基于气液两相条件下的高速离心泵在石油、化工等工程领域中应用广泛,在气液两相介质混输下,气相变化会对离心泵运行的稳定性及水力特性带来不同程度的影响。影响气液两相的因素往往不是单一、独立存在的,而是互相综合的,当因素的参数发生改变,相应的流动特性就会变化,并会伴随产生振动,甚至会严重堵塞叶轮流道的流通性,对其设备造成损坏。因此,探索气液两相条件下不同因素的变化对高速离心泵内部流动的影响就尤为重要。同时也对高速离心泵内部流动机理以及实际工程应用提供重要的参考价值。在现有基础理论、试验研究、数值方法的研究基础上,本文对气液两相的流动理论与数值计算方法进行详细阐述,并对高速离心泵模型采用流体分析软件CFX详细地进行气液两相定常与非定常三维数值计算分析。分析了不同流量工况、不同气泡直径、不同转速等影响因子在不同进口含气率条件下对高速离心泵的性能变化及流动特性规律,以及叶轮内部气相体积分布、气相速度流线分布的具体演绎过程,并在叶轮流道、圆周出口、隔舌等关键部件设置监测点,观测不同因素相互作用下所诱导的压力脉动变化规律,进一步探讨了在进口压力下降所产生的空化(汽蚀)现象,在设计流量及小流量、不同压力下内部流场的演变规律。主要研究成果如下:(1)含气率越大,对效率、扬程等特性的影响就越大,且高含气率在大流量下高速离心泵的性能下降速度更快;气泡直径越大,在相同工况下其外特性下降速度更快;转速低于额定转速时,最优效率点向小流量处偏移,转速高于额定转速,最优效率点向大流量处偏移。(2)含气率越高,气相在叶轮内分布越来越密集,并由叶轮进口向出口处逐渐扩散,在流道的高度、宽度、长度三维空间上逐渐占满整个流道,且在不同条件下的主要聚集位置均不一致;流量越小,气相分布就越大,流量增加,能有效减缓气相的分布程度;气泡直径越大、转速越高,气相分布就越严重。(3)随着含气率的增加,叶轮和蜗壳的内部速度流线越紊乱,速度漩涡分布扩散增加,气泡直径越大,速度涡越多;随着转速的提高,气相速度流线及涡最为不均匀的位置向流量增大的方向偏移。(4)当含气率为5%时,气相聚集程度加快,当含气率达到10%时,叶轮内出现相态分离现象,当含气率为15%时,高速离心泵流动将处于断流状态,达到承受含气率的极值点。(5)在相同含气率下,泵工况偏离设计工况越远,隔舌、圆周出口、叶轮流道中各监测点的压力脉动波动就越剧烈,稳定性失衡就越严重。隔舌是引起压力脉动的主要脉动源,其位置不同,压力脉动值也不一样,且各监测点主要脉动幅值均发生在叶频及其倍频处,主要脉动频域均在低频区。气泡直径越大,脉动幅值就越大,随着含气率的增加,隔舌位置的最大压力脉动幅值逐渐向气泡直径增大方向偏移。随着转速的增加,压力脉动同一周期内随时间的波动逐渐向前移动。含气率5%附近是影响高速离心泵压力脉动变化快慢的临界点。(6)进口压力越小,叶轮内部空化就越严重,当进口压力减小到一定值时,扬程会发生陡降。随着流量的减小,对应的扬程陡降界点就越小,且陡降点会逐渐向前移动,汽泡体积分数、速度逐渐增加,整体的压力值变小,波动越剧烈。进口压力为0.5atm附近是影响汽泡分布、监测点的压力脉动幅值、径向力大小增长速率快慢的分界点。径向力在圆周转动度数为60°的整数倍时最大。