本文是在国家杰出青年科学基金(50825902)资助下开展工作。循环泵是应用最广泛的离心泵之一,主要用于暖通空调和家用热水循环系统。目前循环泵主要存在效率较低、振动噪声水平较高等问题。随着新能效法规的出台和用户对振动噪声指标的更高要求,如何在传统离心泵设计方法的基础上,通过优化几何参数提高循环泵的水力效率和降低循环泵的振动噪声水平,成为一个重要的研究课题。本文采用理论分析、数值计算和试验验证相结合的方法对循环泵水力性能和振动噪声特性进行了研究,旨在于建立一套基于CFD的高效低振动循环泵水力设计方法。本文的主要工作和创造性成果有：1.在传统离心泵设计方法的基础上,在保证流量、扬程不变的前提下,通过优化设计转速,使设计比转速位于40～70的高效区,并结合正交试验对循环泵的关键水力部件叶轮和蜗壳进行优化设计,采用理论分析和数值计算的方法对循环泵的水力性能指标和振动特性进行研究。结果表明：优化后B50和C100循环泵的泵效率分别为82.3%和81.1%,满足了设计能效指标要求并且超过了欧洲标准定义的离心泵最高可实现效率指标。同时,较高的转速,降低了叶轮的外径,使循环泵整体结构更为紧凑,进而降低了生产制造成本。2.改进了循环泵蜗壳水力损失数学模型,考虑了叶轮与蜗壳间过渡段内的水力损失及螺旋蜗壳内的扩散损失,预测循环泵整体水力性能,指导蜗壳水力优化设计,试验表明：蜗壳水力损失数学模型能较为准确地预测循环泵内的水力损失,计算损失误差控制在5%之内。3.结合正交试验和数值计算对循环泵叶轮和蜗壳进行了优化设计,分别以水力性能、叶片表面载荷、压力脉动强度、径向力脉动幅值这四个指标作为水力模型最优方案的判断标准,通过对比不同方案的计算结果,得到最优方案B50S0和C100S0。从水力优化设计过程中得出几点结论：1)叶片流线安放角β是影响叶片载荷的关键参数,合理的流线安放角能有效地降低叶片上的载荷,改善叶轮流道内的流动状态,降低叶轮的振动水平。对于B50和C100叶轮研究对象而言,当流线安放角β为25°时,叶片表面的压力载荷和相对速度载荷均最小。2)压力脉动强度与蜗壳基圆直径和喉部面积的大小成反比；径向力脉动幅值与蜗壳基圆直径的大小成反比；较大的蜗壳基圆直径和适中的喉部面积能有效地降低循环泵的压力脉动强度和径向力脉动幅值,进而降低振动。对于B50和C100循环泵而言,当蜗壳基圆直径D3分别为1.25D2和1.3D2时,具有较好的水力性能、较低的压力脉动强度和较小的径向力脉动幅值。3)首次提出了压力脉动强度与蜗壳基圆直径、喉部面积呈二次多项式的函数关系,随着蜗壳基圆直径、喉部面积的变大,压力脉动幅值逐渐变小,并最终趋近于一个极小值；径向力脉动幅值与蜗壳基圆直径呈二次多项式函数关系,随着蜗壳基圆直径的逐渐变大,径向力脉动幅值逐渐趋近于一个极小值。4.对B50SO和C100S0方案进行了结构设计和样机试制,同时,为了降低泄露损失,创新设计了新型双道口环密封结构,以B50S0循环泵为研究对象,水力性能试验表明：与单道口环密封结构相比,双道口环密封结构的泵效率提升了6%。5.首次在背景噪声小于16dB的半消音室和固有频率小于10Hz的振动试验平台上,根据ISO9906、ISO20361和ISO10816测试标准,采用麦克风传感器、压力传感器和振动加速度传感器分别对B50S0模型和C100SO模型进行了水力性能及振动噪声试验,试验结果表明：B50S0模型和C100SO模型达到了设计要求。6.为了深入研究循环泵振动噪声特性,以B50SO模型为研究对象,测量了不同流量和转速下的振动噪声信号,采用1/3倍频程滤波法对振动噪声信号进行提取,分析了振动噪声与流量、转速及压力脉动之间的关系,发现了由流动分离引起的低频噪声主要存在于非设计工况下；噪声水平、压力脉动水平及结构振动水平与转速呈线性函数关系。研究发现：1)整个声压频域范围内,噪声水平从低频段到高频段呈先升高,后下降的趋势。2)非设计工况下的噪声水平、振动水平及压力脉动水平高于设计工况。3)由电机转子和定子的电磁感应所激励的高频振动主要存在于电机和电机座上。4)结构振动水平从大到小的排序依次为电机、法兰、电机座和泵体：靠近蜗舌区域和蜗壳出口扩散段处的振动水平高于泵体其它区域；法兰轴向上的振动小于径向振动。7.优化后的B50SO和C100S0水力模型已用于格兰富相关产品(TPE3),效率分别超过欧洲最高可实现效率目标的5%和1%,振动和噪声水平(B50SO为1.05mm/s和65dB(A),C100SO为0.77mm/s和59dB(A))分别低于产品设计要求规定的1.8mm/s和68dB(A)。