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)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。实际工程中离心泵运行常遇到入流含气的问题,导致性能急剧恶化,进而对系统安全稳定性造成威胁,入流含气的离心泵内部属于十分复杂的气液两相流流动,数值模拟提供了有效研究手段,成为当前研究的热点。但由于含气气泡在其内部流动时,直径和形态随流场参数不断变化,气泡间还存在聚合与破碎,高含气率下数值计算方法尚不成熟。本文修正固定气泡直径的气液两相流模型,基于离心泵外特性实验数据,验证和分析三种不同气液两相流模型对来流含气条件下离心泵内流场数值模拟的准确性和适用性,并基于修正模型和MUSIG模型分析揭示离心泵内气泡分布及流型转变特性,研究可为解决离心泵入流含气导致的性能恶化提供理论支撑,并推动离心泵气液两相流理论的发展。本文主要研究内容和创新性结论如下:1.综合分析离心泵气液两相流国内外研究现状得出,气液两相流流型变化是引起泵性能下降的主要原因,数值计算因对两相流流场做出简化,忽略了气相粒子在流动过程中的形变,难以准确模拟并反映这种气液两相流流型变化,从而考虑气相粒子的变化,发展并探究更适合的离心泵气液两相流模型是准确模拟分析并揭示气液两相流流态特性,解决泵性能下降的关键。2.分析气液两相流模型特点:(1)欧拉-欧拉双流体非均相普通粒子模型可用于离心泵气液两相流计算,气体粒子直径固定,未考虑气体粒子形变及聚合分裂等作用;(2)MUSIG模型将离散相分为若干组不同粒径的粒子,可考虑粒子的聚合与破碎作用,属于普通粒子模型的一种拓展,但计算量大大增加。基于此,本文建立描述粒子形变的方程,引入气相粒子直径随流场的变化,构造了普通粒子修正模型,在普通粒子模型基础上计算量不会有明显增加,但可反映气泡分布及流型变化。3.搭建了入流含气条件下离心泵性能实验台,开展比转速为88.6的单级单吸离心泵不同转速、不同入流含气条件下的外特性实验和进、出口压力脉动实验。基于实验数据,对比分析了普通模型、MUSIG模型和修正模型分别用于泵内气液两相流定常计算所得的外特性曲线的差异。计算结果表明:(1)小流量工况下,普通模型外特性计算结果准确;额定流量下,计算误差随入口含气量的增加而逐步加大;小含气率时预测性能误差在5%以内,含气率高于3%时,除了小流量工况外,计算预测偏差大大增加;(2)与普通模型相比,MUSIG模型计算得到的外特性结果在实验流量范围内整体与实验数据有较好的吻合度,说明考虑了气相破碎聚合引起的气泡形变是模型计算准确度提升的重要原因,但计算量大约为普通模型的2倍;(3)修正模型的计算量与普通模型接近,得到的外特性曲线在整个实验流量范围内与实验结果的吻合度则远远高于普通模型,修正效果随着含气量增加逐渐显现。额定工况下修正模型将计算误差降至较小范围,修正效果最为明显。4.基于普通模型、MUSIG模型及修正模型分别开展离心泵气液两相流非定常数值计算,并对三种模型计算获得的流场速度、流型、气泡分布进行了数值分析。研究结果表明:(1)修正模型与MUSIG模型模拟得到的整体流场计算结果较为接近,均可反映出流场中的流型转变、回流区特性,并可获得气泡分布特性以及气泡形变规律,而普通模型无法得到气泡形变规律,在含气量增加后的流场计算结果与上述两种模型也存在较大差异;(2)修正模型与MUSIG模型模拟得到的泵内气液两相流流型转变特性为:小含气量时表现为均匀泡状流态,流动规律为气相与液相流线排列有序而紧密,湍动能维持较低水平;随入口含气量增加形成聚合泡状流态,出现少量回流,流场稳定性有所下降;当含气量继续增加以及流量增加后,气囊流出现,气囊部位的回流最为严重,流道被气囊占用且水力损失急剧增加。5.基于三种模型的非定常计算进一步深入分析了压力脉动和气囊详细演变过程,结果表明:(1)随入口含气量增加,泵内压力脉动幅值明显升高,波动剧烈。修正模型和MUSIG模型均可以反映出含气量增加后流场中的强压力脉动特性;(2)MUSIG模型描述了气相之间的破碎与聚并过程,最终形成气囊的速度与程度最强,普通模型模拟的气囊程度最轻,进而得出,小流量下气体粒子形变会加剧气体聚集程度,大流量下,则是引起气囊初生的重要原因。