在机械加工和使用过程中,由于工业技术和运行条件的影响,会导致机械表面粗糙度发生改变,粗糙度的改变会影响离心泵的水力特性及运行稳定性。当离心泵在气液两相条件下运行时,粗糙度和气泡直径、含气率等多个因素共同影响着离心泵的流动特性,使离心泵内部流动更加复杂,结果可能会导致系统振动,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,基于粗糙度对离心泵气液两相流机理的研究就尤为重要,同时也为实际工程和设计提供重要的参考价值。本文在现有理论、试验研究和数值模拟的研究基础上,首先分析了在来流速度v为10m/s、攻角α为5°以及空化数s为0.6的条件下,局部粗糙度以及粗糙度大小对水翼的空化特性的影响;其次,在翼型空化的研究基础上,本文基于粗糙度对离心泵气液两相流机理进行了较为全面的定常与非定常的三维数值模拟计算。具体内容为:首先,进行了不同网格边界层和湍流模型的模拟计算,分析了网格边界层和湍流模型对计算结果和精度的影响;其次,探索了不同工况、不同进口含气率和不同气泡直径下,叶片的不同等级粗糙度对离心泵外特性和内部气液两相流的流动规律,并分析了粗糙度对叶片的径向力和轴向力分布规律的影响,同时在不同部件处设置了多个监测点,以探究不同工况下不同等级粗糙度对离心泵气液两相流的非定常特性规律;最后分析了进水管壁上不同等级粗糙度对气液两相流的特殊情况(即进口压力下降所导致的空化现象)的演变规律。主要研究成果如下:(1)升力系数随着粗糙度的增加而减少,且翼型表面光滑与表面粗糙对升力系数的影响程度很大;翼型表面粗糙度,会导致翼型的阻力系数增加;攻角的增加在一定程度上会使得粗糙度对翼型的影响增大;翼型的升力系数和阻力系数随着时间呈周期性函数分布,粗糙度对它们的影响为:对它们的相位的影响基本一致,即为,粗糙度由0.00μm变为16.32μm和45.33μm时,相位向右分别移动了约1.6s和2.0s;而对它们的幅值影响不同,对升力系数的幅值影响较小,但对阻力系数的幅值影响较大。(2)在v=10m/s、攻角为5°以及s=0.6的条件下,存在敏感粗糙度27.20μm,当粗糙度大于27.20μm时,翼型的气相体积分数、速度矢量分布、速度流线图以及压力云图会急剧发生变化,且翼型受粗糙度影响最敏感的区域为前缘、上翼面和靠近尾部区域;其次,增加粗糙度会导致阻力危机现象提前的发生;在x=0.6m~1.0m,在粗糙度为0.00μm和16.32μm,翼型的下翼面的压力系数分布基本不变,当粗糙度为45.33μm时,压力系数明显的增大。(3)粗糙度会增加上翼面的最大剪应力,使其位置向前缘方向移动,且粗糙度的增加,上翼面的最大剪应力的增加规律为:先增加后减小;其次,对翼型尾缘而言,粗糙度会使其流动状态趋于稳定,打破旋涡结构,同时使其剪应力先增加后减小;对前缘而言,增加粗糙度,会使剪应力逐渐增加至趋于稳定。(4)粗糙度的增加,会降低离心泵的扬程和效率,提高离心泵的轴功率,但不同流量工况下影响程度不同。并存在粗糙度敏感值12.5μm,粗糙度低于这个值时,粗糙度对泵扬程、效率和轴功率的影响较大,当粗糙度大于这个值时,粗糙度再继续增加,扬程、效率和轴功率的影响程度变缓。(5)增加叶片粗糙度可以降低span处的压力,不同流量下,粗糙度的影响程度不同,对流量工况为1.0Q_d时的影响程度最大,其次为1.2Q_d,最后是0.4Q_d;其次,含气率和气相粒径的增加使得离心泵对粗糙度的敏感度降低。增加气泡直径会增加压力脉动,增加粗糙度和进口含气率都会降低各监测点的压力脉动;增加粗糙度和气泡直径,都会使各监测点的压力周期性分布破坏,但粗糙度对监测点压力周期性的破坏程度更大。(6)粗糙度可以减少气相体积分数大小,并对气相体积分数的影响程度在某中间流线相对位置span位置处为分界点,且随着流量的增加,span处的分界点的位置会随之向叶片出口方向移动;其次,进口含气率基本上不会使粗糙度对气相体积分数的影响趋势发生改变,span的分界点也不会发生变化,只会使气相体积分数分布曲线整体向上移动;增加气泡直径,会使得粗糙度对气相体积分数的影响程度变大。(7)粗糙度的增加,会使定常下的叶片所受的径向力的方向向顺时针方向移动,大小随粗糙度的增加先减小后增加。增加进口含气率可以降低离心泵对粗糙度的敏感度,而增加气泡直径可以提高离心泵对粗糙度的敏感度;轴向力随着粗糙度的增加而增加,改变进口含气率和气泡直径不会改变粗糙度-轴向力关系曲线的分布和变化趋势,只会改变轴向力的大小,增加进口含气率,会使得轴向力增加;粗糙度会使得叶片所受的非定常下径向力发生偏心移动,减小径向力的大小;其次,粗糙度相对于进口含气率和气泡直径而言,对离心泵径向力的影响更大。(8)监测点G1的平均湍动能随着粗糙度呈三次多项式函数分布,在这五个粗糙度等级内,出现了最大值和最小值。随着流量的增加,粗糙度-平均湍动能的斜率增加,这与G1的湍动能一致。(9)空化条件下,粗糙度对不同工况下同一监测点的速度的影响规律一致,但影响程度不同。对进口压力为25.019KPa和工况为0.4Q_d时的影响程度最大。粗糙度在Ra=0μm~12.5μm时,可以降低回流漩涡强度,使速度趋于均匀化,同时改善空化性能,特别是在Ra=6.3μm时,改善效果明显。其次,随着粗糙度的增大,进水管所受径向力先增大后缓慢增加,且受力中心偏心分布;叶轮受到的径向力与进水管壁面粗糙度有一定关联并分布复杂,在Ra=6.3μm时,叶轮径向力趋于均匀分布;同时使叶轮内空泡分布由不均匀到均匀。