轴流泵广泛应用于大中型调水工程、核电工程、喷水推进、武器发射装置等国家战略性工程。由于叶顶间隙的存在,轴流泵外缘常出现叶顶泄漏流及其空化现象,导致机组效率降低。本文以三维带间隙的水翼和某一轴流泵模型为主要研究对象,利用数值模拟和试验并重的研究方法,探讨叶顶泄漏涡的三维结构和演化规律,掌握叶顶区空化的发展特性,揭示叶顶泄漏涡的空化机理,主要研究内容如下:(1)对于不同的叶顶间隙,发现在小间隙下叶顶泄漏涡发生卷吸更早,同时叶顶泄漏涡涡带与叶片吸力面的夹角更大。尽管在大间隙下泄漏涡初生发生延迟,但是在同一位置处泄漏涡的强度要比小间隙下的大。根据叶顶泄漏涡涡心的压力分布,发现越靠近前缘的区域,泄漏涡越容易发生空化。通过轴向速度和湍动能数据以及云图分布来分析间隙内的流场。从间隙进口到出口,轴向速度先加速到最大值,然后减速。从叶顶端面到壁面,泄漏流慢慢加速然后达到最大值。间隙内的湍动能分布也有类似的趋势。随着间隙的增大,泄漏流的速度更快,同时分离涡区域具有更高的湍动能分布。根据不同间隙下的瞬态涡量场分布可以看出,泄漏涡会与壁面和主流相互作用,在壁面附近产生反向旋转的诱导涡,并且与壁面相互作用。壁面边界层分离区域会被泄漏涡卷吸,分布在其涡心四周。此外发现,在大间隙下,叶片吸力面表面的高涡量也会被泄漏涡卷吸,为其运动提供能量。从湍动能生成和雷诺应力的分布可以看出,高湍动能生成主要分布在壁面分离区以及叶顶间隙内分离涡区域。在壁面分离区域,湍动能生成的主要机理与湍动能生成分量有关。除了叶顶泄漏涡涡心的等方性,其他区域的正应力都是非均匀的。总体而言,当一个正应力很大时,另一个就会很小。二次流的畸变项最大的单项为vw剪切应力,其次为正剪切应力项。(2)根据叶顶区的流线分布可以看出,随着流量的增大,叶顶前缘的压力差减小,叶顶泄漏涡的初生位置不断向叶顶中间弦长位置靠近。同时由于主流的增大,造成叶顶泄漏涡涡心轨迹更加靠近叶片吸力面。间隙内的流场在不同流量下总体趋势相同,都是沿着径向方向由主流变为叶顶泄漏流,轴向速度由正的变为负值,且增大到最大值,然后越靠近壁面速度会减小。在不同流量系数下,主要存在几个明显的特征:1)叶顶泄漏流快速地进入间隙内部,在压力边附近发生流动分离,然后会重新附着在叶顶端面处,且这个附着点会随着流量的增大不断向出口延伸,在大流量情况下会出现无附着现象。2)小流量下泄漏流的速度更大,导致叶顶泄漏涡轨迹更加远离叶顶。从叶顶间隙内湍动能的分布可以看出,随着流量的增大,发现分离涡区域的湍动能值逐渐减小,说明小流量下叶顶分离涡的强度最强。在小流量工况下,越靠近叶轮室壁面处,湍动能值分布较为均匀。而随着流量的增大,这个趋势逐渐往流道中间靠近,主要还是受到叶顶分离涡的影响。对比不同弦长系数下间隙内的流场分布,不管是主流速度还是泄漏流速度,都会随着弦长系数的增大而减小,由于叶顶前缘较大的压力差,使得更多的泄漏流快速地经过叶顶。在叶顶前缘,泄漏流几乎不出现附着现象,而随着弦长系数的增大,泄漏流的附着位置向进口方向靠近。说明在叶顶前缘,由于更强的叶顶分离涡,主流几乎占据了靠近叶顶端面处。而观察叶顶间隙内的湍动能分布,可以看出随着弦长系数的增大,叶顶分离涡的强度变小,主要由于叶顶前缘的压力差较大,导致分离涡更强。尽管在叶顶前缘处生成的分离涡强度更强,但是其对于近叶轮室壁面处的影响却很小。由于在大流量下工况下,叶顶泄漏涡的初生延迟,导致在同一弦长系数处泄漏涡涡心的涡量更大,压力更低。利用最小张量法则,能够判别出叶顶区最易发生空化初生的具体位置,发现间隙内的叶顶分离涡,叶顶泄漏涡以及叶片吸力面最易发生空化初生。通过对叶顶区不同涡量边界层的细致分析,总结了叶顶泄漏涡的三维卷吸结构,从而从数值模拟的角度验证了叶顶泄漏涡卷吸的空间结构。(3)从额定工况下叶顶不修圆叶轮的PIV结果分析得出,叶顶泄漏涡在叶片吸力面附近生成,与剪切层相连,同时在上游的壁面边界层内也产生涡量,泄漏涡在向相邻叶片的压力面移动时,其涡量先略微减小,然后吸收剪切层的涡量以及壁面边界层的涡量达到最大值,最后与剪切层分离,由于自身的运动的耗散,涡量逐渐减小,并且在其下游出现大量尾迹,影响了下游流场。(4)通过与SST k-w对比,发现基于密度修正的滤波器模型能够更好的模拟叶顶区空化流现象,且能够减小空化尾缘由于涡粘度过大导致的空穴无法脱落的现象。此外,对比RNG k-e和FBM模型,修正后的模型能够减少叶顶区的涡粘度,同时得到的泄漏涡涡带更加明显。利用修正后得湍流模型,得到了叶顶区空化的瞬态演变过程。随着空化数的降低,空泡面积不断增大,空化现象逐渐严重。通过高速摄影试验发现,小流量下叶顶区空化初生更早,且更加剧烈。叶顶泄漏涡的轨迹和从轮毂到轮缘的径向射流共同导致了片状空化尾缘靠近叶顶区的垂直空化涡的生成和发展。小流量工况下,垂直空化涡的角度更加垂直叶片表面。当向相邻叶片压力面运动时,垂直空化涡会被相邻叶片切断成为两部分,一部分直接作用在叶片压力面上,其溃灭会造成叶片表面流动失稳;另一部分会由于吸力面的低压而快速发展,加速了相邻叶片叶顶区的空化。随着流量的增大,垂直空化涡的强度会变弱,且其轨迹逐渐平行于叶片吸力面。通过数值模拟,发现了径向射流是由于轮毂涡的作用和主流的速度分量共同造成的,其中轮毂涡是主要因素。相比于3叶片,由于流道的宽度和叶片载荷的不同,导致4叶片内垂直空化涡有不同的现象。在向相邻叶片压力面移动的过程中,垂直空化涡会向相邻叶片间隙内提供空化核,导致相邻叶片空化的加重;同时随着流量的增大,垂直空化涡甚至会和下一叶片的尾缘空化产生交互作用。尽管叶顶压力边导圆可以大大较少间隙空化,但是却会导致泄漏涡空化更加严重,使得叶顶区空化初生现象更早。一旦垂直空化涡形成占据了流道,将会造成流量的减小,叶顶尾缘间隙空化的消失。叶顶导圆后,垂直空化涡的强度更强,而在不导圆的叶片中,垂直空化涡结构比较松散,会导致不同尺度的空穴脱落,与相邻叶片产生多重交互作用,严重影响了下一叶片的流动情况。