尤为重要。本文以低比转速离心泵中的叶片前缘空化为研究对象,借助理论、试验和数值计算三种方法来研究小流量工况下离心泵内部空化发生发展、空化内流特性;设计流量下叶轮后盖板布置小叶片抑制空化及其对离心泵空化性能与内部瞬时流态的影响;在验证了小叶片对空化产生抑制效果的基础上,改变小叶片的几何参数,包括位置、长度和宽度系数,研究并确定使得小叶片抑制空化效果最佳的各参数系数。本文主要研究内容和创新性成果如下:1.简要介绍了空化产生机理和空化研究现状。概括总结了水力机械领域中常见的空化控制方法,主要包括提高叶轮进口压力(增压泵或诱导轮)、修改叶轮进口几何参数(很难与效率同时兼得)以及叶片控制技术(叶片头部安装凸起)三大类。2.详细介绍了计算流体动力学数值计算方法的主要步骤。简要梳理了离心泵外特性能和空化试验的基本步骤,同时在甘肃省流体机械及系统重点实验室闭式试验台上完成了设计流量下外特性试验和空化性能试验。试验所得外特性曲线在小流量下存在驼峰现象,整体变化趋势与数值结果相吻合,由此验证了数值计算的可行性和湍流模型的适用性。空化试验结果与其模拟值发展趋势基本一致,但在数值上存在一定偏差,这是因为试验无法完全达到与数值模拟相同的环境和条件。3.完成小流量工况下的空化流非定常数值模拟,分析了该流量下离心泵内空化流特征和非定常瞬态特性。研究发现:受叶轮与蜗壳间动静干涉作用的影响,靠近隔舌的叶轮流道内产生了与叶轮旋转方向相反的漩涡。随着空化的发展,叶轮进口和出口处的回流现象加剧,空泡尾迹区产生了与叶轮旋转方向相同的漩涡;空化严重阶段,空化对流动的影响已超过了小流量工况本身的不稳定性以及动静干涉作用;小流量下由于逆压梯度较大,叶片工作面易出现流动分离,因此压力脉动最大幅值位于叶轮出口监测点处。4.本文提出一种在离心泵叶轮后盖板布置小叶片抑制空化的新方法。小叶片是在原型叶片的基础上,减厚降高设计的,与原叶片数量相同,呈交错布置。分析发现:小叶片能够降低叶轮内湍动能强度和空泡体积,优化流场结构,从而提高低比转速离心泵的空化性能。在此基础上,展开了对叶轮后盖板加小叶片控制空化的反问题研究,包括小叶片位置、长度和宽度系数。通过非定常数值计算,从压力、流线分布、Q分布云图、空泡体积及其增长速率、压力脉动主频幅值等角度较为全面的分析了小叶片各参数变化对离心泵空化性能的影响及其抑制空化效果。研究结果表明:不同位置、长度、宽度的小叶片对离心泵扬程基本无影响,但可适当提升各流量工况下的效率值;小叶片均可不同程度的提高空化断裂扬程;有效限制叶轮内低压区面积扩大,缩小Q正值区域并降低了Q分布的绝对值;缩减空泡体积但会增加比原型更快的增长速率,对空化具有抑制效果的同时还可大幅降低叶轮和蜗壳内各监测点的压力主频幅值。小叶片实现空化控制效果的机理可解释为:小叶片类似于分流叶片对流体做功,其导流、引流和分流作用能够有效减少叶片背面上的流动分离,抑制了压力面空泡的发生,并对吸力面空泡产生扰动,削弱了叶片背面的漩涡强度,降低了能量耗散和湍流流动损失,因此对空化产生了一定的抑制作用,一定程度上改善了离心泵的抗空化性能。最终得到了具有较好抑制效果的小叶片无量纲几何参数,即小叶片位置位于叶轮半径35%处的轴面流线中心处,长度系数为0.5,宽度系数为0.5。