空化在水力机械中是一种常见的物理现象,它的产生和发展会对水力机械的性能产生不利影响,发展到一定程度会对过流部件产生破坏,严重时会引起机组强烈的振动和噪音。空化现象的复杂性驱使专家对其进行了大量的研究工作,但工程上对其认识仍处在不断探索的阶段,因此对水力机械内部空化流动的量化分级研究具有重要意义。本文采用数值模拟和模型试验相结合的研究方法对轴流泵内部空化发展进行对比分析,并在此基础上对空化现象进行了深入研究,总结出不同叶片安放角下、不同工况下轴流泵的初生空化余量和临界空化余量间的规律。同时,引入空泡率的概念,对空化发展进行量化,从而将初生空化和临界空化之间的区间进行分级,具体研究内容如下:本文以一台比转速为837的立式轴流泵为研究对象,数值模拟计算中的计算模型选用SST k-ω作为湍流模型、ZGB作为空化模型,并经过网格无关性分析和计算域网格的Y+确保数值计算的准确性,进而将数值模拟结果与试验结果进行对比,验证了数值计算的准确性。在分析叶片吸力面压力、空泡分布及静压荷载的基础上,通过对0度叶片安放角在不同进口压力下进行数值计算,结果表明了该轴流泵内部空化初生于叶轮中靠近叶片进口边叶顶处,而当进口压力不断降低时,叶片的出口边和轮毂处会相继出现空泡。为了分析3组不同流量工况下的泵内空化性能,通过对同一空化余量情况下的不同工况进行研究,验证了大流量工况和小流量工况较设计流量工况时的叶片空泡区域面积将明显扩大,而设计流量工况临界空化余量将小于大流量工况和小流量工况。为了验证数值模拟结果的准确性,分别对立式轴流泵装置进行空化性能试验和高速摄像的观测法试验,获得了不同流量工况下的空化余量-流量曲线以及空化初生、发展恶化阶段的空泡团形态。将其与数值模拟分析进行对比,二者结果相互印证,证明了数值模拟的结果具有高度可靠性。针对轴流泵空化在工程上量化的难题,本文创新性地通过对不同叶片安放角度的不同工况的初生空化余量和临界空化余量进行分析,得出了二者之间间距随流量的减小,呈现先减小后增大的趋势的规律。同时,创立以空泡率作为轴流泵临界空化余量的判断标准,利用空泡率这一参数对初生空化与临界空化之间进行分级,计算出的各阶段相应的空化安全系数为实际工程确定水泵安装高程提供了一定的参考价值。