随着经济的快速发展,我国出现了很多能源问题与坏境问题,因此我国对各行各业提出了严格的能耗标准,泵行业也包含其中,然而离心泵内空化现象的发生却严重制约了离心泵性能的提升。同时,离心泵内空化发生时,空化泡溃灭产生的冲击波对过流部件表面产生侵蚀,严重影响了整个泵系统的使用寿命,增加了经济损失。从鲨鱼的生物学研究中发现,鲨鱼在水中的呼吸过程所形成的射流能够有效增加鲨鱼游动过程中的稳定性,提高了鲨鱼游动过程中的水动力特性。受这种鲨鱼射流结构的启发,基于仿生学原理,将其应用到低比转速离心泵的空化控制中。本文选取一比转速为32的低比转速离心泵,使用数值模拟方法对离心泵叶轮内的空化泡演变过程及仿生射流结构对离心泵内空化发展过程的影响进行研究。研究过程中通过对SST k-ω湍流模型中的湍动能粘度系数μ_t重新定义得到了修正的SST k-ω湍流模型,解决了原有湍流模型在计算空化流时对汽相粘度过度预测的问题,空化模型选择Kubota空化模型,并通过试验方法验证了此数值模拟方案的可行性。研究过程中得到如下结论:(1)通过在甘肃省流体机械及系统重点实验室可视化试验平台进行外特性试验和空化试验,发现数值计算的最大误差为4.86%,在可容许的误差范围内。即数值模拟过程中湍流模型选择、空化模型选择、边界条件设置、网格划分方案等均比较合理,此数值模拟方案可用于后续研究。(2)通过对低比转速离心泵叶轮内的空化流场分析发现,随着空化余量的下降,叶轮内的空化现象越来越明显;叶轮与蜗壳之间的动静干涉作用导致离心泵叶轮内的空化泡呈非对称分布;离心泵叶片表面载荷与泵进口压力和空化泡状态均有关系,泵进口压力下降,叶片表面载荷也随之下降,同时,空化泡的存在会影响叶片的做功能力,使得叶片表面载荷的发生变化,进而使得泵扬程发生变化;通过对叶轮内瞬态空化特性引起的压力脉动分析发现,叶轮内的压力脉动呈现以叶频为主频的变化特性,主频脉动特性与空化状态和叶轮与蜗壳之间的动静干涉作用有关。(3)通过对具有不同仿生射流结构的低比转速离心泵空化性能的研究发现,仿生射流结构有效抑制了叶轮内空化泡的发展。最为明显的是,相同扬程下,径向宽度为3 mm,轴向宽度为10 mm时,空化余量与原模型相比小42%,扬程断裂阶段,扬程可提升33.7%;射流改变了一个叶轮旋转周期内空泡体积分数均值的大小,未改变其变化趋势,径向宽度为3 mm,轴向宽度为10 mm时,空泡体积分数均值可下降43.6%;射流有效抑制了叶轮内低压区的扩展,使得低压区面积明显减小,且射流孔轴向长度变化对叶轮内压力分布的影响小于径向长度;空化发生时,空穴的震荡导致叶轮内涡结构和湍动能发生变化,使得叶轮损失增加,泵扬程下降;射流作用改变了叶轮内的流场分布结构,对湍动能和涡结构产生了影响,从而对叶轮内空化的发生和发展产生了影响,同时空化状态的变化又引起涡结构和湍动能发生变化;仿生射流结构未改变叶轮压力脉动的频域变化规律和主频幅值变化规律,只是改变了主频幅值的大小,P1、P2、P3、P4的压力脉动主要受叶轮内空化流影响,P5、P6点压力脉动主要受叶轮与蜗壳之间的动静干涉作用影响。(4)通过对仿生射流结构对离心泵性能的影响分析发现,在不同的流量下,仿生射流结构对离心泵性能的影响不同,小流量工况和额定工况下,离心泵的扬程和效率下降,泵性能变差;大流量工况下,射流场有助于优化流场结构,有助于提高泵的扬程和效率。径向宽度为3 mm,轴向宽度为10 mm时,仿生射流对泵性能影响较小,可投入到工程实际中。