本文的研究受到国家自然科学基金“气液两相流下离心泵内部流动机理及其流动诱导特性研究”(编号:51779107)、国家重点研发项目“复杂环境工程抢险关键技术研究及应用示范”(编号:2018YFC0810505)和高端外国专家项目“气液混输状态下泵内部流动特性研究”(编号:GDW20153200139)的资助。工程实际中经常会遇到离心泵气液两相流问题,随着入流含气率的增加,其性能会急剧恶化,甚至会引起断流,导致系统安全稳定性受到极大威胁,其内部流动特性和性能恶化机理至今仍未揭示。本文采用试验研究和数值模拟方法进行了不同转速、不同入流含气率下模型泵外特性、压力脉动以及高速摄影试验,并采用Euler-Euler非均相流模型对气液两相入流条件下离心泵内流场进行了数值计算,主要研究内容和结论如下:1.通过对国内外研究现状进行总结分析,指出当前离心泵气液两相流研究的发展趋势和存在的问题,认为含气条件下性能恶化的根本原因是内部流型的变化。2.搭建了离心泵气液两相流开式试验台,对比转速为88.6的单级单吸不锈钢离心泵进行了不同转速、不同入流含气条件下的外特性试验,同时为进行不同入流含气率内部流场可视化试验,设计了相同几何参数的半开式叶轮可视化模型泵,结论如下:不锈钢离心泵在额定转速下,入流含气率为10%时仍能正常工作,其他转速工况时,最大入流含气率会随着转速的降低而降低。可视化模型泵性能有相似的规律;同时发现可视化模型泵在1450r/min时能达到的最大入流含气率为7.5%;1000r/min时能达到的最大入流含气率为4.6%。3.在不同流量工况、不同入流含气条件下对试验泵进行了压力脉动试验,结论如下:(1)不同入流含气条件下,不锈钢离心泵压力脉动主频均为叶频,并且入流含气率越大,压力脉动主频幅值就越大;当入流含气率超过5%时,压力脉动主频幅值明显增大,且此时低频信号幅值也较明显。随着入流含气率的增大,压力脉动均方根值先增大后减小;随着流量的减小,压力脉动均方根值逐渐增大,且在设计工况点时压力脉动均方根值最小,此可作为流态监测的重要依据。(2)不同入流含气条件下,可视化模型泵压力脉动主频也均为叶频,随着入流含气率的增加,压力脉动均方根值逐渐减小,表现出与不锈钢离心泵不同的变化规律,这是由于叶顶间隙的存在,气体更容易滞留在叶顶间隙。同时对入流含气率为0%和2%的压力脉动频域图分析发现:通气后由于不稳定流动增强,导致扬程下降明显,同时轴频处压力脉动幅值也明显增加,说明压力脉动轴频与扬程之间有内在关联性,并通过不确定度分析表明试验结果具有一定的可信度。4.采用Euler-Euler非均相流模型对模型泵进行了数值计算,结论如下:气体在流道内的聚集导致了旋涡的产生,旋涡进一步加剧气体的聚集,进而影响旋转叶轮能量交换和传递,导致泵的性能下降。气体总是先在叶片吸力面聚集,随着入流含气率的增大,逐渐向整个流道聚集,部分气体从叶轮出口流向蜗壳,最后流向出口管,在入流含气率为5%时已开始出现气液分离现象。5.对可视化模型泵隔舌与叶轮动静干涉区域进行了不同入流含气条件下的高速摄影试验,并对叶轮内的气泡受力进行了分析,结论如下:(1)气泡在叶轮内的流动形式随着入流含气率的不同会出现均匀泡状流、聚合泡状流、气穴流和分离流动。由于流型的不同,其性能变化不同,尤其当叶轮内出现气穴流动时,发现性能下降较快,压力脉动波动剧烈。(2)气泡总是先聚集在靠近叶片吸力面,然后会沿着叶片压力面向叶轮出口运动,这是由于气泡在叶轮内受力不均匀导致气泡沿着偏离液体流线方向运动到高压侧而流出,因此聚集在叶片吸力面低压侧的气泡会逐渐向高压侧运动而流向蜗壳出口。