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本文在江苏省自然科学基金“离心泵叶轮进出口回流的生成机理及流动规律”(编号:BK2009218)和国家自然科学基金“离心泵内部非定常流动诱导振动和噪声机理研究”(编号:50979034)的项目支持下开展工作。
高速离心泵具有扬程高、结构紧凑、可靠性好等优点，在石油化工、航天领域得到了广泛应用。随着转速的提高，高速泵比普通离心泵更容易发生空化，因此对高速泵空化性能的要求也越来越高。
目前，对高速离心泵优化设计、数值模拟、振动方面的研究较多，而对小流量下空化性能的研究较少。高速离心泵在小流量工况下运行时，叶轮进口存在回流，该处的局部压力会低于液体汽化压力，造成初生空化，进一步发展成为强烈的低频空化。本文采用仿真软件CFX进行数值模拟，对IN-32-32-100高速泵的空化特性进行了理论分析及试验研究，主要研究内容和成果如下:
1.总结了小流量工况下空化的国内外发展现状，及在空化性能诊断、预测方面的研究进展。对离心泵的空化理论进行了分析，指出了在空化研究中存在的不足之处。
2.本文采用加大流量设计法设计了两种叶轮:6叶片叶轮方案和4长4短带分流叶片叶轮方案，并以此为研究对象进行研究。应用CFX对多工况下运行的高速离心泵进行数值计算，预测其性能并分析空化与回流的关系。
3.采用进口总压、质量流量出口的边界条件进行空化性能数值模拟，分析小流量工况下叶轮内部的速度、压力场分布，以及发生空化时流道内空泡体积的变化规律。研究表明:随着进口压力的降低，泵流道内的空泡体积分数逐渐增大，在叶片进口位置首先聚集，沿着半径方向，体积分数逐渐降低。6叶片的叶轮方案比4长4短带分流叶片的叶轮方案空化性能好。
4.在定常空化计算的基础上，用CFX进行非定常空化计算，考虑了时间对空化的影响，对高速离心泵进行小流量工况下的空化性能数值模拟。结果表明:不同时刻空泡在流道中体积分数不同，空泡具有从初生到发展以及溃灭的周期性变化规律。
5.搭建高速泵的空化性能试验台。对带分流叶片和不带分流叶片叶轮方案的高速离心泵进行空化性能试验，验证CFX模拟的准确性。采用调节入口阀门的方法使高速泵叶轮进口处的压力减小，使其发生空化。结果表明:试验结果得到的两种叶轮方案的临界空化余量分别为3.2m、3.55m，数值模拟与试验结果值接近，可准确预测到高速泵小流量工况下的空化演变过程。