本文是在国家杰出青年科学基金“离心泵基础理论和节能关键技术研究”(50825902)、国家科技支撑计划项目“百万千瓦级核电离心泵关键技术研究”(2011BAF14B04)和江苏省研究生创新基金“离心泵低噪声水力设计方法及关键技术研究”(CXZZ12-0679)的资助下开展工作。随着环境法规的出台,用户对产品的振动噪声指标提出更高的要求,掌握离心泵噪声产生机理以及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离心泵的水力效率和降低离心泵的噪声水平,成为一个重要的研究课题。本文采用机理分析、试验测试和数值模拟相结合的方法对离心泵流动噪声的特性进行研究,旨在建立若干高效率低噪声离心泵水力设计准则。本文的主要工作和创造性成果有：1.系统总结分析了离心泵噪声的分类和产生原因,提出现有的离心泵噪声测量和评价标准已不能满足其噪声评估的需要,离心泵流动诱导噪声是离心泵机组噪声测量和评估的关键。研究表明离心泵流动诱导噪声产生的重要因素是其内部流场的不稳定流体力,来源主要包括：动静部件间的干涉作用,非设计工况下的叶轮径向力和不稳定流动现象等。2.搭建了离心泵流动诱导噪声测试平台,建立了无源四端网络法声学测试模型,试验研究了离心泵流动噪声随运行工况(变流量和变转速)的变化规律,分析了回流和空化发生时的流动噪声特性。通过研究叶轮切割对模型泵流动噪声声压级和空化性能的影响,提出叶轮和隔舌之间的最佳间隙值。结果表明：模型泵在小流量时发生回流,噪声声压级保持较高的水平,0.6Qd以后,声压级随流量的增大先减小,并在最高效率点达到最小,然后迅速增加；随着转速的提高,离心泵进、出口流动诱导噪声声压级呈线性上升,离心泵出口的流动噪声变化要比进口大；随着空化系数的减小,流动噪声的总声压级逐渐升高,并在达到极值后降低；模型泵叶轮和隔舌之间的最优间隙值为15%,间隙值小于最优值时,叶轮切割能明显降低流动噪声声压级并提升模型泵空化性能；在高效区运行时,流动噪声的主频为叶频及其倍频,轴频及其倍频也存在极值,回流现象发生时由于进口预旋造成流道堵塞,流动噪声的能量往轴频及超低频集中,空化现象发生时,随着空化系数的降低,噪声谱的能量往高频集中,但低频区叶片通过频率及其倍频的峰值逐渐减小直至消失。3.采用结合计算流体力学和计算声学(CFD/CA)的混合算法对IS65-50-165模型泵的流动诱导噪声进行求解,并分析了声振耦合作用对流动诱导噪声计算的影响。发现流场求解时,采用Scale Adaptive Simulation (SAS)湍流模拟既能避免对网格和计算资源的过高需求,又能满足计算声源信息的需要。研究结果表明：距离隔舌位置近的监测点脉动强度较大,表明叶轮和蜗壳隔舌的动静干涉作用是引起流场脉动的主要原因,隔舌部位是主要的噪声源；经过试验验证,在泵高效运行区间内基于CFD/CA的数值计算求解误差在3.1%以内,完全能满足工程优化的需要,其中声学边界元法在叶频及其倍频噪声声压级求解方面有优势,声学有限元法虽然建模较复杂,但能直接展现流场体声源分布并考虑宽频湍流噪声的求解,计算结果与实际更加吻合；泵在非高效区运行时,仅采用偶极子声源进行声场计算将不能准确反映模型泵的声场特性；声振耦合作用对叶片通过频率下声压级的求解影响很小。4.以叶频噪声声压级、扬程、效率和轴功率这四个指标作为判断标准,首次采用权矩阵方法借助数值模拟技术对离心泵叶轮进行多目标优化设计,得到一组水力模型优化方案。通过优化叶轮与原型叶轮的试验对比,发现该优化模型全部达标,验证了数值优化方法的可行性。通过PIV内流场测试发现：隔舌对流场影响很大,受叶轮和隔舌动静干涉影响,流场内速度的大小、云图分布都呈现周期性变化,这种干涉作用不但直接作用在隔舌附近流体,还能沿上游传播影响叶轮进口的流动；高效率低噪声离心泵叶轮设计的关键是选择合理的叶轮和隔舌间隙,以及减弱叶轮出口的尾流脉动。5.提出了能较大幅度降低电动离心泵机组辐射噪声的引射装置,试验比较了原型泵、添加正常引射管径(dy=6mm)和偏大引射管径(dy=12mm)三种模型泵的性能,并首次数值计算了包含引射流在内的离心泵内部流场。研究结果表明：风扇空气动力学噪声是离心泵机组运行时产生辐射噪声中重要的组成部分,采用引射装置后,辐射噪声降低约8.3dB; dy=6mm时,模型泵扬程、效率和轴功率的变化均不大,小流量下模型泵的临界空化余量变小,加设引射管能够有效减弱回流强度,并降低回流发生的关键流量点；dy=6mm时,由于引射管较大地增加了叶轮实际流量,模型泵的轴功率增幅明显,而扬程和效率下降很快,同时,由于垂直入射的引射管流太大,造成回流发生时进口流场的进一步紊乱,抵消了其进口增压作用,并引起空化性能的恶化。6.基于法国国立高等工程技术学校的动静干涉实验台,在某导叶式离心泵模型上进行了三孔探针、PIV、导叶叶片静压和进口流动噪声的瞬态测量等试验,通过评估导叶压力恢复能力和分析叶轮上、下游流场的瞬态特性,对离心泵动静干涉作用引起的湍流脉动机理进行了研究。研究结果表明：导叶内脉动的速度场存在变化明显的径向分量,表明模型泵整体等同于声源向外辐射噪声,速度场的切向脉动更加强烈表明声源具有明显的偶极子特征；按压力损失情况可以将导叶划分为无叶片区域、导叶进口至喉部区域和喉部下游区域,导叶静压恢复系数随流量的减小而变大；导叶设计流量下叶轮出口至导叶喉部区域的压力损失最小；小于设计流量时,压力损失主要集中在导叶无叶片区域,较大的液流角引起导叶进口的回流,复杂的流动结构造成较大的能量损失,并且随着流量的逐步减小叶轮进口发生回流,回流可以延伸到进口管形成失速团,这是小流量情况下湍流噪声的主要来源；大流量下压力损失主要发生在导叶喉部以后区域,导叶压力面附近的流动分离是压力损失和流动噪声的主要原因,但由于叶轮的阻隔下游的宽频湍流噪声不易传播到上游进口管。