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随着全球气候日益变暖,世界各地极端气候灾害频发,对于救灾抢险设备的性能提出了更加严格的要求。自吸离心泵作为抗洪抢险的核心设备,在防汛抗洪等领域发挥着重要的作用。然而,传统自吸离心泵流量小、内部结构复杂、自吸性能差。而大流量离心泵难以进行自吸启动,且首次启动需要对泵腔内进行灌水,操作繁琐,大幅增加了启动时间,无法满足应急救灾环境下迅速启动的要求。因此,本文在国家科技支撑计划课题的资助下,创新地提出一种新型大流量快速启动自吸离心泵,通过理论分析、数值模拟与试验研究相结合,对大流量快速启动自吸离心泵的设计理论、熵产损失、自吸性能以及非定常特性进行了系统的分析,研究成果已在工程实际中得到了应用,本文主要研究内容与取得的创新成果如下:1.提出一种新型大流量快速启动自吸离心泵结构形式,创新地设计出射流卷吸系统,该系统由一级自吸喷嘴、二级自吸喷嘴、连接套筒、逆止阀组成。通过不断向射流卷吸系统中输送高速射流,经过两级自吸喷嘴的连续降压后,迅速将泵腔内的空气卷吸排出,使得大流量自吸离心泵能够在泵腔完全无水的条件下启动;创新地提出了传动离合器装置,实现了空压机与机组轴在自吸过程中同步运转,而自吸结束后迅速脱离的功能,有效降低了泵运行过程中的能量损耗;揭示了大流量快速启动自吸离心泵在启动过程中不同阶段的自吸机理。通过试验验证,该泵流量可达到500 m~3/h、扬程为45 m、效率为73%,5 m自吸高度下自吸时间仅为62.5 s,提高水力性能的同时,显著缩短了自吸时间。2.通过对大流量快速启动自吸离心泵进行瞬态数值计算,着重分析了叶轮子午型线对内部流场非定常特性的影响规律。研究表明后盖板曲率的增加不仅可以有效抑制流场内的回流,改善内部流动规律,并且能够显著提高大流量快速启动自吸离心泵叶片表面载荷,对内部流场的做功能力具有明显促进作用。随着后盖板曲率不断提升,叶轮出口处速度分布较为均匀。各流量工况下的压力脉动幅值与径向力逐渐减小,水力效率得到显著提升。最终,通过分析测量误差与试验验证,得到数值计算结果和试验结果之间的误差低于3%,在误差允许范围内,有效地提高了优化设计的准确性。3.基于涡动量输运方程与熵产理论,分析不同叶片厚度分布下流场内部涡结构形态及能量损失机理。研究发现叶片厚度分布不同,在叶片表面会形成不同程度体积和强度的边界层分离泡,通过Q准则构建大流量快速启动自吸离心泵中涡的空间结构,并根据涡三维结构和形态进行分类。其中,叶轮流道内所生成的叶片出口涡强度最高且较为紊乱,呈现空间扭曲状态。为此,引入涡动量输运方程分析内部涡的形成机理,研究发现涡粘性扩散量在边界层分离中起着至关重要的作用,是导致叶片出口涡产生,破坏大流量快速启动自吸离心泵流动稳定性的主要因素。与此同时,为了能够精准捕捉大流量快速启动自吸离心泵内部能量损失的大小、类型及分布,引入熵产理论研究叶片厚度分布对能量损失特性的影响。通过对比发现,采用递增型叶片厚度分布形式,不仅可以在小流量工况下改善叶片出口边的边界层分离,并且能够在大流量工况下避免由于叶片进口边较厚时所产生的冲击损失,有效提升了各个流量工况下大流量快速启动自吸离心泵的能量转换率。4.通过耦合群体平衡模型与双欧拉模型,并加载气泡破碎与聚并模型进行两相流模拟,研究大流量快速启动自吸离心泵在多种尺寸气泡共存环境下气液两相流的运动规律,有效对气泡间相互作用微观机理进行阐述。研究发现,受叶片出口涡影响,气泡聚并能力增强,在靠近前盖板的过程中大尺寸气泡分布不断增多,但在叶轮流道内的分布不均,从而导致叶轮径向力存在明显偏心。同时,随着含气率的增大,加剧了各气泡群组间碰撞频率,破环了两相流内部流动稳定性,从而引起径向力偏心现象进一步恶化。然而,随着流量的增加,内部流场得到有效改善,对于降低气液两相流的压力脉动以及叶片表面载荷具有显著促进作用。5.搭建不同高度的自吸性能试验台,选取大流量快速启动自吸离心泵自吸喷嘴几何参数进行试验优化,首先采用正交试验与灰色关联法相结合,得到各几何参数对自吸时间的影响权重。为了验证各参数之间是否存在交互作用,采用全因子试验法对结果进行验证,分析各参数主效应以及二阶交互作用对自吸时间的影响。基于所有参数变量及其交互作用建立自吸性能模型,去除对自吸时间响应不显著的变量进行模型简化,简化后的模型误差降低了9.4%。该模型的提出可以有效对不同自吸喷嘴的自吸时间进行预测,缩短了试验分析周期,大幅降低了加工与生产成本,为大流量快速启动自吸离心泵自吸喷嘴的优化设计提供了参考。